BIM技术在临设设计与施工中的应用实践

科学技术部主管、中国建筑信息模型科技创新联盟承办的《中国高新科技.BIM专刊》在第四届科创杯BIM大赛颁奖现场首发500册，住建部前总工程师姚兵作贺词、16位院士为学术顾问、16位联盟专家为编委。发行后面向国内外公开发行，系中国知网、万方数据库、维普资讯网等国内主要数据库的全文收录期刊。

1　概念

临时设施是指施工企业为保证施工和管理的顺利进行而建设的各种简易设施，包括现场临时作业棚、机具棚、材料仓库、办公室、休息亭、厕所等设施；临时给排水、供电、供热等管线；现场临时搭建的职工宿舍、食堂、浴室、医务室、理发室等临时福利设施。

BIM即建筑信息模型，是将三维建筑模型链接建设项目的各类信息数据，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。

2　临设规划

本工程位于深圳市坪山新区茜坑社区内，总建筑面积248866.25㎡，其中：地上总建筑面积187000.25㎡，地下建筑面积61866㎡，占地面积36088.42㎡。因此，根据本工程建筑面积及总体概况，施工高峰区预计投入管理人员约为60人、工人约为900人，以满足食宿需求为标准布置临设。现规划在地块二西边约50m的空地，设办公区及管理人员生活区、工人生活区。

图1　临设用地规划图

管理人员生活区及办公区布置在临时用地东侧，占地面积5500㎡，共布置2栋L型办公楼、4栋员工宿舍、2栋食堂、1栋浴室间及卫生间。工人生活区占地面积约8627㎡，拟建10栋活动板房、1栋砖砌厨房及1个钢结构餐棚，总建筑面积约3870㎡，用于劳务分包工人生活区域。现场临设用地紧张、施工条件差，因此临设规划管理变得十分重要。

图2　临设规划三维效果图

3　BIM在临设设计中的应用

将BIM技术结合临设设计理念，对临设功能布局进行整体规划，并采用正向设计思维，对工人生活区大门和各楼栋间门头根据Revit模型进行算量下料、出图指导现场施工，且对临设进行绿色建筑分析，优化楼间距、窗墙比以求确保适宜的光照及热度，从而为工友们营造出良好舒适的生活环境。

3.1　临设设计理念

临设搭建作为企业文化的载体，是企业形象的展现。因此，本项目遵循“经济、美观、舒适”的搭建理念对临设进行了人性化设计，在满足项目参建人员生活和工作的舒适性，达到临设外形美观、功能齐全的前提下，尽量减少成本投入，将控制工程造价的观念渗透到设计之中，实现临设设计的经济性要求。

工友村大力探索工友生活区物业管理新模式，内设职工超市、职工书屋、休闲活动室、理发医疗室等功能配套。管理办公区则将业主、总包单位使用植被等软隔离进行分离，内设休息走廊、休息亭、篮球场、假山等小景，因此借助BIM技术进行临设规划布局，将工友村建成工人们的温馨家园，提高管理人员的办公和生活环境。

3.2　临设规划布局

根据临设初设平面CAD，利用BIM建立活动板房、绿化区域及道路、洗衣间、晾衣棚等公共区域的三维模型，对临设平面功能区域、平面尺寸、立面高度等参数进行整体布局规划，渲染出效果图供领导进行决策，领导对此提出修改意见给BIM团队进行初设优化，最终确定方案后，利用三维模型及漫游视频进行施工交底，并导出施工图辅助现场施工。BIM的使用有效减少了设计变更及现场签证现象的发生，大大加快了施工进度，提高了施工质量，有效加快了竣工结算的效率。

图3　工人生活区平面规划图

图4　管理办公区平面规划图

3.3　绿色建筑分析

利用Autodesk Ecotect Analysis软件对临设进行绿色建筑的分析，主要有风环境、光环境、热环境、日照等环境影响分析。根据模拟分析结果，对设计参数进行快速调整并进行重新分析计算来优化设计方案，有助于临设设计方案及临设整体居住品质的提升。

3.3.1　风环境分析

室外风环境影响室内风环境，特别是对建筑防风和自然通风有着决定性影响。对临设工人宿舍、管理人员宿舍及管理办公楼室内户型建立模型进行室内自然通风效果的分析，根据模拟分析的结果，对建筑空间、平面布局和构造设计进行优化设计，充分利用自然通风，改善区域的微气候，有效降低冬季采暖能耗和夏季空调能耗，增强居住和办公的舒适度。

