设计施工阶段BIM技术虚拟施工应用研究
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【摘 要】传统设计施工计划按图施工，按横道图进行计划安排，无法预见实际施工过程中的问题，导致资源、资金的浪费。BIM技术在设计施工阶段的应用能大大改善了传统施工技术。本文以成都JRC项目为例，介绍基于bim技术的地下层内支撑施工模拟，总结归纳出其优点，并对其应用前景进行展望。
前言
建筑业作为第二产业，在我国产业结构中具有重要地位。在城镇化进程中，第二产业所占比例必然增大，而传统施工是严格按照“照图施工”的原则进行。通过横道图、直方图进行工期的调整、资源的优化，不能直观清晰地表达施工进度与各目标的相关性，更不能动态地进行资源分配和施工场地布置[1]。同时，在现阶段的建筑施工中，通常在施工甚至后续阶段才发现设计阶段的错误，造成资源的浪费。因此，优化施工方案和加强建筑活动各参与方的协同和交流变得至关重要。而BIM技术的出现，能很好地解决这个问题。
1.BIM技术介绍
1.1 BIM概念
BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型是当前建筑业信息化过程的驱动者。其思想起源于20世纪70年代.在BIM handbook中，将其技术作为建筑领域最先进的技术之一[2]。BIM是以三维数字技术为基础，对建筑物理和功能特征的数字式表达，并集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型[3]。
图1：BIM集成化过程
1.2 BIM在设计施工阶段的应用
BIM技术在全寿命周期中，主要应用分为四个阶段：设计阶段——投资/采购阶段——建造阶段——运营阶段。根据工作流程，设计施工阶段可以划分：第一，以建筑师为主，结构、给排水、电气、暖通工程师与之协调配合，进行建筑的空间造型和外观设计；第二，各专业协同合作，进行方案细化，完成明确的技术方案；第三，在第二阶段的基础上进行详细设计，完善设计施工方案；第四，在前三个阶段基础上进行虚拟施工，进一步深入优化施工方案，并用于实际施工过程。
图2 设计施工阶段工作流程
首先，BIM技术的发展为设计工作带来了巨大的变化：一、传统的CAD二维设计将完全转化成以信息为载体的三维设计平台。在CAD等二维设计中，平、立、剖三面是需要单独绘制，图纸出现错误和三种图纸对应不上是不可避免的。在BIM软件中绘制时，会自动生成剖面图纸，避免了此问题；二、在BIM设计中，强调协同设计，将项目全寿命周期考虑其中。传统设计单一地考虑建筑的外形结构布局，凭借着工程师的大脑空间思维进行图纸的绘制。而BIM的出现，使得各方建筑师协同合作。在设计阶段，除了传统工作，还能进行设计方案论证、设计建模、能量分析、结构分析、设备分析、日照分析、LEED评价等。其包含的信息为工程项目后期的运营管理工作提供了基础，从而使信息得到顺利传递，减少了交互过程中信息的丢失。
其次，BIM技术较传统施工在施工阶段可以用于以下几点[4]，[5]：
（1）建筑可视化展示；设计师根据2D施工图纸，利用BIM软件构建3D建筑模型，业主和施工方均可直观地审查设计方案，检查可操作性，发现设计中存在的问题并及时解决。
（2）碰撞检测和虚拟施工；将创建的BIM模型通过IFC或者.rvt文件导入专业的碰撞检测虚拟施工软件中进行分析，并对整个项目施工过程进行分析模拟。4D（加上时间维度）甚至5D（时间加成本维度）的虚拟施工，能有效地协调各方工作，减少建筑安全问题，同时减少工程的返工，节约资源。
（3）三维动画展示；运用3D Max等软件对已建好的BIM模型进行色彩渲染，可提高模型渲染的精度，给业主更为直观的宣传介绍。
