海外超高层钢结构中BIM技术的应用

摘要

近年来，BIM技术在工程建设行业的应用不断深化，成为施工企业优化与革新生产方式、带动管理水平提升、加快推动转型升级的有效手段。本文以科威特某项目BIM应用技术为例，重点介绍海外工程BIM管理的执行流程、分阶段协作、运行模式等，同时，总结了BIM技术在项目应用中遇到的实际问题和解决对策，为后续国内建筑企业“走出去”提供参考。

关键字

BIM；模型；模型标准深度；运行模式

1  BIM的定义

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）：通过仿真模拟建筑物所具有的真实信息而得到的所有数字信息的总和，并使用该数字模型对项目进行设计、建造及运营管理的过程（见图1）。

图1  建筑全生命周期中的BIM

BIM的最终目的是使得整个工程项目在设计、施工和使用等各个阶段都能够有效地节省能源、节约成本、降低污染和提高效率。

 

1.1 BIM的基础是建筑单体

第一个层面，BIM的信息是按照建筑设计、施工、运营的规则来定义和存放的，例如建筑专业的门窗墙、结构专业的梁板柱、机电专业的空调、水泵、配电箱等。

第二个层面，BIM的信息是和建筑元素（建筑物的构件或部件）存放在一起的，您想要建筑物某个部分的相关信息，只要找到建筑物的这个部分就能得到。

BIM的各种应用如图2所示。

图2  BIM的各种应用

1.2 BIM的灵魂是信息共享和交换

BIM要做的事情可以简单地描述如下：让项目不同的利益相关方在项目的不同时期，在BIM模型中插入、抽取、更新或修改信息，用以支持他们各自的职责和角色，从而实现协同作业（见图3）。

也就是说，一个项目相关的所有各方，在项目生命周期的任何一个阶段，都可以通过操作信息来完成他们的使命，即策划、设计、施工、管理好目标建筑物。

以BIM形式存在的信息，和以其它形式存在的信息（例如图纸）有非常大的不同，这个不同就是项目参与方理解、掌握和使用这些信息的效率。

图3  信息共享与交换示意图

1.3 BIM的目标是效率

目前由于图纸是承载和传递项目信息的主要载体，在理解项目和其他参与方的工作上，下列问题就变得不可避免：

（1）时间过长：尽管在结构、建筑施工图纸的基础上可以辅助项目人员理解项目和各专业分包的工作，但是仍然不能从本质上解决问题，原因是各专业分包图纸数量成千上万，要找到准确、对应的参考图纸需要消耗不少时间；

（2）容易出错：依靠人脑把成百上千张甚至更多的图纸翻译成三维的建筑物，想象各种不同系统之间随着时间变化的空间关系，这点很难实现。

BIM借助于BIM模型和相应的模型检查和协调软件，使得上述环节的工作效率大大提高，从而缩短整体工期和减少错误。

 

1.4 BIM的工具是软件

根据BIM的定义我们可以知道，BIM是在项目生命周期内通过运用信息技术支持项目建设，以此提高项目生产力的过程，因此BIM不仅只用到某一种或几种软件，它的实施过程需要用到各种不同类型的软件工具。图4所示为BIM可能运用到的各种软件。

图4  BIM时代的软件和信息互用关系图

1.5 BIM的结果是模型

BIM本身是一个动词，这在维基百科的BIM定义中也说得非常清楚：BIM是在项目生命周期内生产和管理建筑数据的过程。

这个动词的结果是一个模型，一个建筑物的信息模型（或者说是虚拟模型——相对于通常的实物建筑和实物模型而言），一个按照建筑物设计、施工、运营的本身规律建立建筑物几何造型和存储建筑物专业信息的模型，我们称这个模型为BIM模型，如图5所示。

图5  BIM模型应用图

2  BIM技术在科威特某项目中的应用

2.1 项目简述

该项目位于科威特城金融中心的核心区，由英国福斯特建筑设计事务所（Foster & Parteners）设计，由科威特Ahmadiah公司和中国建筑股份有限公司承建，总建筑面积12.6万㎡，建筑高300m，地上56层，地下3层，钢结构总量2.5万t，项目总投资约30亿人民币，建成后将成为科威特国家第二高楼及中东地区的新地标。

图6  项目效果图

图7  项目实际进度照片

2.2 BIM在项目中应用的背景

该项目的BIM模型，根据项目自身的结构特点，采用了垂直分区的方式，由下而上划分为14个区域。

本项目BIM用到的主要软件为Revit和Navisworks，经多次实践以及协商，目前钢构专业需提交的文件为.ifc及.dwg格式，无须提供Revit（.rvt）格式的模型。

 

