基于BIM技术的大型复杂项目协同管理平台研究

　　1背景工程概述
　　上海国际金融中心位于上海浦东新区竹园商贸区A1、A2、A3地块，地处陆家嘴金融城东扩的核心功能区。包含上交所项目、中金所项目、中国结算项目3个单体（以下简称：＂上海国际金融中心＂项目），集金融办公、金融交易、金融业务展示、金融文化博览、投资者教育及配套高档餐饮、休闲等为一体。项目设计为3栋高层塔楼和5层连通的整体地下室组成的建筑群，总建筑面积516808m2，其中地上269636m2，地下247172m2。
　　项目地下5层，地上22～32层，建筑高度143～200m，计划总工期1388d。地面以上为3幢独立采用双核心筒的框架-核心筒体系超高层办公楼，呈三足鼎立的＂品＂字形分布，无裙楼；在距地40～60m处设有＂T＂字形连廊，分别与上交所、中金所和中国结算的7F、8F、9F连通，将3幢塔楼连成整体（图1）。
　　图1上海国际金融中心＂项目立面示意
　　同时，其基坑采取顺逆结合的施工方案，对于整个工序的组织和场地的布置都会带来不少影响。
　　2大型复杂超高层顺逆结合项目管理难点
　　2.1复杂工序条件下（超大体量超高层工程）的施工进度控制本工程项目的基坑开挖深度将近30m，土方量近150 万 m3。由于分为纯地下室逆作区域和剧院塔楼顺作区域，所以土方开挖形式多样。同时，因为＂顺逆结合、同步交叉＂的土方开挖特点，也使得支撑形式＂方圆结合＂，既有顺作区域的上交所、中金所的圆环支撑和中国结算的对撑角撑体系，又有逆作区域临时支撑和永久结构楼板相结合（图2）。
　　图2基坑分区及支撑示意
　　交叉施工中的制约因素甚多，如塔楼的顺作开挖需要等到表层整体逆作完成，纯地下室的逆作挖土需要等到塔楼地下1层结构完成，而支撑廊桥的核心筒位于金融剧院区域，廊桥的施工受地下金融剧院的制约影响大。基坑的复杂因素在一定程度上给施工进度的控制带来了一定的挑战。
　　对于总工期只有1388日历日的超大体量超高层的工程而言，复杂的施工工序将为施工进度的把控带来很大的困扰。如何控制好各里程碑并在里程碑内及时调整好工期安排将成为本工程的一大难题。
　　2.2  狭小施工场地下多阶段机械动态布置与场地规划
　　本工程施工场地面积极其狭小，同时由于顺逆结合场地不同阶段的布置有较大不同，且将有不同的机械进出施工现场，故材料堆场的位置也一直在发生变化。本工程由于场地有限、运输能力有限，所以很多物料需提前布置好，特别是在塔楼上部结构和纯地下室逆作区域同时施工的阶段。这就涉及到了现场的堆场布置。现场的仓库、加工厂、预制构件堆场都需要在实际进行前做好规划，并能够实现在施工中依据主要矛盾的变化适时调整。只有这样，才能满足高峰期间施工作业有条不紊。
　　2.3超大、超长、超深顺逆结合地下空间结构与双核心筒钢混塔楼施工质量控制
　　本工程上部3幢混凝土核心筒钢外框混合结构体系的塔楼，普遍楼层高度在5.5～6.0m之间，最高达12m。而每一层楼层平面布置又极不规则、楼层缺失严重，大堂高度达40m，中庭高度更高达97m。
　　主楼核心筒和钢结构施工不同步，二者承受荷载不同，混凝土和钢材两种材质的变形系数不同，因此在施工中应当及时控制核心筒和筒外钢结构的竖向变形。由于钢结构构件多、单件质量大、跨度大，所以钢结构和土建的交叉施工也将有一定的影响。
　　此外，虽然3幢塔楼是各自独立的建筑，但是由于有廊桥相连，所以应当严格控制施工质量以满足其变形协调。为了能够保证本工程的施工质量，一方面我们要做出环环相扣的完善施工工序并严格执行，另一方面我们需要提高施工质量的管理手段。而对于上海国际金融中心这种超大型复杂建筑，拥有合理的施工质量管理手段才能够防患于未然，保障施工工序的执行。
　　2.4参与方众多的信息化工作流程规范问题
　　本工程作为一项超大型超高层群体建筑，工程项目参与方的组成极为复杂。业主方既有统一的要求，又分别对各自单体工程有管理要求，故而不但有3家业主，还有为此而成立的项目管理公司、方案设计方、施工图设计方、各种的设计顾问、施工总承包方、各个专业分包方以及3家监理等。由于工程项目的信息量浩大冗杂，所以参与方众多为工程的管理带来的首要难题就是信息在众多参与方之间传递、沟通、修改的准确性和时效性。其次，在各方合作交流的过程中，会产生大量的文件，急需通过信息化手段进行规范化管理。
