應(yīng)宇墾 張其林 吳雪潔 周 磊

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.上?；壑ńㄔO(shè)顧問(wèn)有限公司，上海 200092； 3.上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)聯(lián)合發(fā)展有限公司，上海 200120)

引言

2001年，美國(guó)斯坦福大學(xué)CIFE(Center for Integrated Facility Engineering，設(shè)施集成化工程)中心首次提出VDC(Virtual Design and Construction，虛擬設(shè)計(jì)與施工)理念，隨后其理論研究和實(shí)踐應(yīng)用不斷拓展[1]。VDC理念強(qiáng)調(diào)將BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術(shù)應(yīng)用于工程項(xiàng)目，通過(guò)可視化的模擬旨在提高建筑工程領(lǐng)域的生產(chǎn)和管理效率。CIFE在北美利用其行業(yè)影響力推動(dòng)了VDC的工程實(shí)踐。在國(guó)內(nèi)，相關(guān)方面的研究和應(yīng)用也逐步發(fā)展起來(lái)，2008年王廣斌在建設(shè)工程管理領(lǐng)域引入了VDC/BIM理念，李巖松等[2]以上海天文館項(xiàng)目為例，探索研究了VDC在天文館項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用。徐海峰[3]利用施工模擬軟件進(jìn)行全過(guò)程虛擬可視化施工模擬，最終建立建筑工程可視化管理平臺(tái)，通過(guò)工程實(shí)踐證明基于VDC的可視化管理平臺(tái)可以有效改進(jìn)和提高項(xiàng)目管理效率。

隨著VDC/BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，相關(guān)研究也不斷細(xì)分。國(guó)際智慧建造組織(building SMART International)對(duì)BIM的定義分為三個(gè)層次，建筑信息模型(Building Information Model)、建筑信息模型應(yīng)用(Building Information Modeling)、建筑信息管理(Building Information Management)。建筑信息模型是一個(gè)工程項(xiàng)目物理特征和功能特征的數(shù)字化表達(dá)，建筑信息模型應(yīng)用是指創(chuàng)建和利用項(xiàng)目數(shù)據(jù)在其全生命周期內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)的業(yè)務(wù)過(guò)程。建筑信息管理是指通過(guò)使用建筑信息模型內(nèi)的信息支持項(xiàng)目全生命期信息共享的業(yè)務(wù)流程組織和控制過(guò)程[4]。其中，建筑信息管理的目標(biāo)即充分融合了VDC理念和BIM技術(shù)，提升到結(jié)合工程項(xiàng)目管理的視角尋求更大的應(yīng)用價(jià)值。

1 VDC/BIM框架

1.1 VDC/BIM的內(nèi)涵

VDC相關(guān)概念提出后，先后經(jīng)過(guò)幾次演變，根據(jù)2007年第五版定義為，VDC是在工程建設(shè)過(guò)程中通過(guò)應(yīng)用多學(xué)科多專業(yè)集成化的信息技術(shù)模型，來(lái)準(zhǔn)確反映和控制項(xiàng)目建設(shè)的過(guò)程，使項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)能最好地實(shí)現(xiàn)[5]。VDC是基于集成化的管理思想，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)手段在工程建設(shè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用?？鐚W(xué)科多專業(yè)地融合應(yīng)用使VDC成為工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)和施工的重要管理方法。

行業(yè)內(nèi)越來(lái)越多的專業(yè)承包商使用VDC/BIM技術(shù)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)，該領(lǐng)域?qū)W者對(duì)VDC的研究逐漸延伸到工程項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)。斯坦福大學(xué)CIFE中心的Martin Fischer教授長(zhǎng)期致力于對(duì)于VDC的研究，在總結(jié)了VDC框架基礎(chǔ)上將組織的概念與虛擬設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的內(nèi)涵進(jìn)行了整合[6]。Justin Reginato[7]等研究了設(shè)計(jì)變更對(duì)機(jī)電承包商虛擬設(shè)計(jì)和施工性能的影響。一些學(xué)者研究了VDC/BIM在工程項(xiàng)目中的運(yùn)用，Mikkel Toppel等[8]研究了在BIM全生命周期方法中使用VDC理念探索結(jié)構(gòu)化信息的優(yōu)勢(shì)。