2.案例介绍
2.1 项目背景
JRC项目工程位于成都市高新区，由两栋塔楼和大底盘地下室组成无裙房；总建筑面积为167895.00m2，其中地下建筑面积为26791m2 ，地上建筑面积为141104m2。本工程地下共3层，负三层层高4m，负二层层高4m，负一层层高5.5m。地下室负三层结构底标高为-15.050m，负二层结构底标高-11.050m，负一层结构底标高-7.050m。基坑支护采用排桩+预应力锚索、放坡+排桩+预应力锚索、排桩+混凝土内支撑等支护形式。根据基坑支护设计与地下室施工图，本工程基坑支护需拆除基坑支护结构的第二道-9m水平支撑、第一道-4m水平支撑。
2.2 基坑内支撑拆除过程模拟
2.2.1 内支撑拆除模拟操作过程
根据业主提供的图纸，建筑、结构专业人员用Revit系列软件建立BIM三维模型，根据场地实际情况，提出了先两边后中间的拆除顺序；同时通过软件的模拟，确定了-9.000m和-4.000m水平支撑梁的拆除过程：
1）-9.000m水平支撑梁拆除模拟
在施工模拟中，运用BIM软件并结合现场实际施工情况方便吊运，对于-9.000m每一根水平支撑分三段拆除。第一段拆除：内支撑下垫木板和多层麻袋葫芦丝吊住第二、三段梁空压机打凿支撑表面混凝土吊车吊住被拆梁段切割凿出的上表面主筋进行支撑混凝土破碎切割底皮钢筋第一段梁吊出基坑。第二、三段拆除：内支撑下垫木板和多层麻袋塔吊吊住被拆梁段空压机打凿支撑表面混凝土切割凿出的上表面主筋进行支撑混凝土破碎切割底皮钢筋梁段吊出基坑。
2）-4.000m水平支撑梁拆除模拟
由于负一层底标高-7.050m第一道水平支撑顶标高-4.000m，存在2.2m左右的架空层。故架空层需采用搭设脚手架操作平台的方式拆除内支撑。
搭设脚手架平台：在准备凿除的支撑下采用φ48×3.5钢管搭设操作平台，搭设高度根据架空层的实际高度（底板到支撑混凝土梁底）。钢管脚手架立杆纵、横间距0.9m在离地200mm设置一道扫地杆，水平杆步距不大于1100mm，上排水平管设置钢管搁栅，搁栅间距300mm且上铺设旧木板和麻袋，支撑梁底加临时顶撑，顶撑钢管应顶住混凝土支撑梁底。
拆除顺序：搭设支撑拆除操作平台空压机打凿支撑表面混凝土吊车吊住被拆梁段切割凿出的上表面主筋进行支撑混凝土破碎切割底皮钢筋梁段吊出基坑。
2.2.2 -9.000m支撑拆除模拟展示图
根据上文的拆除顺序，又由于第一段内支撑的影响，第二段内支撑必须要分段吊出，-9.000m拆除模拟过程如图3所示。
图3：内支撑拆除模拟过程
3.结论
本文例举了BIM技术在JRC项目基坑内支撑拆除的应用，验证了虚拟施工能为工程缩短工期、节省资源、优化资源配置、合理利用场地等，能为业主和施工方带来经济效益。从本工程中，运用BIM软件模拟施工，还解决了以下问题：前后工作的搭接问题；部分梁拆除后梁的自重对腰梁和钢立柱产生的弯矩影响；现场汽车吊、废混凝土临时堆放场地等流线安排问题等。
目前BIM技术在设计施工领域应用最为广泛，但仍然不够成熟，多局限于管线检测和虚拟施工领域。因此，BIM技术的不断发展，需要建筑业各方积极的努力和支持。需要不断完善BIM规范标准和法律制度，使BIM技术能够实现真正意义上的全方位过程管理。
参考文献：
[1]张建平.基于BIM和4D技术的建筑施工优化及动态管理[J].中国建筑信息.2010. 01：18-23
[2]Chuck Eastman. BIM Handbook.2007
[3]柳娟花.基于BIM的虚拟施工技术应用研究[J].电脑知识与技术.2011.10
[4]张建平，李丁，林佳瑞，颜钢文.BIM在工程施工中的应用[J].施工技术.2012.08（41）
[5]张培亮.BIM对施工企业的应用价值[J].建筑时报.2012.01（003）