基于BIM的裝配式建筑集成建造系統的應用

孟琳

(陜西交通職業技術學院,西安 710018)

0 引言

裝配式建筑是將施工所需的柱、梁、樓板、墻體、樓梯等建筑構件預制好，在工地進行拼裝完成的建筑構造形式，其具有綠色環保、建造效率高及質量好等優勢性，與傳統現澆建筑不同，裝配式建筑對設計單位、生產廠家、施工單位等參與方的協同性提出了更高的要求，且自身具有標準化設計、工業化生產的特點，信息化技術已經成為裝配式建筑發展的重要工具和手段。而BIM技術是在計算機輔助技術CAD基礎上發展起來的多維建筑模型信息集成管理技術，是推動建造方式向三維數字化方向轉變、提升建筑產業信息化水平的關鍵支撐，且通過借鑒CIMS(計算機集成制造系統)的成功經驗，可實現裝配式建筑集成建造系統的構建，針對此，本文將根據裝配建筑信息化工業化發展需求，引入BIM-CIMS裝配式建筑集成建造系統的概念，并根據其功能定位就其系統整體框架、各功能模塊及支撐系統設計進行了細化分析，同時結合實際項目應用，分析了建筑設計階段BIM-CIMS系統的具體應用效果，驗證了其可行性。

1 BIM-CICS系統的功能界定

裝配式建筑是通過預制構件的標準化設計、工業化生產、組裝式施工而完成的一種新型建造模式，工業化、信息化及標準化是其基本特質[1]，但因為建筑主體及流程的復雜性，使得建造過程的協同及全生命周期管理成為了難題，而BIM技術具有信息集成和工作協同的優勢，CIMS系統在制造業中的離散型生產方式和供應鏈管理模式，與裝配式建筑的工業化建造存在共性，為此，本文融合兩者的優勢，提出了基于BIM裝配式建筑集成建造系統概念，也即BIM-CICS系統(Computer Integrated Construction System，CICS)，其將市場分析、產品設計、構件生產、存儲運輸及施工裝配等集成為一體[2]，為裝配式建筑集成建造提供全過程管理支撐，功能定位如下分析：

(1)通過BIM和CICS系統的深度融合，來創新管理理念和技術手段，根據裝配式建筑生產流程，利用計算機技術的數據處理和控制功能，對裝配式建筑建造過程的全生命周期信息進行集成、優化、存儲，從建筑設計、預制構件加工、裝配施工及運營維護等全過程角度為各層次主體提供建筑信息管理服務，進而創新裝配式建筑管理體制，提升建造效率、節約成本、提升經濟效益。

(2)利用BIM模型在建筑信息集成、共享及傳遞中的優勢性，以及CICS系統在構件設計、生產加工、存儲運輸及現場裝配中的集成管理特性，構建統一的協同工作平臺，解決各建造主體之間溝通不暢通的問題，使得裝配式建筑建造過程的信息流、物資流及人力資源流得到有效融合，為施工進度及質量的跟蹤和控制提供有效支撐。

2 系統的整體框架

BIM-CICS系統應該在建筑企業管理體制框架內，結合裝配式建筑生產流程和協同需求，并融合現代計算機信息技術應用性，進行優化設計。裝配式建筑建造過程中，關鍵支撐是預制構件的工業化生產， 為此，可將裝配式建筑生產流程分為構件設計、生產、運輸存儲及現場裝配等四個階段，而質量控制作為建筑企業生存的根本，也應該納入系統功能之中，而為了實現上述功能的集成，必須以數控系統和網絡系統為支撐環境，由此，BIM-CICS系統由主模塊及支撐模塊構成，主模塊包含建筑設計系統、預制生產系統、質量控制系統及物流保障系統，支撐模塊包含計算機網絡系統、工程數據管理系統，系統的框架體系,如圖1所示。

