连载丨基于BIM技术的南充高坪机场改扩建项目智能建造技术及应用（1）

1 工程概况及重难点分析

南充高坪机场三期改扩建项目航站楼主体工程位于四川省南充市，航站楼主体工程，包含新建2.6万m²的T3航站楼，局部改造T2航站楼并衔接T3航站楼，新建高架桥1座，配套建设航站楼内供电、供排水、消防等设施，新建地下通道2条连接航站楼和外部停车场，如图1所示。

图 1 南充高坪机场改扩建效果

航站楼主体工程采用大跨度钢结构屋顶。在钢结构深化设计中通过Tekla、Dynamo等软件进行三维建模，深化节点及连接形式，对钢结构构件空间立体布置进行可视化模拟及方案优化，有效解决了大型钢结构工程施工图中的设计缺陷，提高了施工质量，减少了后期修改变更，达到了降本增效的效果。

本研究坚持以BIM技术为主导的全寿命周期深度应用，基于BIM模型进行图纸会审、管线碰撞检测和钢结构连接节点深化。在施工过程中，将BIM技术与现代化数字技术，如三维激光扫描技术、GIS工程、无人机航拍、倾斜摄影技术和虚拟现实技术相结合，实现施工技术的全面交底。通过BIM技术结合物联网、人工智能等技术，对施工可能存在的安全隐患进行感知和预警，对现场质量、安全问题进行检查、整改，实现管理闭环。

南充高坪机场作为南充市城市更新的重要组成部分，建成后将为南充市争创省经济副中心，为川渝地区北部中心城市添砖加瓦，项目四大重难点具体如下。

（1）地下管网复杂。航站区内地下管网情况极其复杂，管线种类繁多、纵横交错且机场一期、二期管线图纸缺失。解决方案：通过对施工区域现有图纸及现场探测，形成地下管网三维空间模型网，在此基础上进行开挖区域设计，避免因施工对原有管网造成破坏。

（2）周边环境复杂。现场不停航条件下施工要求严格，施工区域紧邻T2航站楼及机场跑道，施工场地受限，材料堆放及特种车辆进场施工作业受到了极大影响。解决方案：利用航拍、倾斜摄影技术，记录地面场地状态，收集现场数据，校核设计与现场偏差，及时调整BIM模型，实现准确交付。

（3）钢结构复杂、深化量大。大跨度钢结构屋顶节点复杂，航站楼钢结构屋顶施工过程为总进度计划关键线路，施工进度决定着整个工期的进度。解决方案：利用BIM软件对局部型钢进行选型优化，通过Tekla、Dynamo等有限元软件进行三维建模，对钢结构复杂节点进行精确模拟及深化。

（4）地下通道深基坑施工。航站区施工区域狭小，基坑开挖深度8.0 m，同时东西两侧紧邻T2、T3航站楼，深基坑施工组织难度较大。解决方案：基于BIM技术对深基坑开挖支护进行施工工艺模拟、验证和方案比选。通过智能监测预警系统动态监控，确保施工过程的安全。

2 基于BIM技术的智能建造实现方法

2.1 基于BIM技术的智能建造框架

基于BIM技术的智能建造框架是一种集成了BIM和智能技术的综合系统，旨在提高建筑项目的效率、质量和可持续性，BIM技术的应用实现了建筑物全寿命周期的综合管理。

本框架利用BIM技术作为项目的核心数据平台，并结合其他智能技术，如物联网、人工智能算法及其他信息化技术软件，以实现更智能、自动化的建造流程。

该框架以工程项目为导向，将解决工程中重点与难点为目标。以BIM技术作为驱动，该实施框架可服务于建设项目设计阶段、施工阶段、运维阶段。在设计阶段建立基于 BIM 的协同平台设计，通过此平台可以实现各专业模型搭建、各专业模型整合、施工工艺、方案模拟、可视化技术交底及施工安全风险预警。在施工阶段搭建基于BIM的施工过程管理平台，可以实现施工过程中的物料、成本、人员、进度管理以及自动调整BIM模型，并进行安全风险监测预警，自动收集整理施工过程数据并反馈数据库，即实现施工闭环管理。在运维阶段构建基于BIM的运维管理平台，实现运维过程中的能耗、办公、空间、隐蔽工程、资产等管理。

