基于BIM的安装施工空间方案模拟
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摘要：一直以来，设备安装阶段的空间冲突都是影响工程建设效率的一个重要问题。本文通过探讨该问题成因，在分析安装施工过程基础上，对设备安装所需的空间进行了分类。结合建筑信息模型（BIM）工具的优势，提出了基于bim的安装施工空间方案模拟的新方法。通过案例研究表明，该方法可有效帮助安装方案设计人员发现空间冲突，改善安装方案，为设备安装高效、经济、安全的进行提供保障。
关键词：安装工程；空间冲突；建筑信息化模型
中图分类号：S776.06 文献标识码：A文章编号：
背景
空间冲突是影响施工效率的一个难题。在安装阶段，由于设备数量多，所属专业繁杂，这一问题尤为突出。空间冲突增加了大量的现场协调工作，给工程项目带来了很多负面影响，主要有以下几个方面：
施工安全影响。如机械伤害、高空坠落、触电等。安全事故由于往往伴随着人身伤害，对项目的影响也最突出。尽管目前各级政府和建设单位重视施工安全，但仍事故频发，其中一个重要原因就是忽视了空间冲突的存在。很少有项目对安装施工进行空间方案模拟，埋下了安全隐患。
设备使用效果影响。空间冲突导致设备不能按照预定的设计意图安装到位，可能导致设备无法正常运转，如消防设施由于空间冲突无法安装到就难以通过消防验收。
施工效率影响。安装某一设备时，需要的不仅是设备的实体空间，还需要一定的人员工作空间，如果工作空间太小，会影响安装的效率。这种带来效率损失的空间干扰，也是一种空间冲突[1]。
经济效益影响。一方面，设备安装中空间冲突引发事故会造成直接经济损失，另一方面，由于空间冲突导致设备安装困难，影响施工效率，也会带来一些隐性的经济损失。例如，设备吊装时与别的施工活动空间存在冲突，需要避开等都会增加工程造价。一般来说，在一定范围内增加施工空间，对提高安装速度、节约成本是有利的，如图1所示。
受传统工具的限制，设计人员处理设备安装中的空间关系时，往往只能基于经验想象和描绘平立面关系。设计人员无法充分估计和预留现场安装空间，到了现场安装阶段，空间冲突层出不穷。而空间方案模拟能以低成本提前发现此类问题，因而备受青睐，在水电行业中已广泛采用[2]。
图1 空间增加与节约时间、成本的关系
建筑信息模型即BIM技术作为近年来在我国兴起的新技术，为设计、建设单位、承包商等各环节人员提供了模拟和分析的综合信息平台，帮助他们利用数字模型对项目进行设计、施工及运营管理，提高了整个工程项目在各阶段的经济效益[3]。结合BIM技术开展施工过程的模拟仿真也为我们解决设备安装中的空间冲突问题提供了新思路。
设计与施工实际的空间冲突
根据施工中对象的分类，可以把设备安装时所需的空间分类如下:
设备实体空间。这种空间与施工方案无关，是设备本身所占的固有空间，基本固定不变。
安装机械空间。安装设备所用的机械工作时需要的空间，受设备安装施工方案影响极大。
安装人员空间。设备安装人员施工时所需的空间，安装时需要提供给施工人员的工作面。
临时设施空间。提供给设备安装时必要辅助设施的空间，如脚手架等，这类空间具有临时性，且在存在期间位置一般具有不变性[4]。
安全空间。一些特定的安装对象，如施工辅助设备中的电源设备等，在工作中会产生一定的危险环境，为保证人员安全需要保持一定距离。根据方案模拟的结果，可以及时预防事故发生[5]。
交叉作业空间。大型工程的设备安装中为保证工期进行交叉作业，施工中可能存在互相避让的情况，也需要加以考虑。
根据目前情况来看，设计人员制定安装方案时多数只考虑了设备实体空间和部分安装机械空间，而现场实际所需空间则包括了实体空间、安装机械空间、安装人员空间、临时设施空间、安全空间和交叉作业空间等，远大于设计水平。导致现场安装时频繁出现空间冲突，如图2所示。
图2 设备安装空间冲突示意图
基于BIM技术的方案模拟
基于BIM模拟安装施工空间方案，就是将方案中的施工活动和对象虚拟化，综合到BIM平台进行分析和模拟，直观地展现给设计人员。
