为提高上海国际金融中心项目的建设管理水平，项目建设方与清华大学合作，在项目建设过程中以建设方主导模式应用BIM和4D-CAD技术。针对建设方应用BIM的需求和特点，提出了跨平台的多参与方协同4D施工管理技术，开发了“基于BIM的上海国际金融中心项目4D建设管理系统”和“基于BIM的上海国际金融中心项目综合管理系统”，并应用于实际工程中。通过创建和管理项目各阶段各专业的BIM模型，实现了项目从设计到施工的全方位BIM应用。本研究为建设方主导的BIM应用提供了方法、技术、系统和应用示范，可明显提高工程建设的管理水平和效率。
为提高上海国际金融中心项目的建设管理水平，项目建设方与清华大学合作，在项目建设过程中以建设方主导模式应用BIM和4D-CAD技术。针对建设方应用BIM的需求和特点，提出了跨平台的多参与方协同4D施工管理技术，开发了“基于BIM的上海国际金融中心项目4D建设管理系统”和“基于BIM的上海国际金融中心项目综合管理系统”，并应用于实际工程中。通过创建和管理项目各阶段各专业的BIM模型，实现了项目从设计到施工的全方位BIM应用。本研究为建设方主导的BIM应用提供了方法、技术、系统和应用示范，可明显提高工程建设的管理水平和效率。
1 工程概况
为了提高上海国际金融中心项目的建设管理水平，确保项目设计、施工和运营高效、优质地顺利进行，项目建设方上海竹园工程管理有限公司与清华大学合作，在项目的全生命周期中全面应用建筑信息模型( building information model /modeling，BIM) 技术。建设方受上海证券交易所、中国金融期货交易所、中国证券登记结算有限责任公司三业主单位的共同委托，负责上海国际金融中心项目的建设与管理。上海国际金融中心项目总占地面积5. 53万m2，设计为由3栋高层塔楼和相连的整体地下层组成的建筑群，3塔楼高度分别为200，180m和160m。项目总建筑面积近52万m2，其中地上27万m2，地下25万m2。上海国际金融中心项目以营造“科技、智能、环保、节能”的现代化金融办公园区为目标，建成后将成为中国资本市场崛起的象征和上海市的新地标。
针对建设方管理工程的特点和本项目的实际需要，上海国际金融中心项目的BIM建设综合应用BIM和4D-CAD技术，研究建设方为主导的多参与方协同管理方法，提出C/S与B/S相结合的跨平台4D施工管理技术。并在清华大学已有“基于BIM的工程项目4D动态管理系统”( 简称4D-BIM系统) [1]的基础上，定制开发“基于BIM的上海国际金融中心项目4D建设管理系统”，并应用于项目的施工管理全过程，实现了施工进度、人力、材料、设备、成本和场地布置的4D动态集成管理及施工过程的4D可视化模拟。在BIM技术研究和4D施工管理系统应用的基础上，应用Web技术研发了“基于BIM的上海国际金融中心项目综合管理系统”，针对项目多参与方相距各方、地处异地，实现基于互联网的多参与方协同管理，从业务管理、实时控制和决策支持3个维度，为业务人员提供了业务管理工具，为管理人员提供了管理控制手段，为决策人员提供了决策分析依据。本项目通过建立和应用项目的设计、施工BIM模型，实现了基于BIM的建筑性能分析、碰撞分析以及跨平台的多参与方协同4D施工管理，为建设方主导的建设过程BIM应用提供了方法、技术、系统和应用示范。
本文将从BIM的应用模式、管理技术、系统研发和应用实施等多方面阐述该项目的BIM研究和应用情况，为促进BIM技术在大型工程中的进一步深入应用提供技术借鉴和工程示范。
2 建设方为主导的BIM应用模式
由于BIM的核心价值体现于解决工程项目中多参与方和多专业信息交换与共享的问题，因而需要建立能够协调多参与方的应用模式。工程项目的众多参与方中，唯有建设方( 业主) 能够保证与众多参与方建立直接或间接的合约关系，因此，建设方驱动的BIM应用模式不仅符合BIM的理念[2]，并且有助于其推动实施[3]。同时，建设方相比其他参与方能够参与到项目的更多阶段，尤其在自建自用型项目中，建设方可以参与规划、设计、施工和运营维护全过程，因此建设方驱动的BIM应用模式有利于贯穿项目始终，实现项目的全生命周期管理。
建设方驱动的BIM应用模式按照应用的主导方不同又可以分为设计主导、咨询辅助、业主自主3种，分别具有不同的特点和适用情形[4]。其中咨询辅助和业主自主的模式更适于大型工程和涉及全生命期的深度应用，两者的区别在于业主自主模式需要建设方自建BIM团队，投入较大且成效较慢，对于非从事大量多次建设的业主而言可行性较低;而咨询辅助模式通过专业的BIM团队与建设方配合，专业性能够保证而且经验丰富，容易取得较好的应用效果。
