基于BIM技术的机电施工优化研究

发表时间:2019/3/28   来源:《电力设备》2018年第28期   作者:李明柱 孔维兵
[导读] 摘要:伴随着建筑信息模型理念在建筑行业内不断地被认知、认可,其作用也在建筑领域日益显现,BIM技术的运用将为施工企业的生产带来深远的影响。
        (吉林建筑大学  吉林省长春市  130022)
        摘要:伴随着建筑信息模型理念在建筑行业内不断地被认知、认可,其作用也在建筑领域日益显现,BIM技术的运用将为施工企业的生产带来深远的影响。本文结合BIM 技术在某建筑机电施工中的优化应用案例,并对BIM技术在机电系统模拟、机电管线碰撞检查、样板模拟等方面进行阐述,对应用效果进行总结分析,体现BIM技术在机电施工系统优化中的应用研究价值。
        关键词:施工优化;机电施工安装;BIM 技术
        建筑信息模型是一种应用于设计、建造、管理的数字化方法,这种方法支持建筑工程的集成管理环境,可以使建筑工程在整个进程中显著效率和大量减少风险[1]。BIM在施工建造中的应用领域非常广泛[2]。施工阶段BIM模型是将不同专业施工模型如建筑机电专业利用BIM协同管理平台和碰撞软件检测软件进行整合,然后利用整合后的模型进行碰撞检测,管井综合排布,进度模拟,施工方案模拟等沟通。目前国内BIM技术在工程机电安装施工阶段的应用主要集中在管线综合,深化设计与数字化加工,虚拟施工,进度监控,成本控制,质量管理以及后期物业运行维护等方面。
        1建筑机电系统组成以及施工管理存在的问题:
        建筑机电施工的目的是为满足建筑物预期的使用功能需求,提供给人们舒适,安全的生活和工作环境。它主要包括:建筑强电系统,建筑智能化系统,建筑给排水系统,建筑供暖系统,建筑空调通风系统等分部工程。
        建筑机电设备安装是建筑工程项目的重要组成部分。近年来,随着我国建筑工业的发展以及科学技术水平进步, 机电系统安装工程的技术含量越来越高,机电系统的复杂性、机电材料的更新迅速、工艺的多样性等给建筑机电安装管理带来了极大的挑战,目前建筑机电项目管理主要有以下问题:
        1)项目管理团队年轻,项目管理理念落后。 首先,很多施工的项目管理人员年轻化且相关的专业技术知识水平薄弱,不能抓住机电安装施工工艺的重点与难点,造成了整个建筑机电工程的进度质量成本管理不合理的现象。
        2)图纸问题多,碰撞多,容易造成返工。建筑机电工程由于是由多专业组成,管线多,工序复杂。依靠传统的施工图纸施工,面临的问题是审图工程量很大,图纸标高、碰撞很难完全检查出来,审图效率低。
        3)机电功能复杂,技术难度高。机电系统材料跟新快,技术难点多,工序复杂,管理人员面对新的技术往往显得力不从心,整改反复,给施工质量与成本带来巨大的隐患。
        4) 施工技术、质量和安全管理难度大。目前项目对机电质量要求高,对施工安全风险因素控制严格,尤其施工作业专业多,机械多,影响施工质量与风险因素多。
        5)工程资料保存难度大。工程项目的资料种类繁多、体量和保存难度过大,尤其是变更单、签证单、技术核定单、工程联系单等重要资料容易遗失。使得工程项目从开始到竣工后有大量的竣工无法追溯。
        对于建筑机电管理存在的问题,BIM作为一种新兴的技术方式,将其应用于机电工程中不仅带来巨大的经济效益,同时也提升了工程质量。通过BIM技术在机电施工中的优化管理,使得各项施工管理作业都需要依照时间轴上的标定时间进行,能有效的控制施工品质、准确的调整资源并将不必要产生的成本及将损失降至最低。BIM技术在机电工程优化研究逐渐的被认可,推广。
        2BIM技术的概述:
        BIM技术即建筑信息模型,简而言之,建筑信息模型就是建筑全寿命周期的管理方法,具有数据集成、建筑信息管理的作用。其适用范围较广,在建筑机电工程中,其主要在工程设计、施工等环节发生重要作用。BIM技术思想的产生在20世纪70年代[3], 2016年12月住建部正式公布国家BIM标准—《建筑信息模型应用统一标准》[4] 。
        3BIM技术在机电施工优化应用
        施工方是工程项目的最终实现者。BIM技术在机电施工过程中的优化也给施工方的项目管理带来很大的效益。施工项目管理的目标主要内容“三管三控一协调”,BIM技术在机电施工管理优化应用主要有以下几个方面:
