基于建筑信息建模技術(shù)的裝配式建筑施工問題及對策分析*

薛 茹 王新淵 史 科

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，鄭州 450046)

0 引言

裝配式建筑發(fā)展優(yōu)勢是施工工期短、生產(chǎn)效率高、資源利用率高、保護環(huán)境、符合社會可持續(xù)發(fā)展理念;其施工特點是構(gòu)件多、工序復(fù)雜、信息管理難度大且呈動態(tài)變化。而BIM(Building Information Modeling)以其動態(tài)信息化、可視化、全方位性、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等特點，為裝配式建筑施工提供了科學(xué)可行的技術(shù)支持;同時作為一種新型管理理念，甚至可以為建筑全壽命周期管理構(gòu)建更為完善和高效的管理體系。國內(nèi)外學(xué)者將二者的結(jié)合稱之為建筑業(yè)信息化革命，并對其展開了廣泛研究與應(yīng)用探索。從目前研究情況來看，裝配式建筑施工過程中仍存在較多問題，如何運用BIM技術(shù)解決并提

1 BIM技術(shù)在裝配式建筑施工中的應(yīng)用研究

1.1 基于BIM的裝配式建筑施工進度管理模型及信息管理平臺

裝配式建筑施工的參與方多，信息交流繁瑣，往復(fù)率高，而縮短信息傳輸路徑，實現(xiàn)各方協(xié)同管理是BIM技術(shù)應(yīng)用的最大亮點，基于BIM技術(shù)的進度管理模型及信息管理平臺能夠有效解決這一問題。琚娟［1］建立設(shè)計、施工數(shù)據(jù)信息交換流程，通過施工階段對設(shè)計階段基準(zhǔn)模型重新完善與更新，使進度管理模型得到持續(xù)優(yōu)化。李相榮［2］率先集成現(xiàn)有軟件在進度管理方面的優(yōu)勢，構(gòu)建4D進度管理系統(tǒng)，對施工進度管理提供技術(shù)手段支持。構(gòu)件的全過程計劃管理是施工階段進度管理與控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。于龍飛［3］將計算機集成建造系統(tǒng)與BIM技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建涵蓋構(gòu)件施工階段全過程控制系統(tǒng)框架，為BIM及計算機等信息技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑施工管理提供了新的思路。耿小平［4］構(gòu)建的基于BIM施工協(xié)同管理模型，致力于打通現(xiàn)場管理與項目部、企業(yè)內(nèi)部管理流程，實現(xiàn)三者之間信息動態(tài)互動。BIM技術(shù)信息化功能可以實現(xiàn)全過程信息化模型的建立及最終交付。王婷［5］將資料管理機構(gòu)分為企業(yè)內(nèi)部三個層級，綜合運用大數(shù)據(jù)、BIM、云盤等，建立理論上基于BIM施工階段資料管理系統(tǒng)，為參建單位構(gòu)建信息錄入與信息交流傳輸平臺奠定基礎(chǔ)性工作。

