智慧园区基础设施工程全生命期BIM技术应用

摘要：智慧城市是未来城市建设的全新模式，BIM技术是革新传统建设手段，实施智慧城市建设的重要技术支撑。本文依托京津中关村科技城智慧园区市政基础设施工程，分析了智慧园区大型基础设施工程建设的特点，以及项目引入BIM技术的重要性。然后阐述了BIM技术在项目设计、施工、运维三个阶段的应用过程和价值贡献。最后基于本次BIM技术应用存在的不足之处，并提出了改进建议，为今后类似工程项目BIM应用提供参考。

关键词：BIM；智慧园区；基础设施；EPC工程；全生命期

引 言

2014年《国家新型城镇化规划》将智慧城市作为未来城市发展的全新模式，要求大力推进智慧城市建设。城市的智慧程度取决于城市建筑和基础设施的信息化建设水平。显然，传统建设手段很难满足当前智慧城市建设要求。BIM技术可集成设计、施工、运维中的重要信息，为城市活动提供必要的基础信息，它是智慧城市建设中需要完成的重要基础性工作。2011年住建部印发《2011-2015建筑业信息化发展纲要》提出，“十二五”期间要加快建筑信息模型（BIM）等新技术在工程中的应用，推动信息化标准建设。

BIM（即建筑信息模型，Building Information Modeling / Building Information Model），是在建设工程及设施全生命期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称^[1]。BIM一词最早是在1975年，由佐治亚理工学院的Chuck Eastman博士首次提出。美国、日本等发达国家BIM软件使用率已达70%以上并持续增长^[2]。我国在2002年开始将BIM技术引入建设工程领域，随后得到快速发展。本文基于BIM技术在京津中关村科技城智慧园区基础设施工程全生命期的应用实践，全面阐述和总结了BIM技术在该项目全生命期的应用过程和方法，为今后类似工程项目BIM应用提供参考。

1.项目应用概况

1.1   工程概况

京津中关村科技城智慧园区市政基础设施工程为大型市政工程领域EPC总承包项目，涉及十余个专业。建设内容主要包括：修建道路16条，全长约30km；涉及雨水、污水、给水、中水、燃气、热力、电力、电信等各类管道总长约300km；建设公园约17.4万平方米，路侧绿化约47.7万平方米，河道及水环境综合整治长度约8.8km；建设高中压调压站、热源厂、公交首末站、公共停车场，占地面积约3.9万平方米。

1.2   BIM应用必要性分析

大型基础设施工程通常具有地理跨度大、涉及专业多、地下管网排布复杂，施工作业面广、运营期工程资产管理对象分布广，问题排查与定位困难，设备、设施及供应商信息庞杂，管理难度大等特点。本项目在上述特点基础上，又有智慧运维要求^[3]，这一要求延长了工程信息的服务期限，强化了工程数据跨阶段传递、更新、维护的重要性。

BIM的内涵是能够连接建筑全生命期不同阶段的数据，以及它整个形成的过程和这个过程所需要的资源^[4]。BIM技术能够集成设计和施工两个阶段的信息，尤其针对基础设施的综合管线工程，可以纳入管线、各类闸门、阀门的安装和供应信息，形成完整的竣工模型，接入运维管理平台，为实现智慧运维创造基础性条件。

利用BIM技术在可视化、参数化、信息化方面的优势可提高项目信息沟通效率，支持项目在环境、成本、质量、安全、进度等多方面的分析、检查和模拟，提高施工阶段的可预测性、可控性和精细化管理程度。将BIM技术全面应用于道路桥梁和综合管网等的设计、施工全过程，可大大减少设计变更和设计错误，降低潜在的施工返工风险。

由此可见，引入BIM技术对智慧园区建设是十分必要的。

2.BIM实施策划

2.1   BIM策划目的

BIM实施策划主要目的是解决以下问题：（1）明确项目BIM应用目标和应用内容；（2）识别项目BIM应用重点和难点；（3）策划BIM实施流程；（4）确认各实施阶段模型深度；（5）落实BIM实施所需的资源；（5）明确成员在项目中的角色和责任；（7）分析和降低工程实施潜在风险。策划的最终成果是编制项目BIM实施工作方案。通过BIM策划，本项目建立的BIM实施架构如图1所示。

图1项目BIM实施组织架构

项目形成了以建设单位和监理单位BIM主管为领导，EPC总承包BIM团队组织实施，BIM咨询团队提供指导，设计单位和施工单位BIM人员协作的BIM实施团队。落实了BIM技术应用领导小组和工作小组人员，及其责任分工，为项目的顺利实施提供了组织保障。BIM团队编制了项目级《BIM实施工作方案》、《BIM技术导则》等一系列项目级BIM标准，有效指导项目实施。