        3.1 项目施工准备及现场布设
        施工现场布设的主要包括如下内容:选择与施工相匹配的运输机械,施工现场最佳运输道路确定,施工过程中的水、电和网络系统布置问题,施工材料临时堆放区等等。在实际施工过程中我们可以将 BIM与地理信息系统(GIS)实现深度的融和,施工人员可将 GIS 系统运用到BIM 参数化模型当中,利用 BIM技术对施工过程中遇到或者即将遇到的影响因素进行优化分析,从而达到一种科学化、准确化、高效化的施工现场。
        3.2 施工模拟
        应用BIM4D模型进行施工空间模拟,可以模拟实际施工中可能面临的问题,并从模拟中检讨进度计划是否需要调整。机电模型可以分为通风空调、给排水、电气专业等,借助BIM施工模拟优化施工管理。
        在施工前期阶段, BIM 模型的建立有以下两种方式:
        1)根据设计单位提供的施工图,利用 BIM技术建立三维模型,目前是应用BIM4D模型创建最普遍的方法。
        2)设计院在机电管线设计阶段就建立BIM 模型,现场施工时直接跟据设计阶段 BIM 模型指导施工。
        运用BIM的施工模拟特性,改善项目面临的诸多问题等情况,或发现造成项目拖延的原因,将可以减少进度落后的情形,使得整体工程项目品质、工期、成本等得到大幅改善及提高。
        3.3 管道碰撞检查
        系统直接把二维图纸变成三维模型并整合所有专业,通过软件内置的逻辑关系可以自动查找出来,即所谓的碰撞检查。管道碰撞检查主要应用于施工前,利用BIM模型的可视化特性对各个专业(建筑、结构、给排水、通风、消防、强电、弱电等)的设计进行空间协调,检查各机电管线之间的碰撞以及管道与结构的碰撞,优化机电管线的施工顺序,解决工作面的交叉问题。碰撞检查一般从经历“碰撞检查-确认修改-更新模型”的设计深化过程。直到所有的碰撞问题全部查找出来,最后一次的检查碰撞的冲突数为零。需要运用 BIM 软件来对管道碰撞情况进行检查,确保综合排布的合理性,能够减少工程返工现象的发生。
        3.4 BIM技术在施工进度管理:
        工程项目的进度管理,是指全面分析工程项目的目标、各项工作内容、工作程序、持续时间和逻辑关系,力求拟定具体可行、经济合理的计划,并在计划实施工程中,通过采取各种有效的组织管理指挥协调和控制等措施,确保进度的实现目标[5]。施工单位依据施工任务委托合同对施工进度的要求控制施工进度。BIM技术在施工进度的应用,更加有利于现场施工管理人员准确了解现场施工进场情况,给项目进度控制带来不同的体验:
        1、在施工中BIM技术可以将各阶段、各环节的数据信息进行整合,提供信息共享平台。通过建立BIM4D施工进度管理模型可以对施工作业进行实时监护与查询,提升了施工管理效率。
        2、通过建立BIM4D模型可以精确施工进度,对施工阶段各个环节的资源配置、场地布置、物料配额等进行有效管控。保证资源供给充沛、工作环境安全、物料领取有度,减少资源浪费、物料挥霍等情况,加强了管理者对施工的进度、资源、成本的控制。项目管理人员在4D可视化环境中查看各项施工作业,可以更容易识别出潜在的作业次序错误和冲突问题[6]。
        3、通过导入BIM技术,对于预制加工机电管道可以实现动态管理,实时监控,做到缩短加工时间,提供构件质量,加快施工进度等。
        4、加快竣工交付资料的准备。基于BIM的工程实施方法,施工阶段的所建立的BIM模型资料即时形成,可在项目竣工后直接交给第三方运维团队,在设备运行维护阶段还将为业主发挥巨大作用。
        3.5BIM技术在工程项目成本管理:
        成本管理,是企业根据一定时期预先建立的成本管理目标。基于BIM技术,建立成本的5D关系数据库,以各WBS单位工程量人机料单价为主要数据进入成本BIM中,从而对项目的成本进行动态控制:
        1、BIM技术使工程造价的管理实现了实时、动态、精确分析,提高了工程项目参与方对成本控制的能力。