1.2 VDC/BIM的POP模型

VDC利用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建的信息技術(shù)模型，包括產(chǎn)品(Product)模型、組織(Organization)模型和過(guò)程(Process)模型，即POP模型。POP模型中這三個(gè)子項(xiàng)之間是通過(guò)一定的邏輯關(guān)系集成在一起的，一旦改變了其中一個(gè)子項(xiàng)，集成模型就需要改變相關(guān)聯(lián)的其他子項(xiàng)[9]。

CIFE中心基于POP模型提出了一種工程項(xiàng)目管理方法。該方法可以用來(lái)指導(dǎo)VDC理念在工程建設(shè)領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用，其框架如圖1所示。其中，產(chǎn)品(P)、組織(O)和過(guò)程(P)是指POP模型中的產(chǎn)品模型、組織模型和過(guò)程模型。產(chǎn)品模型(P)指的是組織為完成項(xiàng)目而交付的成果，其成果既可以是工程中間的設(shè)計(jì)，也可以是最終的建筑產(chǎn)品，可以用傳統(tǒng)圖紙或BIM模型來(lái)表達(dá)。組織模型(O)指的是為完成建筑產(chǎn)品所配備的團(tuán)隊(duì)成員及其相應(yīng)職責(zé)。過(guò)程模型(P)指的是組織為完成建筑產(chǎn)品而經(jīng)歷的流程，是在施工過(guò)程中由施工計(jì)劃和施工相關(guān)活動(dòng)所構(gòu)成的。POP模型的每個(gè)子項(xiàng)內(nèi)容都采用功能、形式、行為三個(gè)要素進(jìn)行表達(dá)和分析。該框架反映了以功能需求、形式以及行為預(yù)期表示的產(chǎn)品、組織及過(guò)程，以此來(lái)更好地實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目目標(biāo)。

圖1 VDC-POP集成框架

在VDC的具體實(shí)施過(guò)程中，產(chǎn)品、組織和流程三個(gè)子項(xiàng)需要工具和軟件的廣泛支持，才能有效應(yīng)用于設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維等各階段任務(wù)。因此，VDC需要開(kāi)發(fā)許多數(shù)字化工具和軟件，如產(chǎn)品可視化工具、產(chǎn)品過(guò)程模型及其可視化工具、組織過(guò)程模型工具以及在線協(xié)同工具等。

1.3 VDC/BIM的實(shí)施過(guò)程

VDC框架的應(yīng)用分為可視化建模、模型集成化和自動(dòng)化應(yīng)用三個(gè)不同深度的階段。

(1)可視化建模階段：先創(chuàng)建三維的BIM產(chǎn)品模型，再創(chuàng)建組織模型用于設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維各階段，最后創(chuàng)建BIM過(guò)程模型進(jìn)行施工過(guò)程追蹤。對(duì)產(chǎn)品、組織和流程進(jìn)行建模和可視化分析，以及對(duì)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行配合與指導(dǎo)。

(2)模型集成化階段：將產(chǎn)品、組織、過(guò)程模型進(jìn)行整合、不同專業(yè)之間進(jìn)行集成，形成集成的POP集成模型。為保證不同模型和不同應(yīng)用軟件之間數(shù)據(jù)信息共享的可靠性和交互過(guò)程的順利，要使用統(tǒng)一的信息交換標(biāo)準(zhǔn)[10]。

(3)自動(dòng)化應(yīng)用階段：以可視化和集成化為基礎(chǔ)，利用自動(dòng)化的工具方法實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的自動(dòng)化設(shè)計(jì)、施工模擬等，也可延伸到工廠構(gòu)建預(yù)制的自動(dòng)化[11]。

2 案例應(yīng)用

2.1 案例背景

浦東美術(shù)館項(xiàng)目位于上海黃浦江畔，緊鄰東方明珠和國(guó)際會(huì)議中心。該項(xiàng)目于2016年開(kāi)工，2020年年底竣工交付。建筑占地約13 000m2，總建筑面積為40 590m2，其中地上4層，地下2層，建筑高度約30m。項(xiàng)目?jī)?nèi)部的建筑空間布局復(fù)雜，對(duì)凈高控制要求高，裝飾造型復(fù)雜、機(jī)電管線繁多，項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工難度很大。另外，項(xiàng)目周邊重要建筑群聚，地面交通和地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，施工環(huán)境較差。