（1）边界条件设置。考虑到分析较不利情况下的室内自然通风状况，以夏季、过渡季主导风向SE平均风速为2.7m/s来设定边界条件，控制建筑两边压力差在0.5 Pa范围内。边界压力条件如图5、图6所示。

图5　建筑夏季迎风侧表面风压

     图6　建筑夏季背风侧表面风压

（2）室内自然通风模拟。从图8可以看出，室内风大部分由北侧外窗进入室内，卫生间均位于下风向，不存在气味串流问题。

图7　管理办公区户型模型图

图8　距楼面1.2m高度流场分布

图9　距楼面1.2m高度风速云图

图10　距楼面1.2m高度空气龄云图

从图9可以看出，风口附近风速较大，风速在0.75～2.0m/s之间，其他范围的风速均较小，基本在0.5m/s以下。管理办公户型室内整体风速小于1.00m/s，室内风速均小于1.4m/s，符合非空调情况下的舒适风速限值要求。从图10可以看出，管理人员办公室的空气龄均较小，约在12～24s之间，入户门厅内的空气龄基本在36～72s之间，整体室内的空气龄在120s以下。

通过对临时用房项目各户型在夏季、过渡季主导风向均速条件下的室内自然通风状况进行模拟分析，得出以下结论：

（1）通风口布置。各户型建筑立面通风口位置分布均匀，且室内各功能空间均设有外门窗开启扇，能够有效的促进室内自然通风。

（2）室内风速。各户型在夏季、过渡季主导风向平均风速边界条件下，室内风速小于1.4m/s，符合非空调情况下的舒适风速限值要求。

（3）室内空气龄：所有户型房间内平均空气龄均小于1600s，大部分户型房间内空气龄为60～120s之间，各户型室内通风效果良好，能够保证室内空气质量。

（4）室外风环境分析。建立临设物理模型，从流场、风速、风压3个方面对周边风环境进行分析评价，使场地内风环境有利于室外行走、活动舒适和临设的自然通风。

图11　夏季距地1.5m处风速矢量图

图12　夏季距地1.5m处风速云图

如图11、图12所示，临设周围环境内流场分布都比较均匀，整个场地人活动区内不出现无风区或明显涡旋；周围环境内部活动场地风速在0.5～1.50m/s之间，有利于小区内行人活动，营造良好的室外风环境，满足舒适度的要求。

图13　建筑迎风面-0.5Pa～0.5Pa风压

图14　建筑背风面-0.5Pa～0.5Pa风压

由图5、图6可知，建筑迎风面风压约为-4～5Pa，背风面风压约为-5.5～-1Pa。由图13、图14可知，绿色区域表面压力在-0.5Pa～0.5Pa范围的面积很小，故建筑整体超过50%的可开启外窗室内外表面的风压差大于0.5Pa，有利于临设的自然通风，室外风环境满足舒适度的要求。

3.3.2　室内自然采光分析

本项目建立室内自然采光BIM模型，同时根据模拟对象的实际情况设置物体属性、建筑方位角、工作面层高度、当前地点和时间，对建筑室内环境进行自然采光计算分析，通过分析室内采光效果对建筑的布局状况以及围护结构的可见光透射比等进行调整，从而达到改善室内采光效果的目的。

图15　工人宿舍一层采光平面图

通过对临设各户型室内一层和二层的自然采光状况进行模拟分析得出：生活区各房间内的平均采光系数大于2.2%，办公室采光系数大于3.3%，满足了居住采光要求。

3.3.3　日照模拟分析

本项目利用BIM模型进行日照模拟分析，日照计算时间为冬至日9:00～15:00，得出在有限的场地内规划整个场地的绿化配置及人为活动区域，优化楼间距、朝向及景观布局。同时，对屋顶坡度进行调整优化，以此来扩大日光的入射深度，有效地减少了人工照明的能源消耗，在满足居住环境空间质量以及居民生活舒适性的同时，保证了绿色建筑设计的节能要求。

图16　日照模拟分析

3.3.4　可视度分析

室内视野分析是指室内各点对于室外环境的可见程度。本项目利用BIM模型进行建筑视野分析，在考虑分析区内建筑物之间遮挡的情况下，保证主要功能房间能通过外窗看到室外自然景观，且无明显视线干扰。在建筑中充分利用天然光，对于创造良好光环境、节约能源、保护环境和构建绿色建筑具有重要意义。