1.2 基于BIM的裝配式建筑深化設(shè)計及智能加工

裝配式建筑的設(shè)計要求流程精細(xì)化、設(shè)計模數(shù)化、生產(chǎn)自動化、配合一體化，否則將嚴(yán)重影響施工活動的有序進行，進而影響施工進度。BIM模型深化設(shè)計有效地提高了預(yù)制構(gòu)件設(shè)計完成度與精確度，裝配式建筑裝配率提高對縮短施工工期大有裨益。Caroline M.Clevenger［6］等提出施工技術(shù)人員應(yīng)該參與圖紙深化設(shè)計，能夠提高施工圖紙精細(xì)化程度，大幅度減少施工中設(shè)計變更工作;部分現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)計優(yōu)化工作有利于提高鋼筋綁扎工作效率，同時消除延長工期繳納違約賠償金的風(fēng)險。全專業(yè)集成設(shè)計及裝配是實現(xiàn)裝配式成品住宅的前提，孫悅［7］等運用BIM技術(shù)并結(jié)合項目技術(shù)經(jīng)濟條件，在初步設(shè)計基礎(chǔ)上進行全專業(yè)一體化深化設(shè)計，大幅度免去后期施工中設(shè)計變更工作。構(gòu)件拆分程序與標(biāo)準(zhǔn)既影響到建筑整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，也在較大程度上影響整個生產(chǎn)計劃與安裝計劃對接。信息化技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用為模具設(shè)計加工自動化與流水線生產(chǎn)數(shù)字化控制提供了可能，周沖［8］基于BIM技術(shù)結(jié)合計算機輔助加工技術(shù)，實現(xiàn)了預(yù)制模具加工、混凝土下料、振搗、后期養(yǎng)護翻轉(zhuǎn)等全自動作業(yè)，最大程度地節(jié)約生產(chǎn)時間。可以看到，裝配式建筑作為建筑產(chǎn)業(yè)化最具有代表性建筑形式，其建造過程集成了制造業(yè)、信息業(yè)等眾多行業(yè)在內(nèi)管理系統(tǒng)及手段，其發(fā)展的中心問題是如何實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)集成，特別是在施工進度管理中實現(xiàn)信息集成。

1.3 基于BIM的裝配式建筑場地布置及臨時設(shè)施規(guī)劃

場地布置及臨時設(shè)施規(guī)劃是現(xiàn)場生產(chǎn)活動有序開展的物質(zhì)基礎(chǔ)。BIM技術(shù)可視化使得多方案演示成為可能，而方案合理性可整體提高作業(yè)效率。李飛［9］探索了BIM技術(shù)場地布置方案評價流程，保證了場地布置方案合理性與科學(xué)性。在進一步提高精細(xì)化場地布置方面，賈澤輝［10］考慮現(xiàn)場物料重量、存放位置及其他建筑平面圖因素進行塔吊型號、位置及附著方式選擇，使其完全滿足各階段施工需求。王淑嬙［11］綜合以上兩位學(xué)者的研究，以實際工程為例，綜合考慮設(shè)備選型、運輸路線、現(xiàn)場出入口等因素，運用BIM技術(shù)進行方案預(yù)演，合理劃分工作、生活、生產(chǎn)等六區(qū)，實現(xiàn)塔吊布置、構(gòu)件倉儲位置布局合理化，對整個現(xiàn)場生產(chǎn)活動有序進行奠定了基礎(chǔ)。由此可見，隨著BIM技術(shù)應(yīng)用程度深入，完全可能實現(xiàn)施工現(xiàn)場管理從二維走向三維立體化管理。

1.4 基于BIM的裝配式建筑主體工程進度計劃模擬及控制

主體結(jié)構(gòu)施工階段在整個裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建造工期中所占比例較大，此階段工期控制直接決定了是否會發(fā)生工期索賠事件。高恒［12］針對主體結(jié)構(gòu)施工提出基于BIM技術(shù)進度預(yù)測流程，實現(xiàn)了進度管理柔性控制。施工階段分部分項工程穿插提效，能夠?qū)崿F(xiàn)人力、物力等資源最優(yōu)化投入，國內(nèi)外學(xué)者對此展開研究較多且有逐步細(xì)化趨勢。美國學(xué)者Hyunjoo Kim［13］等基于 BIM模型優(yōu)化工序，通過樓板、門窗等生產(chǎn)安裝效率計算出與此相關(guān)工作的持續(xù)時間，形成主體結(jié)構(gòu)與圍護結(jié)構(gòu)施工穿插安排，減少了建造過程重復(fù)性和多余程序。夏海兵［14］等對標(biāo)準(zhǔn)層吊裝步驟進行精細(xì)化仿真模擬，查找可能存在的動態(tài)干涉，并用于指導(dǎo)現(xiàn)場裝配，避免因施工經(jīng)驗不足導(dǎo)致效率低下。裝配式建筑施工過程中用工量分配對提高勞動力使用效率具有十分關(guān)鍵作用，蔣愛明，黃蘇［15］等運用虛擬施工技術(shù)協(xié)調(diào)各工作程序，使得作業(yè)人員數(shù)量與機械運轉(zhuǎn)效率合理搭配。韓國學(xué)者Jang Sejun［16］提出運用虛擬建造技術(shù)與激光掃描定位技術(shù)對機電、暖通、給排水專業(yè)設(shè)備進行模塊化吊裝，避免傳統(tǒng)分專業(yè)安裝時工序不合理導(dǎo)致的空間沖突。設(shè)備安裝過程工序優(yōu)化減少了人員投入與資源消耗，縮短了安裝時間，提高了裝配式建筑安裝專業(yè)施工效率。