本项目以清华大学为主要BIM咨询方，采用建设方主导、咨询辅助的模式进行BIM的应用实施。具体的组织实施方式如图1所示，在设计阶段，BIM咨询方根据多家设计企业提供的设计图纸建立BIM设计模型，并进行基于BIM的模拟与性能分析，提出设计优化改进建议，通过图纸与模型的迭代修改辅助完成设计工作; 在施工阶段，建设方与各个施工承包方共同应用咨询方研发的基于BIM的4D施工管理和项目综合管理系统进行施工过程的管理，围绕建设方对工程施工的管理需求，同时兼顾各方的业务流程，明确各参与方在系统应用过程中的工作流和权责，协同应用、协同管理，利用BIM技术和系统应用进行项目的全方位管控。
图1 建设方主导的BIM应用模式
本项目在实施初期即制定了完整的BIM实施方案，明确了设计、施工、运维3个主要阶段的应用点、应用流程和应用目标，图2为面向施工阶段的多参与方协同BIM应用流程，该流程从设计方提交设计成果开始，在咨询方依据设计图纸建立的设计模型的基础上，加入工程进度计划、工程预算、场地布置等施工信息形成4D施工BIM模型，通过基于BIM模型的碰撞检测、仿真分析、施工动态模拟对设计结果和施工计划等进行深化和优化。工程开工后，施工总承包和分包方在基于BIM的项目综合管理系统中填报工程施工的进度数据和质量数据，在系统中经过监理方的监督与审核，最终与4D施工管理系统中的施工BIM模型相集成并呈现给建设方的相关管理部门，支持建设方对工程施工状况的实时管理和控制。
3 基于BIM的跨平台协同4D施工管理
图2 多参与方协同应用流程
图3 跨平台协同4D施工管理系统架构
本文在传统的4D施工管理系统和应用的基础上[1,5]，结合上海国际金融中心工程施工管理中的实际需要，提出了跨平台的协同4D施工管理技术并进行了系统研发和应用，即在管理操作过程中同时应用C/S架构的“基于BIM的4D施工管理系统”与B/S架构的“基于BIM的项目综合管理系统”。通过两个系统之间无缝的业务交互和数据与模型链接，实现更为便捷和丰富的用户体验，同时为数据的采集拓宽渠道和增加灵活性。
如图3所示，本研究在基于C/S架构的4D施工动态管理系统、4D施工过程模拟与优化系统以及4D施工安全与冲突分析系统应用的基础上，采用Web技术研发基于B/S架构的适用于建设方对上海国际金融中心项目管理的“基于BIM的项目综合管理系统”，并通过服务器端的数据和业务交互，实现项目综合管理系统与4D施工管理系统的无缝集成。通过建立清晰的业务逻辑和明确的数据交换关系，强调项目管理的协同效应，实现业务管理、实时控制和决策支持3 个维度的综合项目管理。其业务管理涵盖业主方主要项目管理业务，将业务数据与4D管理系统中的BIM数据进行双向链接，从而实现各项业务之间的关联和联动，并根据业务人员、管理人员和决策人员的不同需求量身定制相应的功能模块( 见图4) ，为业务人员提供业务管理工具，为管理人员提供管理控制手段，为决策人员提供决策分析依据，实现基于互联网的多参与方远程协同管理。
图4 基于BIM的上海国际金融中心项目综合管理系统功能模块
4 项目实际应用
4.1 分阶段创建各专业BIM模型
由于设计方法、相关法规、配套工具等不完善，目前国内的设计企业尚不具备真正的BIM设计能力，BIM建模不得不作为设计之外的独立工作进行。该工作一般由专业建模团队完成，也有由设计企业提供的情形。本项目中综合了多种情况，地下工程部分模型由设计方提供，咨询方建模团队建立主体结构的方案、初步设计和施工图设计模型，施工总承包方负责建立施工模型，所有模型通过Revit系列软件建立。建模工作中，业主委托咨询方建立了详细的建模标准与技术规程，同时监督审查各方的模型质量，保证模型在各阶段的应用效果。各阶段建立的BIM模型满足如下需求：①初步设计阶段根据建筑方案图，建立建筑方案的BIM模型，可辅助各专业建筑性能化分析和优选；②施工图设计阶段根据建筑、结构、建筑设备专业设计图，建立建筑、结构、建筑设备的BIM设计模型，可为建筑构件与设备管线的碰撞检测、材料及设备管理提供模型和数据支持；③施工阶段根据施工方案和设计变更，建立建筑、结构、建筑设备的BIM施工模型，可导入到4D施工管理系统和基于BIM的项目管理系统应用；④竣工阶段根据竣工图修改建筑、结构、建筑设备的BIM模型，可作为运营管理BIM建模的基础模型。
4.2 设计阶段的BIM应用
1) 设计优化 通过建立多专业的BIM模型和模型整合，基于模型进行设计探讨，对设计中的重点部位进行模拟分析，并就内部管线布置、空间净高、用钢量计算等提出有针对性的优化建议。