2.3 BIM在项目设计阶段的应用

2.3.1 BIM模型深度标准

BIM模型深度（Level of Detail/Development，LOD）一般分为5个等级[2],如表1所示：

表1  BIM模型深度标准等级表

2.3.2 BIM模型的分类体系

按照模型中所集成的信息的特征，可以分为三维、四维、五维，乃至n维模型（n维模型分类如图8所示）：

三维（3D）模型：包含了工程项目所有的几何、物理、功能和性能信息。

四维（4D）模型：在三维（3D）模型的基础上，加上项目发展的时间，用来研究建筑可建性（可施工性）、施工计划安排以及优化任务和工作顺序。

五维（5D）模型：在四维（4D）模型的基础上，加上造价控制。

六维（6D）模型：在五维（5D）的基础上，加上性能分析应用，使得可以配合建筑方案的细化过程逐步深入，做出真正性能好的建筑。

图8  BIM模型分类

2.3.3 BIM模型的碰撞检查

当模型深度发展到一定程度，各专业分包可以把已经完成的混凝土、钢结构、机电、幕墙、建筑外包等模型根据统一的工程坐标系整合到一起，应用Navisworks或其他具有相关功能软件，对整合的模型进行构件个体之间的位置关系的碰撞检查和复核（见图9和图10）。

图9  碰撞检查的基本流程图

图10  模型碰撞示意图

2.3.4 设计阶段BIM运行流程

设计阶段BIM运行流程如图11所示。

图11  设计阶段BIM运行流程图

2.3.5 设计阶段BIM运行模式

2.3.5.1 设计阶段的工作内容

（1）LOD 200：建立带截面杆件定位模型用以协作

在LOD 200阶段，设计的主要工作内容包括以下4个方面：

还原方案设计图纸中构件定位及截面信息到模型；

清理方案设计多专业碰撞及设计/施工可行性问题；

为节点设计提供杆件定位依据；

④统一各专业各软件交互坐标系及插入关系。

LOD 200阶段是将所有设计顾问的原设计还原到模型中，与顾问的原设计模型进行核对，并反馈主要的设计问题（如主杆件的碰撞、幕墙系统接缝等），是后续全部节点设计/深化设计/加工设计的基础（如图12所示）。

图12 LOD 200工作内容图

（2）LOD 300和LOD 400：建立带节点构件模型用以协作

在LOD 300和LOD 400阶段，设计的主要工作内容包括以下6个方面：

节点设计成果可行性分析；

多专业带节点模型碰撞检查；

多专业带节点模型加工、施工可行性检查；

④深化图制图；

⑤多专业深化图校对；

⑥加工模型发布。

LOD 300和LOD 400阶段直接面向加工和施工，原则上各专业都参与进模型的协调，包括模型协调和图纸协调两部分，工作内容如图13所示。

图13  LOD 300和LOD 400工作内容图

2.3.5.2 运行模式[3]

（1）类型一：CMMC模式

 CMMC模式如图14所示。

图14  CMMC模式图

（2）类型二：MDD模式

 MDD模式如图15所示。

图15  MDD模式图

（3）类型三：MMC模式

MMC模式如图16所示。

图16  MMC模式图

（4）类型四：MMD模式

MMD模式如图17所示。

图17  MDD模式图

2.3.5.3 注意事项

Navisworks环境下的四维、五维运行需将工期计划事件名称（Activity）和BIM模型通过构件编号的数字映射集在BIM软件环境中进行匹配（如图18所示）。应在建模启动前制定构件命名原则并对模型组、计划组交底，确保后期四维、五维运行接口的匹配性。

图18  Navisworks与Primavera6及Tekla的联系图

（1）结构修正坐标与模型/图纸坐标的关系

根据结构设计需要，超高层塔楼通常需要在施工阶段设置结构修正坐标，修正值从属于楼层，具体包括三个方面的内容：

①压缩变形预调值

②水平位移预调值

③扭转位移预调值

处理原则：

①除非数值异动较大，原则上不在模型中体现，便于BIM运行和模型协作；

②深化图坐标按照原设计坐标制图和报审；

③修正坐标与原设计坐标叠加后，在施工图中或直接在施工测量报告中报送；

④设有水平/扭转预调值，然而竖向构件分段在楼层中或单节跨多层时，因修正值在层间差距小，建议按照线型选取；

⑤应就预调方案进行作业交底。

（2）加工模型发布与可追溯管理

海外项目的制作分包商通常为跨国甚至跨洲交货，加工模型发布的标准性和可追溯性非常重要，是后期索赔和反索赔的重要依据。

在此背景下，建立加工设计标准化交互机制显得尤为重要。加工设计标准交互文件共计5类，详见表2：

表2 加工设计标准化交互文件类型表

2.4 BIM模型报审及协调

（1）BIM模型报审协调的前期准备工作

BIM模型的报审协调前期准备工作主要包括以下三个方面：

①各专业分包按照区域和自身专业，按照规定的原则对模型文件进行命名，例如中建钢构钢结构的命名为NBKHQ_CS_BP03_STST_LXX-LXX；

②各专业分包的BIM模型须设置好已约定的坐标原点；

③所有BIM模型按1:1的比例尺寸建立。

（2）BIM模型报审协调中容易碰到的问题

各个分包不同的时期所做的模型精度不同，比如钢结构已经做LOD 300了，但是建筑外包GRC还停留在LOD 200阶段，可能此时期不存在碰撞问题，但当GRC做到LOD 400之后，也许就会产生碰撞问题。也就是说，碰撞检查需要伴随整个建模时期，直至所有分包都达到模型精度为LOD 400为止。