1.5 基于BIM的可視化裝配式建筑施工過程監(jiān)控

裝配式建筑施工過程監(jiān)控是施工管理事中控制最有效的方法之一，也是追求施工項目效益最大化的重要途徑。邱迪［17］針對預(yù)制構(gòu)件數(shù)量多，各方進度管理協(xié)調(diào)難度大的問題，基于BIM技術(shù)提出了以構(gòu)件管理為目標(biāo)，供應(yīng)鏈管理為核心的可視化管理系統(tǒng)，根據(jù)構(gòu)件地理位置及生產(chǎn)狀態(tài)形成可視化信息模型，對整個施工進度進行把控。Jane Matthews［18］結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，通過 BIM云端信息集成技術(shù)，改善現(xiàn)有進度監(jiān)控與進度報告工作流程，對不同區(qū)域施工任務(wù)完成情況進行集成化信息采集，實現(xiàn)現(xiàn)場施工與模型虛擬建造高度同步，管理人員足不出戶便可對施工現(xiàn)場工作進度作出判斷，增強了進度管理時效性與可控度。金文［19］基于 BIM的進度管理模型，隨時查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集人員上傳的進度信息及質(zhì)量問題數(shù)據(jù);可視化監(jiān)控將質(zhì)量問題與施工進度管理掛鉤，分析不同施工隊伍施工進度偏差與質(zhì)量問題，以此確定對勞務(wù)隊伍激勵獎懲措施，問題跟蹤控制有效提高質(zhì)量缺陷、進度偏差問題閉環(huán)率。

2 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工存在的問題

綜上所述，與國外相比，國內(nèi)對BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑施工研究和應(yīng)用均不夠成熟，但可以肯定的是，BIM技術(shù)發(fā)展與深入勢必成為促進建筑工業(yè)化發(fā)展的必要手段，而要真正實現(xiàn)BIM技術(shù)在施工中的應(yīng)用，充分滿足現(xiàn)實和建筑工業(yè)化發(fā)展需要還任重道遠(yuǎn)。

BIM技術(shù)用于裝配式建筑施工存在的問題包括：

1)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并不完善。針對基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工研究不夠深入，尚未形成統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，沒有統(tǒng)一的實施方案，往往需要企業(yè)自身依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范建立裝配式建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與BIM標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果是企業(yè)資源成本、人力投入回報并不能與市場需求掛鉤，且政府一紙文件更可能使得整個企業(yè)前期研發(fā)工作無法繼續(xù);其次，數(shù)據(jù)交換體系不健全，施工階段信息格式轉(zhuǎn)換存在問題，造成信息流動過程數(shù)據(jù)逐步缺失。標(biāo)準(zhǔn)缺乏抑制了BIM技術(shù)與裝配式建筑實踐應(yīng)用效果，實踐匱乏反過來又阻礙了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂與完善。

2)裝配式建筑設(shè)計仍然遵循傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及流程，在預(yù)制構(gòu)件拆分時往往需要對構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)分析與受力驗收，設(shè)計階段成果無法直接滿足施工階段的需要。如何建立能滿足現(xiàn)場施工需要的構(gòu)件信息庫，使得由單純的構(gòu)件設(shè)計過渡到建筑的整體設(shè)計，改革設(shè)計流程及方法，仍需設(shè)計及施工人員積極協(xié)作。