        2、提高了工程量计算的准确度与计算效率。其工程量计算精度远大于手工,而且可以自动形成电子文档进行交换、共享、远程传递和永久存档;同时不同专业无需再重复建模,避免数据的重复录入,极大地加强了各专业的协同、融合,大幅提高了造价工作的效率,也有利于把造价管理资源投入到商务谈判、工程招标、合同管理等更有价值的造价控制领域中。
        3、提高了资源计划管理的水平:BIM三维模型与时间、成本维度组建成的5D建筑模型,通过动态实时监控,可以更加合理地安排资金、人员、材料和机械等。5D建筑模型能够实时获得任意时间段项目的工作量信息,然后把该时段的造价进行核算,可以更加准确地制定派工和资金计划,以实现精细化造价管理。
        4、改变了传统设计变更、索赔管理、多算对比的落后状况BIM技术直接将设计变更的内容与模型关联。BIM技术下也根本性地改变了传统造价只重视合同价、结算价的状况。BIM模型中的每个构件都被赋予参数化信息,通过任意组合各构件信息,为工程项目的多算对比提供了相应的技术支持。
        3.6  BIM技术在工程质量管理
        我国国家标准《质量管理体系基础和术语》GB/T 19000-2008/ISO9000:2005关于质量管理的定义是:在质量方面指挥和控制组织的协调的活动。施工质量主要包括:人的因素、机械的因素、材料的因素、方法的因素以及周围环境的因素等几个方面,简称为“人机料法环”五大因素[7]。
        建筑工程质量直接决定着建筑施工的成败,建筑施工管理首先做好质量管理工作[8]。工程实践表明,大部分传统管理方法在理论上的作用很难在工程实际中得到发挥,影响了工程项目质量管理的工作效率,最终造成项目的质量目标最终不能完全实现。
        应用BIM技术可以有效应对传统管理工作中出现的质量问题,并可以有效解决由于质量管理局限性所带来的问题。BIM技术在整个建筑工程机电系统质量管理应用主要解决两个方面问题:一方面,影响工程项目的质量因素多;另一方面,传统质量管理方法实际应用性能差。建筑机电工程项目管理应用BIM技术可以有效提高项目质量管理效率和水平,优化工程项目质量目标。BIM技术在工程项目中的质量管理包括了产品质量管理以及技术质量管理,使其更加充分、有效地工程项目质量服务。
        基于BIM技术的建筑工程项目质量管理步骤:①建立工艺流程的质量标准和技术规范。②依据确定的技术规范和标准建立BIM模型。③利用BIM模型输出各种建筑构件的数量规格,汇总建筑构件所需的建筑材料品种、规格和制作信息。④项目管理者根据上述模拟信息实时监控建筑产品质量和施工技术质量实际信息,及时发现偏差,采取应对措施,保障工程质量。
        3.7  BIM技术在工程信息维护管理
        基于施工阶段所建立的面向机电设备的BIM模型,创建机电设备全信息数据库,用于信息的综合存储与管理。BIM信息的管理,不但满足了信息存储对于空间的要求,同时也实现了信息检索的高效性[9]。在此基础上,开发基于BIM的建筑机电设备运维管理系统(BIM-MEP-FMS),其目的一方面是为了实现MEP安装过程和运营阶段的信息共享,以及安装完成后将实体建筑和虚拟的机电BIM模型一起集成交付;另一方面是为了加强运营期MEP的综合信息化管理,为保障所有设备系统的安全运行提供高效的手段和技术支持。
        4  BIM技术在某项目建筑机电施工中的优化
        某建设项目中机电工程为机电总承包管理模式。机电总包单位设立了专业的BIM团队,配合业主及施工总承包单位完成BIM管理和协调任务,包括空调、给排水、消防、电气、弱电等专业内容,协调、集成并不断更新各专业BIM数据,确保BIM模型与各方提供的施工图纸、现场实际情况文档一致,直至项目竣工BIM模型交付。通过BIM技术在机电施工管理中的优化管理,提高项目整体达的施工进度以及施工效益。
        4.1施工模拟
        应用BIM4D模型进行施工空间模拟,可以模拟实际施工中可能面临的问题,并从模拟中检讨进度计划是否需要调整。实际施工过程中也可以进行机房施工模拟为例:
        4.2碰撞检查
        依据设计院原设计图,本项目通过对CAD施工图纸进行初步建模,检测管线碰撞、管线缺漏、未连接、穿梁柱等设计问题。给项目的管理带来很大方面:
        问题描述(图4-3):此处区域为某两个走廊交替位置,在此区域内风管、桥架和水管很多而且管径特别大,在加上在此处的两大梁造成这个位置相当复杂。
 