图17　管理办公楼视野分析图

1F主要功能房间（如卧室、起居室）进行视野分析，可看到室外景观的面积比例达100%，均满足标准限值要求。

3.4　BIM正向设计

本项目针对工友村大门采用BIM正向设计思维，即利用BIM建立三维模型进行多方案设计优选，在确定具体实施方案后，进行材料算量辅助材料定制及采购，并生成平面图、立面图、剖面图等施工图，从而指导现场施工。

图18　工友村大门方案优选

BIM先后对工友村大门设计了三个方案。因方案一为临设建成后能够舒适温馨，带给工人家的归属感，工友村大门方案采用方案一。轻快明亮的颜色、中规中矩的形状搭配以及丰富的装饰造型成为了门楼方案的有效决策指标。

图19　BIM生成施工图

图20　指导现场施工完成形象效果

利用BIM模型导出施工图及材料算量，对现场工人进行施工细节交底，避免返工现象的发生，更有效地指导现场施工，加快了完工进度，保证了临设完工后的形象效果。

4　BIM在临设施工中的应用

4.1　材料算量

Revit的“明细表”功能对工友村大门模型的砌体量、抹灰量、瓷砖量、涂料量以及工友村门楼模型的装饰灯笼尺寸、轻钢结构的规格及数量、预埋件的尺寸及数量、膨胀螺栓的规格及数量进行商务算量统计，计提给物资部进行材料采购，防止造成材料浪费，并根据材料单价、人工费计算最终成本，衡量分包报价，确保分包造价可控。

4.2　指导施工

根据Revit模型对临设的施工工序进行模拟，模拟结果以节点效果图、视频的方式对工人进行施工交底。其可视化的形象展示较CAD图纸愈加促进了工人的对临设施工工序的理解，避免了后序工作先施工、先序工作后施工所导致成品过度保护、成品破坏返工及施工失误返工等情形的发生，有效降低了成本损耗，节省了临设建设工期。

4.3　进度形象

参与方利用无人机对现场施工状况进行航拍记录，从整体上把控施工工况，分析未按进度计划时间节点完成的原因，从而制定相应解决措施，如调整施工工序为各作业提供施工工作面，提高了临设的施工效率。同时，形象进度记录便于在过程中及时地对施工效果进行监督、验收，保证最终的施工效果与方案设计完全一致，提高了临设的施工质量。

4.4　质量安全巡检

利用本企业自主开发的“智慧项目管理”APP对临设施工过程中存在的质量、安全问题进行全方位的深入排查与监督，及时对质量、安全隐患处进行拍照上传并做好问题记录，实时反馈给现场施工管理人员对问题处进行限期整改落实，整改后对同一位置处进行拍照上传，实现质量、安全隐患及事故的闭合管理。同时，将APP上的质量及安全问题记录进行汇总，并在总分包协调会议上进行质量安全教育，并对责任分包进行通报批评，提升了总承包管理的效率和质量。

5　效益分析

5.1　经济效益分析

利用BIM正向设计对工友村大门进行方案优化，对材料使用进行优选，节省了材料费用；同时，利用BIM模型对工人生活区、管理办公区进行整体布局规划，并对工人进行施工交底，三维化指导现场施工，极大地提高了出图和施工效率，加快了临设施工进度，保障了施工后的临设效果与前期规划效果的一致性。

5.2　工人幸福指数分析

幸福指数指的是人们主观感受到的幸福和满意程度，其影响因素有健康、教育、文化、生活水平、医疗保健、创新环境等。采用这种园林景观式设计，大大改善了项目管理人员的工作环境，提高了管理人员的工作效率，从而提高工人的幸福指数。并且临设选用可循环利用的材料和生物材料，大大减少了对环境的污染，提高了材料的利用率，满足了节材和环境保护的要求。

5.3　社会效益分析

通过在临设建设中增加景观设计，打造园林式的临设，处处体现绿色施工，在展现出中建企业品牌实力的同时，给人以耳目一新的感觉，保护了自然资源和生态环境，让公众对企业的形象更加深刻，并且提高了企业科学管理水平，极大地提升了企业在当地的影响力。

6　结论

在临设设计与施工中，从设计规划、舒适度分析、算量下料、出图指导施工等方面进行全方面的BIM技术应用，促进了总包管理效率和管理质量的提升，且本案例对BIM在各阶段中的实践应用具有指导意义，从而实现化设计、节省成本、加快进度、提高质量的目的。