3)政府支持力度及施工企業(yè)推動力度不足。國家發(fā)布一系列政策推動裝配式建筑發(fā)展，但對推進BIM技術(shù)運用方面并沒有相應(yīng)推動政策，政府也沒有明確要求施工企業(yè)必須使用BIM技術(shù)，設(shè)計及施工企業(yè)依舊按照傳統(tǒng)的二維設(shè)計、施工，致使BIM技術(shù)在裝配式建筑施工中應(yīng)用受阻。

4)BIM在設(shè)計與施工中應(yīng)用相互脫節(jié)。BIM技術(shù)應(yīng)用應(yīng)該走向項目設(shè)計與施工合作發(fā)展的完美結(jié)合。目前基于BIM技術(shù)信息交互平臺建設(shè)主建方不明確，各參建單位信息管理權(quán)限沒有明確界定。尤其是裝配式建筑施工需多方參與，協(xié)調(diào)工作難度較大，施工過程中若沒有對建設(shè)項目信息集成，極易形成信息孤島，致使參建單位信息分離。

3 BIM用于解決裝配式建筑施工問題的對策分析

針對BIM技術(shù)在本土化裝配式建筑施工過程中存在的問題，提出如下對策分析，以期為有關(guān)學(xué)者進一步研究提供借鑒，使得BIM技術(shù)發(fā)展更好服務(wù)于裝配式建筑及其他建筑領(lǐng)域。

3.1 政府主導(dǎo)，企業(yè)輔助，發(fā)揮BIM技術(shù)先導(dǎo)作用

1)通過政府指導(dǎo)與行業(yè)協(xié)會引導(dǎo)，大力推動BIM技術(shù)在裝配式建筑施工中的應(yīng)用;BIM技術(shù)在裝配式建筑中應(yīng)用使得企業(yè)對相關(guān)問題更加清晰，需求愈發(fā)明朗，繼而在需求及問題基礎(chǔ)上針對性的完善BIM技術(shù)及裝配式建筑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時，通過裝配式建筑與BIM技術(shù)相應(yīng)法律、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程出臺，降低BIM技術(shù)應(yīng)用成本，借助BIM的先導(dǎo)作用(設(shè)計階段使用)推動其在裝配式建筑發(fā)展中應(yīng)用水平。

2)設(shè)計、施工單位與軟件開發(fā)企業(yè)聯(lián)合開展技術(shù)創(chuàng)新。設(shè)計與施工單位應(yīng)著眼于BIM技術(shù)未來發(fā)展，由設(shè)計及施工人員組成科研團隊，突破傳統(tǒng)建筑的設(shè)計、施工方法及思路，專門分析解決應(yīng)用BIM技術(shù)在裝配式建筑施工階段出現(xiàn)的問題，積極開發(fā)新的BIM應(yīng)用軟件，以期獲得更高應(yīng)用效益。

3.2 產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，集成全產(chǎn)業(yè)鏈條優(yōu)勢

1)加大BIM技術(shù)人才培養(yǎng)力度。作為一項新技術(shù)，要推動BIM在裝配式建筑施工中應(yīng)用，需要復(fù)合型技術(shù)管理人才。施工企業(yè)在投入專項資金購買BIM軟件外，要注重BIM技術(shù)人才培養(yǎng)力度，從熟悉BIM技術(shù)應(yīng)用出發(fā)提高管理手段與能力。同時，作為培養(yǎng)高級專業(yè)人才的高校，也應(yīng)增設(shè)相關(guān)課程，加強BIM教學(xué)、建設(shè)BIM中心等。全行業(yè)產(chǎn)學(xué)研縱向貫通方能實現(xiàn)BIM技術(shù)與裝配式建筑最佳效益。

2)集成企業(yè)在裝配式產(chǎn)業(yè)鏈條上的優(yōu)勢。應(yīng)用BIM技術(shù)在施工工藝研發(fā)、過程咨詢、建筑品質(zhì)第三方檢測等方面加強企業(yè)合作，實現(xiàn)裝配式全產(chǎn)業(yè)鏈條跨組織聯(lián)結(jié)，從而實現(xiàn)裝配式全生命周期優(yōu)化管理，從而避免單從施工現(xiàn)場管理尋求效益最佳。