浦東美術(shù)館項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工階段全過(guò)程采用了VDC/BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理過(guò)程中的重難點(diǎn)控制。項(xiàng)目基于VDC/BIM框架的產(chǎn)品模型、組織模型、流程模型三個(gè)子項(xiàng)，定義了項(xiàng)目的全過(guò)程建筑模型的虛擬應(yīng)用。本項(xiàng)目在VDC/BIM框架下，通過(guò)科學(xué)地組織和架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)計(jì)和施工的場(chǎng)景應(yīng)用，取得較好的效果。

2.2 VDC框架的子項(xiàng)

2.2.1 產(chǎn)品模型

浦東美術(shù)館項(xiàng)目的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用可視化軟件(如Revit、Navisworks等)根據(jù)建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、幕墻各專業(yè)圖紙以及建模標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建三維產(chǎn)品模型，如圖2所示。

圖2 各專業(yè)產(chǎn)品模型

為加快速度，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和BIM團(tuán)隊(duì)高效配合。在施工圖后期，有效利用BIM建模，直接利用模型導(dǎo)出圖紙，在工作流中形成了局部的BIM半正向化，提高了深化效率，縮短了設(shè)計(jì)周期。

2.2.2 組織模型

浦東美術(shù)館項(xiàng)目由業(yè)主方主導(dǎo)，聘請(qǐng)BIM顧問(wèn)作為項(xiàng)目的總協(xié)調(diào)方，并要求設(shè)計(jì)單位、總承包單位、專業(yè)分包單位和供應(yīng)商根據(jù)要求組建自身BIM團(tuán)隊(duì)形成BIM應(yīng)用能力。由BIM顧問(wèn)制定項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)與管控措施，統(tǒng)籌和管理整個(gè)BIM團(tuán)隊(duì)。圖3為本項(xiàng)目的BIM團(tuán)隊(duì)組織架構(gòu)。

圖3 項(xiàng)目組織架構(gòu)圖

2.2.3 流程模型

浦東美術(shù)館項(xiàng)目的總體工作流程如圖4所示。業(yè)主BIM團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)BIM成果應(yīng)用； BIM顧問(wèn)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)整個(gè)BIM的質(zhì)量、進(jìn)度和數(shù)據(jù)安全的把控管理； 各個(gè)參與方BIM團(tuán)隊(duì)依據(jù)圖紙和建模標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建相應(yīng)的BIM產(chǎn)品模型，解決各階段實(shí)施過(guò)程中遇到的工程項(xiàng)目問(wèn)題。

圖4 工作流程圖

在浦東美術(shù)館項(xiàng)目的BIM實(shí)施中，VDC的三個(gè)子項(xiàng)相互作用、形成一體，對(duì)于推進(jìn)和指導(dǎo)浦東美術(shù)館項(xiàng)目的BIM應(yīng)用非常重要。

2.3 設(shè)計(jì)階段應(yīng)用

浦東美術(shù)館項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過(guò)程中以VDC框架為基礎(chǔ)結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行建筑性能模擬和碰撞檢查等，通過(guò)可視化的模擬分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，支持優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)建筑能耗分析。利用Revit+Trace700進(jìn)行能耗模擬分析，結(jié)合冷熱負(fù)荷、逐月及全年能耗進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，通過(guò)提高冷熱設(shè)備的能效、通風(fēng)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)的變頻控制等節(jié)能措施，美術(shù)館暖通空調(diào)系統(tǒng)的年能耗比參考建筑低6.29%。建筑能耗模擬分析如圖5所示。

圖5 建筑能耗模擬分析圖

(2)日照與人工光源分析。日照與人工光源分析同樣采用產(chǎn)品模型，光學(xué)團(tuán)隊(duì)利用BIM軟件進(jìn)行模擬分析，研究自然光對(duì)室內(nèi)空間的影響，實(shí)現(xiàn)人工光與自然光的更好結(jié)合，營(yíng)造更加舒適的展示空間。