2.2  BIM实施目标

在BIM实施策划时，制定了如下实施目标：

（1）设计阶段：通过搭建BIM协同设计平台，形成协同设计工作模式，以提高沟通效率；通过创建BIM设计模型，并与设计交互工作，进行设计阶段BIM应用，提前发现潜在设计缺陷，克服传统设计沟通不及时、不通畅带来的弊端，以提高和优化设计成果，并为施工、运维阶段提供基础模型及属性信息。

（2）施工阶段：通过搭建BIM施工管理平台，进行项目深化设计、施工模拟、方案优化，实施项目质量安全、进度管理、人材机管理、可视化技术交底等多方面集成应用，以降低施工潜在风险、节约成本，提高现场精细化管理水平。

（3）运维阶段：通过集成设计阶段模型的属性信息和施工阶段的建造信息，形成数字化资产，接入智慧园区管理平台，用于道路、综合管线、设备设施的智慧运营管理，提高突发事件的响应速度和处理效率，降低运营成本。

2.3   BIM实施过程与主要内容

该智慧园区基础设施工程BIM实施流程可分为BIM实施策划、BIM准备工作、BIM实施、BIM应用总结四个阶段，如图2所示。

图2 EPC项目BIM技术实施阶段与主要内容

3.BIM实施准备

BIM实施准备工作主要包括：落实BIM实施所采用的各类软、硬件资源，创建项目BIM元件库、制定通用和专用工作环境，搭建协同设计管理平台，并进行设计工作环境托管，搭建BIM施工管理平台，并对施工管理平台人员进行培训，同时编制项目级BIM标准，用于指导项目实施。

本项目采用了Bentley公司系列软件创建设计和施工模型。搭建了ProjectWise协同设计平台（图3）和4D-BIM施工管理平台（图4），并对施工现场业主方、监理方、总承包方和各施工分部进行了多次集中培训，掌握了平台使用技能。编制了多本BIM标准，指导项目顺利实施。

图3 BIM协同设计平台图4 BIM施工管理平台

4.全生命期BIM应用 

4.1   设计阶段BIM应用

创建了道路、桥梁、涵洞、雨污管线、交通工程等十余个专业BIM模型，同时运用无人机倾斜摄影技术实现工程三维实景建模。按照“模型文件—结构组装—专业分装—区域总装—项目总装”的顺序逐级装配，形成整个项目的总装模型，如图5所示。在此基础上开展了BIM可视化、碰撞检查、工程量统计以及仿真性等多种应用。

图5项目总装模型

（1）可视化：进行了三维设计模型可视化、三维实景模型可视化、目整体漫游可视化、直观形象地展示工程全貌，使各参与方对设计方案和现场有更加准确的理解。

（2）碰撞检查：利用BIM碰撞检测功能，对项目土建专业与其他各专业之间，以及各专业内部之间，尤其是地下各类管道之间进行碰撞检测，包括硬碰撞和软碰撞（如不满足管线之间净距要求^[5]），发现问题及时修改设计方案，确保管线间距满足规范要求，规避施工返工风险，提升设计品质。

（3）工程量统计：实现BIM模型工程量一键输出，提升了工程量统计效率。

（4）除上述应用外，还进行了实现了道路视距仿真分析，照明方案展示、景观方案展示与比选，及时优化设计方案。

4.2   施工阶段BIM应用

根据现场施工情况，制定了项目施工模型WBS分解原则，即道路工程按照200米一段进行划分，桥涵工程按照构件进行划分，管线工程按照井到井进行划分，其他专业模型按照单体划分。施工过程中，采用“三端一云”的方式协助施工管理，即利用PC端、网页端和移动端实现BIM模型的实时数据填报、查看。利用云平台实现项目数据的集中存储和计算分析。开展了施工方案模拟与优化、可视化技术交底、进度管理、质量与安全管理、人员材料机械管理、综合信息展示、档案管理等多方面应用。

（1）施工方案模拟与优化：传统施工方案的编制一般是基于二维图纸和施工经验，由于缺乏现场验证，其施工可行性往往无法满足实际要求，导致施工方案往往是边施工、边修改、边优化，对工期、质量和成本均产生较大影响^[6]。通过BIM技术三维可视化可实现施工方案模拟和优化，直观地了解总体施工方案的重要时间节点和相关工序，清晰掌握施工过程中的难点和要点，优化施工组织设计。通过不同颜色设置，演示施工进展，如图6所示。

（2）可视化技术交底：通过移动设备可将BIM施工方案带入施工现场，如图7所示。对照现场实际情况进行可视化技术交底，极大方便了施工人员对施工方案的直观了解。

图6施工方案模拟图7可视化技术交底

（3）进度管理：现场工作人员根据每天施工进度在移动端填报进度数据。以填报数据和施工进度计划为基础，可以选择按照计划进度或实际进度，进行施工进度模拟和进度追踪分析，发现偏差，及时采取措施纠正，如图8所示。