3.3 借助信息技術(shù)，加快BIM技術(shù)推廣應(yīng)用

1)裝配式建筑獨特的構(gòu)件采購運輸管理模式，類似于物流管理、批量生產(chǎn)等，可以將及時化生產(chǎn)、精益建造、柔性制造系統(tǒng)、大規(guī)模定制等管理理念融入裝配式建筑施工中，運用BIM技術(shù)實現(xiàn)裝配式建筑工業(yè)化生產(chǎn)，使得生產(chǎn)速度、信息有效性、資源及時性等方面得到提升;同時，面對客戶對住宅需求多樣化和裝配式建筑本身戶型單調(diào)性，大規(guī)模定制理念在基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工中應(yīng)用，以其低成本與定制化的同時實現(xiàn)滿足裝配式建筑客戶需求的多樣化，增強了全產(chǎn)業(yè)鏈條靈活性與響應(yīng)能力。BIM加信息技術(shù)的使用，使得在施工過程中根據(jù)客戶戶型需求改變原有設(shè)計方案及戶型方案成為可能。

2)構(gòu)建構(gòu)件資源與施工信息互通的管理平臺。裝配式建筑施工管理效益最大突破口是實現(xiàn)設(shè)計、采購、施工一體化，將BIM與RFID技術(shù)結(jié)合用于構(gòu)件的設(shè)計、采購及施工安裝，將會大幅度推動裝配式建筑的發(fā)展。設(shè)計階段，將BIM模型中構(gòu)件信息與生產(chǎn)廠商共享，使得設(shè)計數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為加工參數(shù);采購進場階段，通過構(gòu)件中嵌入的RFID芯片了解構(gòu)件詳細(xì)信息，方便構(gòu)件的采購與保管;施工階段，通過查看芯片上構(gòu)件的安裝部位等關(guān)鍵信息，對安裝工序進行檢查，有效提高安裝效率及施工質(zhì)量。

3.4 以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，推動裝配式建筑智慧建造平臺的建設(shè)

1)裝配式建筑施工過程參與方眾多，信息交流繁瑣復(fù)雜。傳統(tǒng)的單向雙方溝通管理模式無法滿足裝配式施工信息交流的需求。BIM技術(shù)作為手段，可以將技術(shù)研發(fā)、技術(shù)咨詢、整體設(shè)計、裝配施工、構(gòu)件生產(chǎn)、物流運輸?shù)纫幌盗薪ㄖ髽I(yè)連接起來，實現(xiàn)裝配式建筑下跨組織鏈?zhǔn)骄W(wǎng)狀聯(lián)結(jié)，使得信息流動及時化、信息內(nèi)容無損化、產(chǎn)業(yè)集成信息化。

2)BIM技術(shù)可以有力地支撐建設(shè)項目管理走向信息化、模型化。前沿技術(shù)開發(fā)將裝配式施工特別是現(xiàn)場管理、機械管理、人員管理、物料管理、物聯(lián)監(jiān)測等無縫對接，將施工各崗位信息孤島連接成鏈?zhǔn)骄W(wǎng)狀矩陣，主系統(tǒng)加客戶端的管理手段實現(xiàn)問題責(zé)任到人，問題整改閉環(huán)率極大提升。可見，在BIM應(yīng)用基礎(chǔ)上建設(shè)智慧建造平臺是未來BIM技術(shù)發(fā)展的趨勢。

4 結(jié)束語

基于現(xiàn)狀分析與對策研究，BIM技術(shù)對推動裝配式建筑發(fā)展的重要性不言而喻，下一步如何將BIM技術(shù)與裝配式建筑施工深度融合，需要在政府強力推動情況下，通過行業(yè)引領(lǐng)、品牌效應(yīng)、人才培育等，經(jīng)過設(shè)計、施工及軟件開發(fā)企業(yè)多方協(xié)作，共同努力，真正推動裝配式建筑發(fā)展，進而促進我國建筑行業(yè)的工業(yè)化變革。