基于BIM的全过程数字化建造技术

陈渊鸿 房霆宸 赵一鸣

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；

2. 上海超高层建筑智能建造工程技术研究中心 上海 200080

在新一轮技术变革过程中，信息化技术正逐步渗透到社会生活的方方面面，物联网、移动通信、云计算、大数据分析等技术极大提升了数据收集、处理、使用的效率，对人们的生产生活方式产生了巨大影响。随着社会的发展，人力、资源、环境等因素对工程建设的制约日益凸显，对施工过程的精细化、绿色化要求不断提高，传统粗放式的建造方式难以满足工程建设要求。物联网、云计算、大数据等新兴数字化技术不断被引入，对工程建造方式带来深刻影响，数字化建造理念被相应提出。数字化建造技术是利用计算机对工程建设设计、研发、施工全过程的人、机、物、法、环等各要素进行仿真、制造、监控、安装、管控的过程，在该过程中同步建设形成工程数字化模型[1]。

数字建造相关概念最早由设计领域提出，将制造业生产方式引入建筑行业，在设计阶段构建建造对象数字化模型，将该模型以计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）文件形式导入数字机床（如3D打印机、钢筋加工机器、建材剪切机器）制造出建筑构件实体，在现场完成模块化拼装。数字建造采用工业化方式完成工程建造，是一种高效、绿色、精益的生产管理方式，将引发建筑行业全面的变革。然而，受技术、成本等因素影响，数字建造技术仅限于在实验室或少量重大工程进行局部应用，难以在项目中实现产业化推广。

建筑信息模型（building information modelling，BIM）技术是建筑对象及其建造过程的数字化表达，实现建造全过程建筑几何、非几何信息集成，可对过程中进度、成本实现可视化管理，优化建造管理流程，被称为继CAD以来，建筑行业第二次信息化革命。BIM技术是实现数字建造的一种重要技术手段，它可对建筑全生命周期信息进行集成，实现建设各阶段间信息高效传递，减少信息鸿沟，实现各参与方间的信息共享，为数字化建造的实现提供有效基础数据源，从根本上解决数字建造中项目数据获取及管理难题。基于BIM的全过程数字化建造就是以BIM模型为核心，将BIM设计信息输入数控设备，对建筑对象进行制造、安装，通过传感设备或移动终端将建造过程中构件状态、进度、成本等信息反馈至BIM模型，形成建造信息基础数据库，在一定权限范围内在建设、设计、施工、监理、供货商之间进行共享，从而实现基于BIM的全过程数字化协同建造模式。我国数字化建造技术研究起步较晚，部分企业对数字化建造技术应用进行了大量探索，涌现了国家体育馆（鸟巢）[2]、上海中心大厦[3]、上海迪士尼[4]等数字化建造技术应用重大工程，实现了BIM与数字化建造技术的深度融合应用，成为数字化建造技术应用典范。

1 基于BIM数字化建造技术的应用框架

工程建设涉及设计、施工、供货、管理等多个参与方，各方活动关系错综复杂，是一个时间跨度大、参与方众多的复杂过程。随着工程项目复杂程度提升，工程建设质量安全要求越来越高，对技术与管理提出了新的需求。数字化建造技术可有效解决复杂结构建造所面临的技术难题，要想实现工程建造活动有序开展，通过一定技术或流程，保障各参与方、各阶段建造信息有序流动是关键，核心是保证信息的完整性和唯一性[5]。建筑信息模型技术为数字化建造全过程应用提供了数据集成管理数据库，同时保证工程建设活动在一定管理流程下高效开展，由各参与方按照合同要求共同建设工程项目数字化数据库，从数据库中按权限调用所需管理信息，协同开展工程实体建设，并将工作内容信息同步录入信息模型，不断丰富模型内涵，最终满足工程竣工验收要求，所形成的竣工数字模型可用于后续的运维管理[6]。

要解决工程建设海量信息的完整性、准确性、唯一性难题，合理规划各阶段数字技术应用以及数据转化方式是关键[7]。基于BIM的全过程数字化建造技术应用模型如图1所示。

图1 基于BIM的全过程数字化建造关键技术应用框架

2 基于BIM的虚拟建造技术

工程建设是一个长期的投资过程，一般来说，前期策划阶段对工程建设成本的影响相对较大，随着项目推进对造价的影响逐步减弱，其中前期策划及设计阶段的决策对于建筑全生命周期建设成本的影响达60%以上。因此，在项目前期策划阶段对项目进行充分论证优化，对于减少后期变更及资金投入具有重要作用。在CAD设计阶段，由于工程项目建设的复杂性，技术方案及技术参数的经济性与可靠性大多依靠经验，无法在建造前对技术方案进行准确评估比选，因此，项目前期对进度、成本的控制目标更加无法准确估计。基于BIM的虚拟建造技术以BIM模型为核心，在施工前用计算机将建造过程进行可视化仿真模拟分析，充分评估各项设计方案的经济性与可靠性，进而为减少项目投资、提高项目安全性及经济性提供支撑[8]。基于BIM的虚拟建造技术包括三维数字化建模技术、数值仿真分析技术及建造方案模拟技术等[1]。其中，各项应用模型均可由设计BIM模型提取，并将分析结果反馈至设计端，从而为设计方案的进一步优化提供支撑，使得所得到的设计方案在经济、实用、安全综合性能等方面均可最大限度满足建设要求。