2) 日照与遮挡分析 通过将BIM模型导入Autodesk Ecotect Analysis中，进行整体建筑遮挡和室内日照的模拟与分析( 见图5) ，为建筑设计提供参考。
图5 日照与遮挡分析
3) 消防疏散模拟分析 通过将BIM模型导入消防疏散模拟仿真软件STEPS中，进行3栋塔楼及重要场所( 如廊桥、金融剧院、地下车库等) 的消防疏散模拟分析，并对防火分区以及消防楼梯的设置提出优化建议。图6为金融剧院消防疏散模拟。
图6 金融剧院消防疏散模拟
4) 地下室车道的交通分析 通过自主开发的基于BIM模型的车道仿真软件进行地下室车道的交通分析，发现车道设计的空间问题，通过协调建筑、结构方案获得最优的设计结果。图7为地下室车道的交通分析。
5) 碰撞检测 在施工图设计阶段，进行综合布线模拟与交叉专业模型之间的碰撞检测，以减少施工中“错漏碰缺”等错误的发生。
4.3 施工阶段BIM应用
4.3.1 基于BIM的4D施工管理
结合上海国际金融中心项目的实际应用需求，本研究在建设方主导的应用模式下在建设方各职能部门应用研发的“基于BIM的上海国际金融中心项目4D施工管理系统”，根据设计图纸、施工计划和方案，建立工程项目的三维模型，完成项目WBS、进度计划、资源管理、施工场地布置的相关数据录入，生成项目的4D施工信息模型。进行基于网络环境的4D进度管理、4D资源管理、4D施工场地管理、4D施工安全分析和4D施工过程可视化模拟等功能，实现了施工进度、人力、材料、设备、成本和场地布置的4D动态集成管理以及施工过程的4D可视化模拟。图8为基于BIM的4D施工管理应用。
图7 地下室车道的交通分析
1) 进度管理 施工方在综合项目管理系统中填报的实际进度数据，经过归并处理后会成为4DBIM系统中的进度计划WBS，并自动关联到BIM模型中的建筑构件。通过实际进度与进度计划相对比，从而实现4D过程模拟、4D进度控制、追踪分析、滞后分析和前置任务分析等功能。比如，可以按指定的时间段对整个工程、WBS节点或施工段进行进度计划执行情况的跟踪分析、进行实际进度与计划进度的对比分析。当某一任务延误后，系统自动分析后续任务受到的影响，提醒管理者有针对性地管控进度，保证工期。
2) 资源管理 本研究通过开发数据接口，导入由算量软件生成的项目工程算量数据，并与WBS和3D模型实现关联，通过工程量清单与构件的关联进而得到按照进度计划随时间分布的动态工程量，工程人、材、机资源消耗和工程成本数据。通过与项目综合管理系统填报的实际资源消耗进行对比，实现了针对任意施工对象在任意时间段内的工程量、资源用量以及工程成本的动态查询与分析。
3) 场地管理 在4D-BIM系统中可以进行3D施工场地布置，自动定义施工设施的4D属性。将场地布置与施工进度相对应，从而形成4D动态的现场管理。可以布置施工红线、围墙、道路、现有建筑物和临时房屋、材料堆放、加工场地、施工设备等场地设施。在场地布置过程中，可以进行场地设施之间以及场地设施与主体结构之间的动态碰撞检测。
图8 基于BIM的4D施工管理应用
4.3.2 基于BIM的项目综合管理
基于BIM的项目综合管理系统的应用实现了项目信息的远程填报、审核与查询，通过信息集成，经过审核的远程填报的实时施工数据最终集成到4D-BIM系统中，直接与施工BIM模型相关联，实现了跨平台的多参与方协同4D管理。实际应用中，施工方负责实时上传施工进度、施工质量、安全记录、工程量等数据，勘测方负责上传仪器检测数据。施工方上传数据后系统会自动通知监理方对施工数据进行审核，监理方同时负责上传质检表。该系统基于B/S架构，方便易用，各参与方可以通过平板电脑在3G网络下进行数据输入和浏览。通过Web浏览器实时获取各参与方从项目管理系统录入的数据，并且数据与BIM模型相关联，4D-BIM系统中相关的施工单元或构件上都能查询到远程填报信息。图9显示了基于BIM的项目综合管理应用。
5 结语
本文针对建设方管理大型复杂工程中应用BIM技术的特点和实际应用需求，综合应用BIM和4DCAD技术，提出了面向多参与方的跨平台的协同4D施工管理技术，开发了“基于BIM的上海国际金融中心项目4D建设管理系统”和“基于BIM的上海国际金融中心项目综合管理系统”，并应用于实际工程中。通过创建和管理项目各阶段各专业的BIM模型，实现了项目从设计到施工的全方位BIM应用。应用表明，通过跨平台的协同4D施工管理，可有效地辅助建设方和施工承包方收集管理施工中产生的数据，方便将实时施工数据与BIM模型相集成，结合4D技术实现工程的动态、集成和可视化的施工管理和工程模拟。本研究为建设方主导的全生命期BIM应用提供了方法、技术、系统和应用示范，可明显提高工程建设管理的信息化水平和效率。