图8进度填报与进度分析

（4）质量与安全管理：当管理人员（发起人）发现问题后，可直接在移动端上传图片，填写问题描述和整改要求，发送给整改人。整改人收到整改通知后，根据整改要求完成整改，并将整改情况以及整改后的照片反馈给发起人，发起人收到反馈信息后，对整改情况进行验收确认，形成“发起——整改——确认”的闭环管理。可以对质量安全问题进行定期统计，分析问题构成、专业分布情况、问题整改情况，生成分析报告发送给相关负责人，方便让对方及时、快速掌握项目整体质量、安全情况，如图9所示。

图9质量安全问题分析图

（5）施工综合信息展示：创建了施工综合信息大屏，设置了项目位置、进度分析、安全施工天数、当前任务进度、实时问题、问题月度数量统计、问题分类统计、问题实时状态统计等八个功能模块，汇总现场重要信息，为快速科学决策提供依据，如图10所示。

10施工综合信息大屏

（6）其他管理：利用BIM施工管理平台，通过赋予不同人员角色和权限进行人员管理，确保工程信息安全；通过收料单、发料单、盘点单实现工程材料的严格管理；通过扫描机械设备二维码，可填报机械的台班、检查和维修情况，实现机械管理。通过人员、材料、机械的管理，可以进一步提高现场精细化管理水平。此外，还开发了档案管理功能，在平台上实现档案材料的集中存放和分类，方便查阅和管理，如技术交底、会议纪要等。

4.3   运维阶段BIM应用

根据园区顶层设计，针对基础设施的智慧运营管理指标包括：

（1）市政管网智能化监测管理率80%以上；

（2）交通诱导屏和智能停车场覆盖率100%；

（3）智能路灯覆盖率90%以上；

结合智慧运营管理要求，在施工阶段将相关构件、设备、传感器、管线的闸门和阀门等的安装位置、规格型号、尺寸、生产单位、安装单位、安装日期等信息录入施工管理平台，在竣工验收阶段形成竣工模型，进行数字化移交，并接入园区数据中心，用于道路维护、综合管线维修、设备设施管控、突发事件处置等方面园区的智慧运营管理。

5.结论与建议

5.1   结论

（1）BIM技术在本项目的应用，创新形成了协同设计、协同管理工作模式，实现了模型信息从设计阶段到施工阶段，再到运维阶段的高效传递，形成了一次BIM技术在智慧园区市政工程领域全生命期应用的重要实践，为后续类似工程应用提供参考案例。

（2）利用BIM技术在可视化、协同性、优化性、仿真性方面的优势，革新了传统设计和施工管理手段，体现了BIM技术在提高沟通效率、精细化管理、形成数字资产方面的重要作用和价值贡献。

（3）智能化是全球发展趋势，结合项目智慧运营要求，在项目策划、BIM准备工作、BIM实施等阶段均需要考虑智慧运维需求，在BIM模型创建时要增加与智慧运维相关的基础模型创建；在施工管理平台搭建时要增加与智慧运维相关的过程信息采集功能，将设计和施工阶段的基础性信息传递到运维阶段。

5.2   建议

由于BIM技术在我国建设领域应用才刚刚开始，相关配套条件还不完全成熟，虽然BIM技术在本项目的应用取得了一定应用成果，但在应用过程中也出现了BIM认识不到位、协同设计流程和协同管理流程不完善、平台之间接口不匹配等问题。为此，笔者建议在今后类似工程BIM应用时，应进一步加强BIM宣传、提高认识，完善设计阶段协同设计流程和施工阶段协同管理流程，通过二次开发进一步完善不同平台之间的数据接口等相关工作，以更好地推进BIM实施，发挥BIM在项目全生命期应用的更大价值。

参考文献

[1]GB/T 51212-2016 建筑信息模型应用统一标准[S].

[2] 李伟，BIM技术在工程项目全生命期应用概述[J]. 科技资讯, 2017 (6): 113-114

[3] 天津京津中关村科技城发展有限公司，深圳市建筑科学研究院股份有限公司.《京津中关村科技城智慧园区顶层设计报告》，2017.12

[4] 孙璟璐.张建平:上海国际金融中心项目全生命期BIM应用研究和实践[J].中国建设信息,2013(18):20-22

[5] GB 50289-2016 城市工程管线综合规划规范 [S].

[6] 何洋,唐明,夏冬,周麟. BIM 技术在黑沙洲航道整治二期工程中的应用[J].水运工程, 2017,S2:70-74.