　　3基于BIM技术项目管理平台的解决方案针对项目中的以上难点，通过与清华大学、九碧木公司等高校及专业研发单位的合作开发，从需求梳理到实现方式上都进行了深入的研究，并通过以下手段解决。
　　3.1  通过基于BIM技术的4D信息管理平台进行进度管控
　　所谓4D信息模型，就是在建筑三维模型的基础上集成时间维度，通过信息技术手段将施工过程信息与模型的相应构件相链接，形成按照时间进展集建筑设计与施工信息可视化模拟于一体的四维模型。由于4D信息模型中不仅包含了反映建筑几何特征的设计信息，还包含着项目的施工信息，因此，除了可对施工过程进行模拟外，还可支持施工过程的分析及参与方之间的交流协作。
　　4D信息模型的创建不但有利于大型复杂项目的施工进度安排，而且对缩短施工工期、降低施工成本、提高施工管理水平和劳动生产率也会起到一定的作用。在BIM系统中主要从以下几个方面对传统的施工进度管理方式进行了基于BIM的信息化改进。
　　3.1.14D施工过程模拟
　　首先可以通过设置各种施工模拟参数来控制整个施工过程的模拟方式进行4D施工过程的模拟。这一点无疑解决了传统施工进度管理软件的平面二维不够直观的缺点，无论业主还是施工单位都可以通过施工过程的模拟清楚地了解到整个施工过程的进展。
　　3.1.2施工状态信息显示在进行4D施工工程模拟过程时，我们不单单只是为了观看动态化的模拟过程，更关注在每一个施工动态状态下所包含的信息。采用BIM技术作为出发点的根本就在于可以集成大量的信息，而不只是一个随时间变化的动画展示。故而在整个实施过程中还能有效地查看相关时间信息，动态的资源信息（图3）。
　　图3  4D施工状态信息显示
　　3.1.3实际进度与计划进度的比对分析我们在BIM系统中通过在B/S端填报项目进度，BIM系统的C/S端可以方便、快捷地从B/S的后台数据库中读取实际进度数据，并实时显示施工的实际进度内容，包括实际开始时间、实际结束时间、完成百分比和延误原因（与当前总体计划相比）。一经选择指定的日期后，我们还可以对WBS节点或施工段进行进度计划执行情况的跟踪功能，将实际进度与计划进度进行对比分析（图4）。
　　图4实际施工进度对比分析
　　在实际施工过程中，会涉及到实际进度的前置或后滞问题。对于前置任务，可以在BIM系统查找选中任务节点的所有前置任务，并列出其计划开始与结束时间、负责单位、完成情况等信息。同时，根据负责单位过滤相关前置任务可以极大地方便使用人员浏览前置任务的完成情况。对于后续的任务，BIM系统会分析进度中所有受影响的任务，并用黄色标出开始和完成时间将受滞后影响的任务。
　　由于在施工进度计划中预先设置了里程碑节点，即进度关键点，一旦当某项工作的实际进度晚于当前总体进度计划且此项延误将影响到里程碑节点的按期完成时，4D-BIM将给出进度预警，把受到影响的WBS节点标红，并通过B/S端给相关人员发送短信或邮件提醒。在C/S端点击＂进度关键点查看＂菜单项，在弹出的进度关键点列表窗口中可以查看超出天数，并及时做出调整方案（图5）。
　　图5进度滞后预警
　　3.2  基于BIM技术的现场布置与动态机械管理本工程体量大，一次性投入的人力、物力、机械较多，但是场地有限、运输能力有限，而且在施工的不同阶段施工现场的仓库、加工厂、预制构件堆场都有不同的施工布置。为了保证场内交通顺畅和工程安全，减少现场材料、机具二次搬运，利用BIM技术动态地对场地和机械进行管理。通过建立各施工阶段的3D施工现场设备和设施模型，同时将模型与场地施工进度进行链接后，就形成了与场地实体具有进出场或爬升动作的搭接关系的4D场地布置模型。
　　可以预先在电脑中看到现场场地布置过程中可能会发生的冲突并提前做出解决方案，避免影响整个工程的施工进度。同时，一旦项目施工进度在施工过程中产生突发情况，需要依据主要矛盾的变化而适时调整时，4D场地布置模型中的实体进出场或爬升时间也将会随之调整，实现高峰期间的交叉施工作业有条不紊。此外，对于施工现场的堆场，在＂场地管理器＂面板中显示场地堆料的名称和单位属性，并通过简短的称谓来表明各划分场地及其功能（图6）。这样在施工的过程中，我们可以通过选取设施实体查询其名称、标高、类型以及计划设置时间等施工属性。
　　图6  BIM系统中施工场地设施的信息管理