（3）BIM模型报审协调的流程

    BIM模型报审协调的流程如图19所示。

图19  BIM模型报审协调基本流程图

2.5 施工模拟

四维施工模拟以自然视觉化的内容描述方式，更能被不同专业领域人员所接受。具体来说，三维模型比静态二维图形更易于理解，而四维施工模拟以动画的方式描述施工过程，同样比传统进度甘特图更易于理解，在沟通的过程中省去了解释的时间，以往可能要花一天才能做出的决策，现在只要一个小时，充分展现沟通的效率。施工进度模拟流程如图20所示。

图20  施工进度模拟流程示意

四维模型实现的核心是将施工工期计划与每一个构件对应上，这就要求导入Navisworks的.ifc文件中包含每一个构件的详细属性，且有规可循，以方便在编辑过程中批量选取，以提高工作效率并减少错误几率。以此思路为核心，我们对Tekla中的每一个构件添加了有规律的构件号和状态号。四维基本流程图如图21所示。

图21  四维基本流程图

该项目为混凝土核心筒+外框钢柱结构，故对于钢结构分包来说，工期计划中埋件的时间要跟随核心筒混凝土的灌浆时间而定，而梁柱是基本上一致的。例如埋件，其构件编号按层来编排，那么19层的某个埋件构件编号则为L19-EM-34，而.ifc文件可以完美继承Tekla中的构件属性。梁柱也是以类似的构件编号方法来编排，这样就可以根据构件名称在Navisworks中按照楼层批量地快速筛选出对应的构件，如图22所示。

图22  Tekal及Navisworks筛选实例图

2.6 Tekla在科威特某项目中的应用

该项目与国内项目基本一致，在不同阶段Tekla软件起到了不同的作用，但是国外工程在Revit BIM环境下，还需要将Tekla三维模型以某种格式导出进行BIM模型协调，流程如图23所示。

图23  模型文件协调流程

（备注：.ifc文件格式既包含三维建筑物或设施，也包括空间的元素、材料和形状等信息，通常用于BIM程序之间信息的互交。）

3  BIM在项目实际应用常遇到的问题及应对措施

3.1 软件格式的兼容问题

Tekla输出的文件与Revit之间兼容的格式有.dwg、.ifc等格式，但经实践，.ifc文件无法很好地被Revit所兼容,但.dwg可以完美兼容。针对此问题，中建钢构曾多次向Tekla公司和Autodesk咨询，都没有得到很好的回复，为此公司与总包协商，使用目前.ifc和.dwg文件相结合的形式来获得与Revit文件相同的结果。

 

3.2 坐标系差异问题

项目坐标原点的确认在初始模型时间之后，Tekla默认的坐标原点与其有冲突。经多次测试，导出文件前在Tekla模型设置参考坐标，可作用于.ifc文件，但.dwg文件无法使用该方法，只能采取手动修改的方式。

 

3.3 电脑性能要求高

对电脑硬件要求高，导出.ifc和.dwg两种文件的耗时长。BIM模型升版更新频率高，工作量增加。对此只能加大电脑硬件的投入，推荐使用专机导出模型，以减少工程师正常工作的干扰。

 

3.4 Tekla自身的建模放样功能差

Tekla自身的建模放样功能差，尤其是空间扭曲构件的建模。可在CAD中建模后再导入Tekla，对于复杂空间扭曲构件，应寻求其他软件进行建模出图。

 

3.5 四维模型及后续工作的特殊要求

四维模型及其后续发展，只能利用已完成的.ifc文件上进行编辑，但Navisworks无法更改构件的原有信息。为此，可在Tekla建模阶段，编制统一的构件编号原则，按构件批次、层数等设置合理的参数。

4  结论与展望

目前，BIM项目管理模式凭借可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性的特点，不断提高着项目的管理效率、透明度和数据化程度，对传统项目管理、成本控制和进度管理模式形成了冲击。面对新情况，凡致力于国际化和可持续发展的建筑企业都应主动求变，积极探索设计管理、生产管理、造价管理新模式。

从实际应用情况看，科威特国民银行项目的BIM管理模式切实提升了多专业设计的国际化协作效率和参与度，对国内建筑企业参与BIM项目有借鉴意义。但同时，也出现专业间进度不一致，受困于模型协作统一性要求，前导专业进度受羁绊的不利情况。应该在今后的项目实践中，做出更全面更合理的调整。