基于 BIM 技术的建筑工程设计施工一体化应用研究

李梦辰，廖灿灿，马 骁

（中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司，重庆 400042）

0 引言

设计施工一体化是当前国际上通用的建造方式，我国自 20 世纪 50 年代引入苏联建造模式后，受当时国家经济条件制约和体制上的原因，形成了设计与施工分离的建造模式并沿用至今，带来了建造组织方式落后、建设主体彼此分割、建造方式粗放、建筑质量和品质不高、行业效益低下等一系列问题。为解决这些问题，需要再次打破隔阂，连接设计、施工之间的信息传递渠道，解决设计施工脱节问题，促使设计施工达到一体化的效果［1］。

如今，BIM 技术凭借自身强大的信息存储和传递的功能在设计和施工中得到了广泛应用。在设计方面，利用 BIM 技术可以打通设计上下游的信息传递阻碍［2］；通过施工方在项目开展前期提前介入项目设计标准、设计样板的制定等以解决施工阶段可能发生的冲突问题；满足各专业之间的协同设计以便整个设计模型数据的同步更新等。在施工方面，利用 BIM 技术的可视化性能完成虚拟施工，分析、优化与模拟项目施工方案，尽可能减少安全问题、材料浪费问题、返工问题以及工期过长问题；利用 BIM 模型数据实时调整现场条件从而使资金效益得到最大限度的发挥等。BIM 技术促进了项目信息处理过程的整合以及基于 BIM 的设计和施工的集成，极大程度地推动了设计施工的一体化进程。

因此，为了加快设计施工一体化的实施进度，国家及地方主管部门出台了多项政策文件，如《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》、《关于促进建筑业持续健康发展的意见》（国办发〔2017〕19 号）、《2020 年绿色建筑与建筑节能的工作要点》（渝绿建〔2020〕2 号）等，均指出要大力推动绿色建造发展，推动 BIM 技术在工程建设全过程的集成应用，为建筑行业的发展指明了方向，也为加快推进设计施工一体化提供了有力的时机。

1 设计施工一体化的发展现状

当前，项目各参与方各自为政，导致设计环节与施工环节脱节严重，项目的进度、质量和资金都受到严重影响［3］。剖析其原因主要有以下几个方面。

1）设计与施工无法做到持续沟通。设计、施工独立招标，设计单位以方案创作为工作中心、图纸文件为工作成果，与施工单位的沟通不及时甚至缺失，故而二维出图常常不满足施工单位的具体要求，特别是专业性强的项目，如消防工程、幕墙工程等。

2）设计与施工的评价体系和规范要求不同。设计与施工都有各自的标准规范，使得项目信息的传递无法上下游畅通，导致两者的工作彻底割裂开来，在工程项目中出现频繁变更，重复工作并错漏不断。

3）设计施工协同流程未保持一致。要做到设计施工一体化就应该进行项目整体的全过程流转，这个流程中，需要将项目前期、设计环节，以及后续的施工、移交等各环节纳入到统一的计划控制中［4］。

综合上述原因，当前设计施工一体化发展主要是信息协同管理和技术两方面的问题，造成了设计阶段与施工阶段的脱节，其具体情况如图 1 所示。

图1 设计施工脱节情况示意图

2 实现设计施工一体化的核心要素

根据上文设计施工一体化发展现状可知，要实现设计施工一体化，必须管理和技术双管齐下。BIM 技术能够打通设计上下游的信息传递阻碍，促进设计施工信息的传递和流转，是实现设计施工一体化的关键技术。在管理层面，需要考虑标准制定、管理机制建立、奖惩策略三方面内容，从而为 BIM 技术在设计中的应用提供一个良好的应用环境；在技术层面上，则要借助 BIM 技术的优势改变传统协同设计流程，优化协同工作中信息的传递和共享［5］。

2.1 管理层面

为了规范 BIM 项目的实施，BIM 设计模型数据可向下游传递，促使 BIM 信息集成与共享达到良好的效果，建立标准体系是 BIM 项目设计施工一体化实施的首要条件。考虑到 BIM 模型的创建过程所涉及的协同要点、项目过程文档管理以及建模深度等要求，标准体系至少应包含 BIM 模型工作标准、BIM 成果交付标准、BIM 数据库三方面内容。