综合应用这些技术和组成部分，基于BIM技术的智能建造框架可以实现建筑项目的全寿命周期管理，从设计到施工再到运维阶段，提高项目的效率、质量和可持续性，降低成本和风险。

本框架体系成功应用于南充高坪机场改扩建项目，推动了建筑行业的数字化转型和智能化发展。南充高坪机场改扩建项目应用基于BIM技术的智能建造框架如图2所示。

图2 基于BIM技术的智能建造框架示意

2.2 基于BIM技术的智能建造平台

在基于BIM技术的智能建造框架驱动下，提出了基于BIM技术的智能建造平台。收集2016~2022 年国内施工事故案例，整理并提取施工工人的不安全行为及工程实体的不安全状态，将数据融合整理形成施工安全风险评价数据库，用以表征LEC法施工安全风险评价指标；通过BIM技术结合LEC法集成“安全风险量化插件”，针对不同施工阶段自动进行施工风险评估与预警，对建造过程中的设备、构件运行状态实时监测，收集施工数据并反馈安全风险评价数据库，进而实现施工管理闭环。基于BIM技术的智能建造平台具体功能包括施工工艺模拟、施工进度监控、施工风险预警、塔式起重机吊钩可视化、噪声扬尘监控、施工现场智能巡检、设备远程调度管理并辅助分析决策等，对整个设计、施工、运维过程进行实时优化分析，实现建筑全寿命周期智能管理。

2.2.1 基于BIM技术的智能监测预警系统

LEC（Likelihood–Exposure–Consequence）法是安全领域中广泛使用的一种风险评估方法，用于半定量地评估工程人员在潜在危险环境中作业时的风险程度，该方法综合考虑了事件发生的可能性、暴露的程度以及后果的严重性，以量化风险水平。相比基于概率及严重度的风险量化方法，LEC法还考虑了暴露度指标，在风险内涵上更全面、准确。LEC法的核心在于给3种因素的不同等级确定不同的分值，并通过分值的乘积评价作业条件的危险性大小。

利用LEC方法量化评估历史事故数据，其计算过程涉及收集、处理、分析海量数据，仅靠人工完成评估工作耗时耗力。此外，使用现有的施工安全规范和标准进行量化评价，同样需要专家手动打分，决策效率较低，急需通过信息化软件工具提供的支持完成自动评估安全风险。

本研究将BIM技术与 LEC法结合，用以施工过程的智能监测预警。首先根据现有图纸及场地建立三维BIM模型，施工现场部署的传感器数据将由信息监测系统上传至BIM模型中，根据现场收集的数据自动识别施工活动并调整BIM模型。基于LEC法的安全风险评价方法定量计算施工活动的综合风险值，并将其集成“安全风险量化插件”，BIM模型不同阶段生成后将自动加载“安全风险量化插件”，对施工活动安全风险进行评估，并给出可能存在的施工安全风险。基于施工安全风险评价数据库，使用算法进行评估和预测，可自动生成潜在的施工安全风险解决方案，并在BIM模型中验证后将其反馈给技术人员。施工完成后，施工过程中采集的数据将自动导入风险评价数据库并生成施工日志及施工报告，对未来进行的施工活动施工风险评估体系进行补充，形成施工管理监测预警闭环（图3）。

图3 基于BIM技术的智能监测预警系统

2.2.2 基于BIM技术的施工方案优化

BIM技术允许建立三维建模，将结构、管道、电气系统等各种建筑元素融入同一模型中，设计团队可以进行碰撞检测，即在设计阶段检测出不同系统之间的冲突和干涉，以避免在施工阶段出现问题，减少了施工中的工程变更和延误，降低了成本提高工程质量和效率。