　　对于施工阶段的最重要动态机械——塔吊，为了直观显示塔吊工作过程中高度和位置的变化并满足4D施工安全管理中的动态碰撞检测，将塔吊模型与WBS关联，根据塔吊爬升计划，与其他构件一起实现塔吊爬升过程模拟。通过查询塔吊的施工工序节点的名称获得高度参数信息，而爬升时间信息则可通过WBS直接获取。
　　3.3基于BIM技术的施工质量与安全控制
　　大型复杂项目在施工过程中就要严把质量安全关，把质量安全控制作为施工监控的重点内容。除了常规的加强巡视，还通过信息化手段针对本工程的施工过程质量安全进行事前控制，包括：以工序质量安全控制为核心、设置质量安全控制关键点、流程化质量安全检查。
　　而这其中，设置质量安全关键点是对质量进行预控的有效途径。为了能够更有效地对施工质量安全进行管理，在编制施工方案时，已经根据工程特点，综合考虑重要性、复杂性、精确性、质量安全标准和要求选择好了质量安全关键点，并在BIM系统的C/S端通过＂关键点标记＂的操作直接将质量安全关键点标记到模型构件上。
　　我们在BIM系统上主要从数据结构化和流程网络化2个角度来实现对施工质量安全关键点的把控。BIM系统可以改善这种传统模式下的弊病。项目经理在施工现场将通过手持的移动端电子设备对发现的施工质量问题进行拍照，然后对问题进行简要的描述即可将其发给其他相关工作人员。通过BIM系统C/S端的开放数据传输口，系统自动可以将静态图片和基于图片的质量类型和质量情况描述形成质量整改单或者质量验收单推送到BIM系统的B/S端。相关的工作人员通过登陆B/S端即可同步获取相关的质量关键点信息。
　　图7为在BIM系统的B/S端上传文件。
　　图7BIM系统中B/S端信息填报上述的质量安全关键点控制主要是通过文件内业的方式进行监控和管理，然而施工现场的高度动态变化要求我们能够对动态结构和设备进行全天的监控。
　　本工程规模大、施工形式复杂，而且施工场地小，所以我们特别在BIM系统中定制开发了针对场地和设施等施工资源可能存在的碰撞，尤其是针对核心筒爬模施工和塔吊爬升过程中可能产生的场地实体碰撞进行检测分析和排查的功能（图8）。塔吊塔臂旋转碰撞冲突示意碰撞冲突检测结果塔吊与结构碰撞冲突示意塔吊位置调整后结果
　　图8塔吊的碰撞检测示意
　　根据项目实际情况，我们在BIM系统中将塔吊的碰撞检测分为以下3种情形。
　　1）  由于塔吊安装在核心筒中，而核心筒采用爬模施工，两者在施工过程均需要爬升，需要模拟塔吊爬升和核心筒爬模爬升过程中的碰撞检测。
　　2）塔吊爬升过程中，塔吊支架和核心筒内部的桁架结构之间的碰撞检测。
　　3）塔吊爬升过程中与其他构件的碰撞检测。当检测到使塔吊发生碰撞的时间点时，可通过BIM系统将施工场地设施在图形平台中标红来提示施工单位管理人员，在事故发生之前预先做出应对措施。
　　3.4基于BIM平台的信息存储传递与流程管理在项目中有着浩大冗杂的信息需要在众多的参与方之间传递、沟通和修改。但就施工阶段而言，为了保证工程的施工质量、施工进度，必须要保证信息的准确性与时效性。
　　1）  这里所谓的信息是一个广义上的概念，包括：梁柱墙板的构件截面、位置排布、材料强度等的相关设计信息；对于现场施工管理而言，需要施工进度安排、施工劳动力管理、施工材料机械的采购运输进出场等施工信息。同时所有的信息均应与现有的文档之间有相互的关联性，通过文档的关联有效地管理信息。由此可见，整个施工阶段的信息虽然在不同层面上有着不同的表现，但每个层面的信息都是复杂而多样的。如果不能合理地解决繁杂的信息在各个部门之间的存储传递流程，势必会影响到工程的施工流畅性，为工程的管理带来难度。
　　2）  因此，通过在BIM系统的B/S网络云端建立数据库来实现信息的存储，并通过设置不同的访问权限以及内置网络流程来简化并将信息的传递流程化，进而达到各部门既能各司其职又能协同高效地完成工作的目的。
　　4结语
　　大型复杂项目具有施工技术难度高、施工组织复杂、参与方众多等特点，利用基于BIM技术的信息化管理平台能够更有效地梳理流程、整理储存管理资料。同时利用信息化的分析功能采用电脑辅助分析相关施工方案，优化施工流程、控制施工进度、减少返工，从资源有效利用的角度实现绿色建造。但是同时，信息化平台需要各方的参与，其推行具有一定难度，也需要进一步落地。