基于BIM技术模拟安装施工空间方案具有天然的优越性。首先，该方法有效解决了安装施工方案模拟中的可视化问题。传统方法下方案设计人员只能借助平面和立面图来表现设备的空间关系，在方案的修改过程中需要反复执行空间到平面的转化工作，耗费了大量的人力，也很容易出现遗漏。而基于BIM的设备安装模拟在空间实景环境下进行，易于观察，修改即时可见，免去了中间过程[6]。提高了方案修改工作效率，出错几率小。
其次，BIM技术有别于一般三维虚拟技术，与建设工程契合度高，真实性好。BIM技术自诞生起就为建筑信息化服务，它的重点不在于模拟建设工程项目的外观，更重要的是将建筑实体的信息纳入进来形成一个完整的建筑信息模型体系[7]。而充分掌握设备信息对方案模拟有很大的意义。
此外，BIM技术为设计人员提供了一个便捷的方案模拟工具，几乎所有BIM软件都提供了4D模拟工具。如在Autodesk公司的Navisworks系列软件中提供的Timeliner工具，帮助设计人员完成安装方案的可视化模拟。有学者如Martin Fischer等人在4D可视化平台上研究施工过程中工作空间的自动生成，动态监测分析空间冲突[8]。他们的工作表明，类似途径是可行的。
案例研究
位于某市的轨道运管中心及配套项目需安装某型空调主机两台，设备自重10吨，外形尺寸为2400*1800*1600（长*宽*高）。根据图纸设备安装位置在A2栋地下一层（1-H轴/1-K轴交1-7轴/1-9轴）。由于现场局限设备吊装不能一次到位，需要在地下一层平移运输。项目方提出结合BIM技术验证该方案的空间安排是否合理。
一般来说，基于BIM模拟安装施工空间方案包括以下内容：建立项目BIM模型；按照施工方案添加空间对象；检测静态空间冲突；结合进度安排，检测动态空间冲突。
本项目由于全面实施了BIM设计和信息支持，模型基础较好，减少了方案模拟前期的工作量。根据方案设计，在模型中空调主机下方布置了尺寸为3000*2500*500的简易推车。按施工需要，布置了脚手架和人员作业空间。导入施工进度安排，脚手架等临时性设施的安装和拆卸时间，空调主机在地下一层平移运输的路径等信息。
完成上述准备工作后，运行空间方案冲突检测和模拟，安装方案设计人员可快速找到空间冲突问题。如图3所示，空调主机按方案通过1-G轴交1-7轴时，与上部消防水管冲突。经讨论后，简易推车高降为380mm冲突消除。从问题发现到方案修改后二次验证均在模拟仿真环境下进行，整体效率高，可靠性好。
图3 方案空间冲突部位图4 修改后消除空间冲突
经多次方案模拟确认没有冲突后定稿。根据后续现场跟踪情况，该空调主机安装过程中未出现因空间冲突而引起的事故和工期延误。基于BIM模拟安装施工空间方案的效果获得了方案设计人员的肯定。
总结
安装施工中，空间冲突轻则影响施工效率，重则造成工程事故，带来损失。空间方案的合理设计直接关系到工期、造价和工程质量，需要引起参建人员重视。运用建筑信息模型（BIM）模拟安装方案，发现空间冲突，帮助设计人员改进方案是一种经济可靠的方法。
参考文献
[1]. 杨弢, 水利水电工程施工中的空间分析模型研究及应用, 2005, 天津大学.
[2]. 陈小桥等, 分布式水电工程施工过程虚拟现实仿真系统. 武汉大学学报(工学版), 2010(05): 第593-598页.
[3]. 李恒等, 建筑业发展的强大动力:虚拟施工技术. 中国建设信息, 2010(02): 第46-51页.
[4].王仁超,杨弢,吴艳.空间分析理论在水利水电工程安全问题研究中的应用.水利水电技术,2004,(05): 第52-55页.
[5]. 吕治国, 闫琪, 虚拟现实技术在建筑工程安全管理中的应用. 建筑安全, 2009(4): 第58-60页.
[6]. 孙国权. 基于虚拟施工技术的工程变更评价模型及控制, 2007, 哈尔滨工业大学.
[7]. 曾旭东, 赵昂. 基于BIM技术的建筑节能设计应用研究[J].重庆建筑大学学报,2006,(02): 第33-35页.
[8]. Burcu Aknici, Martin Fischer, 《4D work planer-a prototype system for automated generation of construction spaces and analysis of time-space conflict 》,Computing In Engineering, ASCE.