其中，BIM 模型工作标准主要为统一实施管理，方便各参与相关方进行模型的共享和信息传递；BIM 成果交付标准是基于国家及地方标准制定设计、施工各阶段的成果交付内容及交付格式，保证 BIM 成果交付内容、交付格式的一致性和信息的有效传递，保障 BIM 实施成果质量；建立 BIM 数据库是为了 BIM 数据库用于收集、存储团队项目样板、BIM 构件资源等组织过程资产，方便技术人员对数据进行索取与提交，保证数据角度的及时性与一致性，并对相关数据的定期备份以及数据使用权限进行控制，保障数据的安全。

从管理机制上来看，首先要将设计和施工进行综合管理，包括进度计划、质量要求、方案设计等。项目部门应该对设计团队的交付进度和交付成果有管控的责任，同时也应该督促施工方更早更好地介入前期设计中，提出施工方需求和注意事项，从而在源头避免返工和资源浪费情况，以便更好地实现设计施工在管理上的融合。现实中想要做到理想化的资源协调，就需要通过业主方的协调作用和制定合同来完成。业主方在基于 BIM 的工程项目中需要发挥核心领导作用，通过采取相应的措施和管理办法，推动项目各参与方进行信息交流和传递，保证项目目标的实现。同时，在 BIM 合同条款中，需要对 BIM 协同工作要求、各参与方在项目中的任务分配、BIM 模型包含内容以及模型质量等提出详细的规定，将有助于工程项目各参与方在 BIM 协同中对任务的内容理解，从而提高资源的调集效率。

另外，奖惩策略是帮助各参与方良好合作的手段，分为奖励制度和惩罚制度两个方面，其中奖励制度包括共享机制和过程考核，惩罚制度分为履约惩罚和抽查制度。奖励制度中的共享机制是为了激励施工方通过使用 BIM 设计模型节约成本或者工期，并予以发放奖励；过程考核是对设计单位在 BIM 应用点使用深度、模型深度、效益等方面的评比，并检查过程资料是否齐全，以实现 BIM 设计模型更好地向施工阶段传递。惩罚制度中的履约惩罚是签订合同方不按合同规定使用 BIM 技术的，有权对其进行履约惩罚。或者若以 BIM 管理平台为基础，涉及相关的资料上传（包括质量、安全、前期数据等），以及施工现场问题回复整改等未按要求上传资料都将受到相应惩罚；抽查制度是检查设计、施工方是否使用 BIM 技术以及 BIM 技术应用深度、是否按照前期制定的 BIM 标准规范执行，如发现未按照标准执行以及未达到项目 BIM 使用深度进行相应的惩罚。

2.2 技术层面

BIM 设计施工一体化协同设计流程应该按照项目实际进程，从网络环境搭建开始、设计工作的实施到后期施工配合。在此过程中，应着重关注标准规范制定、项目样板、模型搭建、性能化分析、各专业深化设计、施工模拟、施工配合、竣工模型这几个环节。每个环节的协同工作流程都需要考虑项目实施过程中影响协同设计的因素以及各阶段联系上下游（上游包括图纸提资，下游包括安装、检修、专项设计等）的影响因素。

项目实施前期需要搭建实现协同设计的基础平台，通过建立网络环境方便设计人员共享服务器上的设计资源。进入项目执行准备阶段后，主要根据项目特点、业主需求、施工方需求，定制指导项目实施全过程的项目标准、项目样板，此过程首先需对项目重难点及解决方案进行分析制定，便于项目实施团队成员顺利开展项目实施工作；其次基于项目分析结果，制定适用于该项目的项目标准、项目样板，项目样板作为项目标准的载体，为整个项目 BIM 技术应用提供统一的平台，便于专业内、专业间模型传递与共享。

待项目执行前期工作完成，即可进行后续项目执行工作。首先，各专业模型搭建依据各专业项目样板和业主方提资图纸，严格按照定制化的项目标准进行设计，以免因施工现场工艺、标准的不一致造成的返工；然后，在模型搭建过程中进行可视化设计，利用 BIM 可视化技术在模型搭建过程中及时向设计单位反馈各专业集成的错漏碰缺、复杂节点的完整性及复杂节点隐蔽工程与管线密集区域信息不全面等缺陷问题，在设计单位修改后同步更新调整，及时准确地沟通使设计更高效，模型优化更合理；最后，在施工前提前发现并解决问题，保证施工方在建造时减少返工、节约材料、提升效率［6］。

进入各阶段深化设计阶段，通常会根据前述工作中出现的难度大、复杂的问题，征求业主方意见，各相关方基于会议决策修改相应图纸，BIM 顾问团队将各专业修改内容体现在三维模型中，复核合理性和可实施性，直至满足相关方要求和业主的交付条件，这样将施工中可能出现的问题前置，会优化整个项目实施效果。