        4-1空调机房原设计图
 
        4-2空调机房BIM展示效果
        解决方法(图4-4):先将各个管的水平距离排好,之后为了保证净高,所以先排好黄色的大风管(贴梁下50mm),然后在排与之垂直的蓝色、浅蓝色、紫色三根管,尽量往梁窝里翻,然后在依次按照桥架水管往下排,排的时候注意将有分支的管的上翻距离和水平需要上翻的距离留出来。具体如下图所示。
 
        图4-3  三维模拟碰撞
 
        图4-4三维模拟管线调整后三维视图
        4.3质量优化
        通过 BIM 技术,将各专业管线的位置、标高、连接方式及施工工艺先后进行三维模拟,借助 BIM 三维模型导出的剖面图和平面图能够给予工程施工以指导性的作用。按照现场可能发生的工作面和碰撞点进行方案的调整,最终实现方案的可施工性,例如:某施工现场机电安装BIM建模剖面图+模型效果图:
        4.4 结合现场进行优化分析
        BIM 技术要与施工相结合方可充分发挥出应有的作用。首先就需要提前对现场情况进行调研。了解施工现场的具体情况,通过BIM技术,将现场以逼真的图像呈现,然后可以将其打印分发,使其他工作人员更好地了解实际情况。对现场中的各种复杂情况进行分析后,再做到及时有效的结合。
 