2.1 三维数字化建模技术

三维数字化模型集成工程建设各阶段信息，是实现数字化建造技术应用的基础，该模型信息随着工程建设的推进不断完善。为了保证三维数字模型信息的完整性和准确性，在设计前期应明确各专业模型所使用的软件及不同软件间的数据传递方式。此外，应该明确各专业模型在不同阶段包含的工程信息及信息精度，充分保证各项BIM应用顺利进行。例如，在设计阶段明确以Revit软件平台为核心构建建筑结构的数字化模型，利用Tekla软件建立钢结构专业的数字化模型，利用Rhino软件建立幕墙的数字化模型，利用MagiCAD软件建立机电专业的数字化模型，利用Revit、Sketchup软件建立景观的数字化模型，利用Navisworks软件进行数字化模型的集成和专业综合，各专业间模型通过.rvt、.ifc、.fbx等格式进行信息转换[9]。随着技术的进步，针对大场景、复杂造型的既有结构，可通过地理信息系统（GIS）、无人机航拍、三维扫描等方式得到所需的三维表皮模型，将获得数据导入建模软件，从而快速获得现有建设场景数据，实现高效准确建模。

2.2 数值仿真分析技术

随着工程建设规模扩大，建设环境及结构造型日益复杂，对于结构安全性要求越来越高，数值仿真分析技术采用有限元分析方法，对建筑结构受力分布情况、抗风抗震性能进行仿真分析，得到不同工况下受力分布情况，进而优化建造方案，保证工程的安全性。目前，基于有限元的数值仿真分析技术大多根据结构图纸建立数值仿真分析模型，分析结构比选设计方案，确定各项结构参数，优化设计结果，二次建模所涉及的工作量极大。根据规范要求，针对一定规模以上建筑需采用多种软件进行结构分析，该过程涉及大量建模工作，当设计方案调整时，还需根据设计图纸变更修改模型，制约了设计效率的提高。基于BIM模型的数值仿真分析可直接由BIM模型提取分析所需信息，建立模型，BIM模型变更时，数值分析模型相应同步调整，在保证模型信息准确一致的同时，大幅减少了有限元分析建模时间，提高了设计效率。

在将BIM模型信息导入数值分析软件过程中，如何确保所需的结构属性准确传递至结构数值分析软件之中是关键，针对国内常用的PKPM、YJK等软件，可通过核心建模软件（如Revit）提供的API二次开发数据接口进行模型信息传递，也可以通过.dwg、.fbx、.ifc等中间格式进行模型转换[7,10-14]。而对于SAP、Ansys、STAAD等软件，则需要针对信息传递需求进行定制开发来实现。

2.3 建造方案模拟技术

传统CAD通过图纸、方案文件等方式对建造方案进行表达，往往无法及时发现设计方案中存在的问题，因此，在建造过程中会发现专业碰撞或者难以施工等问题。建造方案模拟技术在设计BIM模型基础上附加时间、成本等信息，将相关信息与模型经过任务工作结构划分、工程量清单划分后与相应模型关联，从而对建造过程进行4D（3D＋时间进展）、5D（附加成本）可视化分析，优化设计方案，为实现建造过程中进度、成本的精细化管理提供了有力支持。

3 基于BIM的数字化加工技术

随着工程建设行业人力资源日益短缺，智能化制造设备被引入了建筑行业，构件根据设计图纸在工厂中进行集中生产，运送至现场进行安装。目前，3D打印设备、焊接机器人、钢筋加工机械、装饰构件雕刻、管件或板材裁剪等常见的数字加工技术手段，大幅提升了构件加工效率，实现了构件绿色化、集约化生产[15]。构件工厂根据加工工艺及安装要求由深化设计BIM模型建立加工模型后，导出形成数字加工设备所能识别的CAM文件。数字加工设备可调用相应数据文件进行智能化生产。如图2所示，Revit深化后模型导入Inventor软件，生成加工图纸及Boom表单，利用数字编码对预制构件生产、配送、安装状态进行跟踪，实时录入模型[16]。