在项目执行后期主要是对项目交付成果进行制作，以满足项目成果交付要求。BIM 顾问团队需对项目成果与施工人员进行施工交底，使其明白 BIM 设计意图，明确各专业施工工序，有利于更好开展项目施工作业。有时对于大型复杂项目，业主方也会要求 BIM 顾问团队配合项目施工作业，直至 BIM 服务范围内的施工工序全部完成。

3 项目应用

本章节拟用实际项目案例，以 BIM 顾问方角度来阐述利用 BIM 技术解决设计阶段信息无法有效向施工阶段传递的问题。由于管理层面的要素和注意事项在上一章已经讲述明确。本章仅讲述 BIM 顾问团队在项目中对设计施工一体化问题的解决所采用的方法和技术。

3.1 项目概况

本项目为大型商业综合体项目，项目的整体规划如图 2 所示。BIM 深化设计范围为 3# 楼 W 地块地下车库、超市、地上商业部分。项目总用地面积 24 337 m2，总建筑面积 129 884 m2，其中地上 92 866.33 m2，地下 37 016.43 m2。本项目在业主主导下，设计、BIM 顾问、施工、装饰设计共同参与 BIM 实施工作。

图2 项目整体规划图

3.2 项目实际问题解决

商业综合体项目结构错综复杂、信息量繁杂，施工难以精确定位，传统二维设计无法准确对图纸进行校核，如错漏碰缺、各专业图纸不符、平面图系统不符等设计问题很容易过渡到施工阶段，造成不必要的返工。而加入 BIM 技术后，各专业间上下游信息传递通畅，并在设计中提前考虑了施工现场安装工艺流程，保证设计 BIM 模型高效指导现场施工，避免不必要的浪费，降低成本。提取该项目中的协同设计中的问题——暖通专业设计图纸问题（案例问题一）和结构专业（案例问题二）的功能使用问题，阐述 BIM 技术在设计工作中的应用。

3.2.1 案例问题一

在本项目中，出现了走廊排烟风管从 300 mm×900 mm 梁下穿行（见图 3），导致净高不足 2 800 mm。原因是设计师在设计图纸时未考虑到梁尺寸过大，风管安装后吊顶净高不足的情况。BIM 机电工程师在深化设计中发现净高不足会严重影响吊顶的使用，经过暖通设计复核后决定将该管线调整至货物库房穿行（见图 4），并告知设计方对图纸进行修改。通过深化设计提前发现该问题，以免在现场施工中造成不必要的麻烦，影响施工进度（施工现场管线安装实景如图 5 所示）。

图3 优化前图纸和 BIM 模型图（单位：mm）

图4 优化后图纸和 BIM 模型图

图5 现场实景图和 BIM 模型图

3.2.2 案例问题二

1# 商业楼负一层3#配电房，发现 800 mm×200 mm 强电桥架接配电室电缆沟位置管线密集，电缆与配电房门体发生冲突，且该区域结构降板后安装净高较低，从而导致开关门位置不合理（见图 6）。BIM 机电工程师提出调整电缆沟位置或者调整配电房门位置的解决方案，经过和建设方及设计方协商后决定调整门体位置，使其向上方楼梯间位置上移 2 000 mm 避开电缆沟及管线密集区（见图 7），以期避免在后期施工安装过程中出现问题，造成不必要的返工。

图6 优化前图纸和模型图

图7 优化后图纸和模型图

4 结语

设计与施工一体化是未来建筑行业的发展方向，它是完善工程建设组织模式必不可缺的一环也是培养整个过程工程咨询的纽带。BIM 作为先进的管理工具，已经被企业广泛应用，利用 BIM 技术能够为建筑项目工程设计和施工带来技术冲击，BIM 技术与建筑工程协同设计是紧密联系的统一整体，不但可以提高建筑设计的效率，还可以对施工进行同步的技术指导，这促使设计和施工实现一体化的效果。

本文通过剖析设计施工脱节的原因，认为若要实现设计施工一体化则需要利用 BIM 技术，从管理和技术两方面进行改善。在管理中不仅要考虑项目协同工作环境的建立（标准制定和管理机制的建立），还要考虑激励策略的制定和应用。在技术上思考设计与施工之间的关联性，最后在案例应用中，以 BIM 顾问的角度来阐述如何在 BIM 设计阶段融入施工方的需求，在施工过程考虑 BIM 设计的建议，充分发挥 BIM 技术在信息传递上的优势和价值，为解决 BIM 技术在设计施工一体化中的应用提供一些思考。Q