(3)碰撞檢查分析

浦東美術(shù)館項(xiàng)目的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)電管線繁多。尤其在設(shè)備轉(zhuǎn)換間的機(jī)電管井轉(zhuǎn)換部分與土建沖突嚴(yán)重，屋面設(shè)備機(jī)房的管線與土建鋼構(gòu)沖突嚴(yán)重。利用建筑、結(jié)構(gòu)及機(jī)電的BIM模型進(jìn)行碰撞檢查，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行討論，有效解決了管線排布優(yōu)化的問(wèn)題。圖7所示為機(jī)電管綜進(jìn)行碰撞檢查的結(jié)果。

圖7 機(jī)電碰撞檢查結(jié)果圖

2.4 施工階段應(yīng)用

(1)施工場(chǎng)地分析

浦東美術(shù)館項(xiàng)目的周邊環(huán)境復(fù)雜，在VDC框架指導(dǎo)下利用BIM技術(shù)進(jìn)行施工場(chǎng)地模擬，為施工決策提供了重要依據(jù)。

在這個(gè)階段，施工作業(yè)BIM產(chǎn)品模型的搭建非常關(guān)鍵。土建施工BIM團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，在Navisworks軟件中附加了建造過(guò)程、施工順序等信息。在進(jìn)行施工過(guò)程的可視化模擬過(guò)程中，幫助項(xiàng)目人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工方案中存在的問(wèn)題，并對(duì)方案進(jìn)行分析和優(yōu)化，提高方案審核的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)施工方案的可視化交底，以便更好地指導(dǎo)施工過(guò)程，如圖8所示。

(2)大玻璃幕墻安裝模擬分析

浦東美術(shù)館面向黃浦江的一側(cè)，其外玻璃幕墻采用12m及6m超高雙層“大玻璃”+LED屏系統(tǒng)的特殊設(shè)計(jì)。玻璃幕墻采用了12m*3m的大規(guī)格尺寸，單塊重量達(dá)到10t，這給施工安裝及后期更換帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

幕墻BIM團(tuán)隊(duì)采用了Navisworks軟件進(jìn)行幕墻大玻璃安裝過(guò)程的反復(fù)模擬，幫助總包管理團(tuán)隊(duì)和幕墻工程師推敲和尋找施工方案，如圖9所示。通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)外玻璃幕墻施工工藝進(jìn)行預(yù)施工、預(yù)模擬以及輔助專家評(píng)審，最終確定最優(yōu)的施工方案，順利完成安裝。

圖9 外幕墻超透大玻璃安裝工藝模擬圖

3 結(jié)論與展望

在浦東美術(shù)館項(xiàng)目中，VDC/BIM框架從數(shù)字化頂層設(shè)計(jì)的高度，指導(dǎo)BIM技術(shù)與工程項(xiàng)目進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。通過(guò)案例應(yīng)用得出，VDC/BIM框架的產(chǎn)品模型、組織模型、流程模型三個(gè)POP模型在整個(gè)項(xiàng)目的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用中是相互耦合的。不同項(xiàng)目參與方構(gòu)建了不同階段和用途的BIM產(chǎn)品模型，用于錯(cuò)漏碰缺的設(shè)計(jì)模型、用于場(chǎng)地模擬的土建施工模型、用于大玻璃安裝的幕墻模擬模型。所有模型在BIM顧問(wèn)團(tuán)隊(duì)的規(guī)劃和管理下流轉(zhuǎn)，形成了有序高效的工作流程。BIM技術(shù)的應(yīng)用不但輔助解決了項(xiàng)目中遇到的難題，比如室內(nèi)凈空問(wèn)題、大玻璃安裝問(wèn)題，同時(shí)也提升了所有團(tuán)隊(duì)的生產(chǎn)和管理效率，這也VDC/BIM在可視化建模應(yīng)用階段取得的效益。

VDC/BIM框架的應(yīng)用深度取決于BIM技術(shù)在項(xiàng)目的應(yīng)用能力。目前國(guó)內(nèi)項(xiàng)目，錯(cuò)漏碰缺核查、施工模擬等可視化建模技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得廣泛的共識(shí)； 以信息共享和交互為特征的集成化應(yīng)用尚在成熟過(guò)程中； 在5G技術(shù)、人工智能以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)的催生下、業(yè)內(nèi)正在積極探索VDC在自動(dòng)化和智能化階段的更大的應(yīng)用價(jià)值。