图2 机电BIM模型生成加工文件

4 基于BIM的智能化安装技术

现场智能化安装是数字化建造的主要特征，它采用机械设备替代大量人工作业，提高了建筑构件安装过程中的作业效率及安全性。通过建立BIM模型，可对构件进行模块化划分，得到安全可靠、材料节约、便于安装的设计方案，由模型提取获得各个构件的材料清单，为智能化安装奠定基础[17]。为了保证大型预制构件整体安装就位顺利，就需要通过BIM模型虚拟拼装方式找出安装过程中的关键控制点、关键路径，协调待安装构件与既有结构间空间位置关系，大幅减少巨型构件整体安装错误的可能性。此外，在安装过程中，可将模型输入机器人全站仪，在BIM模型中输入放样点坐标，可对构件安装关键点位进行动态精准控制，以提高建造效率。

5 基于BIM的信息化管控技术

5.1 危大专项工程可视化监控技术

根据施工安全管理要求，超过一定规模的深大基坑工程、大型模板工程、重大工程设备应针对关键技术参数进行安全监控。随着通信技术的发展，通过Zigbee、Lora、Wi-Fi等无线通信技术可将传感器获取的监控数据传输至监控系统中心服务器数据库，并通过Web在终端系统远程查看所需数据，将监控对象BIM模型上传至云端，将传感设备模型与监控数据一一挂接，达到实时远程查看各点位监控数据，并对监控数据超出设计要求的区域进行预警的目的，从而提高施工安全性[18]。

5.2 施工人员安全三维管控技术

近年来，建筑行业事故频出，使得人们对现场作业安全的关注度日益提高。针对现场安全管理需求，建立包含作业人员信息、危险区域、危险作业行为、使用危险设备等不同工种的安全风险数据库，评估不同作业人员的安全隐患。通过视频采集、RFID定位等方式获取作业人员当前坐标，并在BIM模型中进行定位，针对安全隐患进行预警，报告现场安全管理人员，从而实现现场作业安全实时智能化管控，提高作业安全性。

5.3 施工要素协同控制技术

施工过程中，进度、成本、质量安全是施工管理的主要要素，往往通过人员、材料、合同、信息等方式进行合理管控，在超大规模工程中，海量复杂工程信息使得现场项目管理处于粗放状态，进度、成本、质量安全相互制约，难以保证各项指标控制最优。基于施工过程BIM协调各要素间关系，实现建造方案优化。通过网络实时录入施工管理所需信息，实现信息共享，进而实现对各要素的协同管控，提高管理效率，实现精益建造。

6 基于BIM的全过程数字建造管理平台

基于BIM的数字化平台是实现建造全过程数字化管控的重要信息载体，可通过移动终端，实现项目信息的自动化协同式交互，不同企业项目组织架构和管理模式各不相同，因此，有必要针对不同企业管理要求建设基于BIM的全过程数字建造管理平台[19]。

要实现上文所述的全过程数字建造，平台应具有以下功能：

1）BIM模型数据存储与管理：基于标准格式，统一存储建造过程中产生的模型数据信息，保证数据的唯一性。

2）模型交互：通过数据接口，将多种文件格式模型信息精准导入，并实现高效更新与集成，将核心模型信息根据应用需要转化成为所需的数字模型，如数值分析模型、加工模型。

3）施工工艺与方案模拟：根据施工方案将进度、成本、材料批次与模型准确挂接，实现动态模拟，针对碰撞问题进行预警。

4）模型集成与数据查询：对各专业模型信息进行集成，随着项目进展不断丰富，供不同参与方在权限控制范围内进行查询。

5）施工要素智能分析预警：基于大数据，将方案与实际建造比对，对建造偏差进行原因分析，若偏差对进度、质量、安全、成本会产生重大影响，需提前做出预警。

基于BIM的全过程数字建造管理平台可实现设计虚拟仿真分析、数字加工、协同管控等多种需求，采用分布式数据库对全过程建造数据进行统一管理，通过智能传感设备、移动终端采集信息，利用Web、移动端对数据进行交互，实现扁平化管理。

7 结语

随着我国经济的发展，科技成为实现社会经济向创新驱动高质量发展转变的主要动力，而数字化是实现创新驱动的重要途径，是未来实现智能化不可缺少的技术手段。建筑行业正面临工业化与数字化深度融合发展的关键时期，BIM技术是实现这一目标的有效工具。

我国高度重视建筑行业数字化技术发展，2020年7月，住建部、国家发改委等多个部委联合发布《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，将在建造全过程加大建筑信息模型（BIM）、互联网、物联网、大数据、云计算、移动通信、人工智能、区块链等新技术的集成与创新应用作为重点任务之一，为建筑行业数字化转型进一步明确了方向。

经过多年的发展，我国BIM技术应用蓬勃发展，涌现出了一大批BIM与VR、GIS、三维扫描、3D打印等新兴技术集成应用的创新技术，而对于以BIM技术为核心的全过程数字化建造技术应用的研究较少。本文提出了基于BIM的全过程数字化建造技术应用框架，以期为行业数字化技术转型升级提供参考。