通过建立三维BIM模型，将改扩建方案立体化、可视化，找出其中不合理、错误的地方，并进行优化。通过方案比选，分析不同方案的优劣，选择成最优的改扩建方案，本项目基于BIM技术进行方案优化，通过标高调整、翻弯避让、路由优化等方式（图4），最终成果美观且避免了各专业的碰撞。通过BIM模型设计验证，有效减少了施工过程中遇到的错漏碰缺等问题。

（a）                       （b）

图 4 管线碰撞检测前后对比示意

（a）修改前；（b）修改后

基于BIM技术进行施工进度模拟，以时间为纬度，结合进度与成本，可以模拟整个施工过程中人工、材料、资金、机械等的消耗，辅助技术人员对材料、构件采购，并对人员分配进行合理安排，从而使总承包与各专业施工分包在施工协调与管理上更为简便。基于BIM的施工模拟技术可以跟踪项目进程，检验施工进度计划是否合理有效，动态调整施工计划，快速分析实际进度是否提前或滞后。

施工过程中应用BIM技术进行动态实时监控与统计，结合南充高坪机场改扩建项目工程特点，利用Navisworks软件，对施工方法及施工进度进行模拟，合理控制施工工期。如图5所示，在同一时间点与模拟施工过程进行对比，有效把控施工进度。

图 5 基于 BIM 技术的施工进度模拟

2.3 基于BIM技术的全寿命周期应用流程

为了指导现场施工并反映现场构件的安装、施工步骤的划分以及施工现场的布置等内容，需要对在设计阶段创建的BIM模型进行改写，施工阶段BIM模型应包括建筑物结构、构件、设备和临时结构，并根据施工方案进行建模。

BIM三维可视化特性解决了二维图纸在空间结构方面表达单一的问题，利用系列软件强大的建模、渲染、动画技术，可以更直观地表达设计理念，包括建筑物的外观、结构、设备、材料等方面的信息，便于设计方向施工方进行技术交底。BIM技术可以将三维可视化作为沟通和协作的工具，通过在模型中标注、注释和交互，项目参与者可以更清晰地表达设计意图、提出问题和提供反馈，从而促进团队间的沟通和协作，减少误解和错误，大幅提高施工效率。

本项目使用Revit软件，根据南充高坪机场航站楼改扩建项目的CAD图纸，建立了BIM模型。采用三维扫描对现有T2航站楼建筑、结构、机电管线进行复测，还原真实场景数据，并形成点云数据模型。随后，严格按照现场施工方案对模型进行施工段划分，并进行模型二次拆分，以便进行后续工程量的统计。

基于BIM技术可实现建筑全寿命周期管理，全寿命周期应用流程是指在建筑项目从设计、施工到运维阶段，通过BIM技术实现信息的无缝传递和协同管理，这种集成化管理的方法可以提高施工过程的效率、质量和安全性，减少资源浪费和成本。

在设计阶段，通过BIM技术可以实现建筑模型的三维可视化和多维数据集成，辅助设计师进行优化设计和冲突检测，同时设计信息基于可视化技术，可以直观地呈现给施工方，减少信息传递的误差和漏洞。

在施工阶段，BIM技术可以用于施工过程的协调、管理及施工风险动态监测预警，通过基于BIM技术集成的安全风险量化插件提前分析预警潜在的问题和冲突，自动生成管理措施，辅助技术人员决策，减少施工现场的变更和调整。

此外，BIM模型还可以用于施工进度管理和资源调度，提高施工效率，减少浪费。在运维阶段，BIM技术可以用于建筑设备的维护和管理。通过建立设备的数字化模型和实时监测系统，可以实现设备远程调度管理，并辅助分析决策，提高设备的可靠性和使用寿命。

南充高坪机场改扩建项目BIM技术在结构全寿命周期中的应用流程如图6所示。

图6 BIM技术在结构全寿命周期中的应用流程