        图4-5 机电管线样BIM模型效果图
 
        图4-6机电管线样BIM模型效果图
        4.5 对物资设备进行高效管理分析
        利用 BIM技术对物资设备进行优化管理,使得管理方式从粗放迈向精细化。由于建筑机电工程施工内容繁多,为了确保工程的质量与进度,需要按照不同的机电系统与施工作业面信息,通过BIM模型推算出物资设备的需求情况,模型所提供的数据准确性很高。在材料设备的采购与管理中,通过BIM技术,可以使得材料设备的供应更有保障。
        4.6 通过BIM 技术进行施工管理分析
        传统的施工管理在 BIM 技术的帮助之下可以得到进一步优化。由于施工的过程十分复杂,对机电安装工程进行管理的时候,就可以通过系统平台,明确工程的施工进度,还要及时对工程的进度跟踪和检查。在持续跟进的过程中,可以及时统计工作完成的情况,一旦施工进度比较落后,就需要进行调整,尽快跟进,使工程尽可能在工期之内完成。
        4.7 基于BIM的模块化机电系统虚拟加工与拼装
        机电模块加工与拼装的虚拟仿真可模拟机电模块组合中各管线、支吊架、管道连接件等各组成部分的安装过程,确保管线与支吊架组装的先后顺序,通过模拟来检视加工及拼装工序的合理性与可操作性。同时,工厂装配工人可以通过模拟视频了解、熟悉模块的装配过程以及掌握操作要点,从而加强装配流水线的操作熟练度。
        模块组的预制组装、加工工作流程如下:
        1)根据预制加工图纸,确认各类管道的制作尺寸。
        2)统计管道、连接件、支吊架零配件等数量,进行材料订货。
        3)收到材料后,确认并检查数量、规格、外观质量等内容。
        如下图所示为该项目空调机房空调水管道运用BIM进行预支加工:
        5结论与展望
        5.1论文的研究结论
        BIM技术在某项目机电施工过程中安装管理的应用,提高项目管理的效率:
        1)首先,BIM机电模型是对整个机电系统设计的一次“预演”,能够使隐藏的问题暴露出来,提升设计质量。
        2)其次,通过BIM技术进行机电管线综合排布。可以检索专业间碰撞问题,提高工作效率,使得施工管理者对工程管理更加高效。
        3)BIM技术模块化管理,加快了进度,也提高了管道预制的精度。同时在保证高品质管道制作的前提下,提高了现场作业安全性,提升了现场施工品质。
        4)BIM技术辅助机电总承包施工项目管理效果明显,在施工过程中,应用BIM技术,让管理人员更加充分掌握了项目建造的关键节点,也可预测施工周期的施工状况,提前发现问题,确保项目顺利完成。
 
        图 4-7空调机房空调水管道预制加工图
 
        图4-8空调机房空调水管道支架安装示意图
        5.2展望
        BIM技术在工程中的应用大多数还停留在施工前期碰撞纠偏,系统模型阶段。BIM技术的优化应用效益也主要体现在项目施工前期以及施工过程中,其实对于整个项目建设周期,建设工程的运行维护阶段也非常重要。相信随着BIM技术的发展,BIM的运行维护阶段也会建立更加完善的管理、推行的机制。施工单位,开发商,物业管理方能很快找到BIM信息的运行维护阶段应用的切入点,循序渐进地将BIM技术精益化管理模式应用于工程。
        参考文献:
        1  赵红红,李建成.信息化建筑设计[M] .北京:建筑工业出版社,2005.
        2  Azhar S. Building information modeling(BIM):trends,benefits,risks,and challenges for the AEC industry[J] .Leadership Manage.Eng.,2011,11(3):241-252
        3  General Services Administration.3D-4D BIM Program [EB/OL].2013-06-12
        4  叶凌.国家标准《建筑信息模型应用统一标准》正式发布[J].工程建设标准化,2017(01):54
        5  李建平,王书平,宋娟. 现代项目进度管理[M].北京:机械工业出版社,2008.6
        6  张建平,曹铭,张洋. 基于IFC标准和工程信息模型的建筑施工4D管理系统[J].工程力学,2005,22(S1):221-227.
        7  姜会霞.浅谈PDCA循环在建筑项目施工质量控制中的应用[J].中小企业管理与科技(下旬刊)2015(8):12-16
        8  郭红领,潘在怡.BIM辅助施工管理的模式及流程[J].清华大学学报(自然科学版),2017,57(10):1076-1082.
        9  郝亚琳,徐广.基于BIM的大型工程项目信息管理信息研究[J],科技信息,2012(35):551-552
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