圖1 BIM-CICS系統的整體框架

從圖1設計框架可知，裝配式建筑集成建造系統需要設計、預制生產、質量控制、物流倉儲等各個環節的支撐，基于BIM技術可將建筑全生命周期的機電、結構、建筑、總圖等各個專業進行集成，轉變了以往建筑設計中整體及構件分開設計的理念[3]，以預制構件的設計與族庫的構建為出發點，通過調用預制構件庫中標準化、通用化的預制構件即可完成裝配式建筑信息模型的協同構建，并可在三維環境下進行預拼裝[4]，提前展示裝配式建筑設計效果，并進行針對性的優化，確定最終的BIM建筑信息模型，減少了因“錯、漏、碰、確”導致的設計變更，增強了各專業的協同性和設計效率；在預制生產系統模塊中，可從裝配式建筑BIM模型中直接調取預制構件的設計尺寸及規格，以此確定預制構件生產工序、材料選型、加工流程及生產計劃等內容，完成4D生產過程管理模型的構建；質量控制系統根據裝配式建筑設計標準及建造要求，對預制構件生產全過程進行數據采集和有限元分析，以檢查是否存在偷空減料、工藝偏差及質量隱患；物流保障系統通過在預制構件安裝的RFID芯片，可實時查詢和追溯物流配送和驗收等信息，減少驗收數量、構件存放位置、進場記錄及裝配需求等偏差問題，確保預制構件按質按量機床，滿足裝配式建筑建造需求，提升裝配效率。

BIM-CICS系統框架下，裝配式建筑的建造流程將發生變革，轉變后的流程,如圖2所示。

3 系統各模塊構成

3.1 主模塊

3.1.1 建筑設計系統

建筑設計系統以BIM技術為基礎，采用基于BIM族庫的標準化和模數化設計[5]，以三維數字技術為表達方式，將建筑項目功能特性和設施實體以數字化呈現，通過Revit軟件建立BIM模型，以實現建筑設計系統的構建，系統中結構、機電、土建、設備等各專業可根據統一的基點、軸網、坐標系、命名規則、深度和時間節點在平臺化的BIM設計軟件中搭建模型，可從建筑標準化、各類構件族庫及部品件庫中選取相互匹配的構建及部品件來組建模型，以提高建筑設計系統的標準化程度和效率，BIM模型的數據交換通過IFC標準實現，IFC標準集成了裝配式建筑的生命周期、資料分類、成本資料、圖檔模型等各類信息，是目前對建筑物信息描述最全面、最詳細的規范，可用于支撐建筑設計、施工、運維等各類特定軟件的協同工作，且在計算機網絡系統支撐下，各專業根據權限和標準，可進行協同、并行及異地設計等。

圖2 BIM-CICS系統框架下裝配式建筑的建造流程

建筑設計系統主要是對裝配式構件進行分類、編碼，輸入及定義構件信息，構件編碼與構件存在映射關系，也即編碼與構件為一一對應關系[6]。本文以BIM技術為基礎，采用基于BIM族庫的標準化和模數化設計，以三維數字技術為表達方式，將建筑項目功能特性和設施實體以數字化呈現，通過Revit軟件建立BIM模型，以建立建筑設計系統，其主要集成了梁、樓板、墻體、樓梯等構件，可基于設計圖紙進行梁族、板族、柱族、預留件族、附加構件族等裝配式構件族庫的開發，該族庫包含各類構件節點族，點擊相應的節點處便會出現屬性信息對話框，對話框中包含構件名稱、材料、坐標系、幾何信息、工藝等參數，可根據裝配式建筑的實際需求調整相應參數數據，則構件族會依據參數變化自動更新，形成新的BIM模型以指導設計圖紙修訂和工藝規劃。

3.1.2 預制生產系統

預制生產系統是對構件生產全生命周期的管理，主要是對裝配式構件進行分類、編碼，輸入及定義構件信息，構件編碼與構件存在映射關系，可基于設計圖紙進行梁族、板族、柱族、預留件族、附加構件族等裝配式構件族庫的開發[7]，該族庫包含各類構件節點族，點擊相應的節點處便會出現屬性信息對話框，對話框中包含構件名稱、材料、坐標系、幾何信息、工藝等參數，可根據裝配式建筑的實際需求調整相應參數數據，則構件族會依據參數變化自動更新。從構件庫中提取構件的三維幾何、物理及屬性信息，結合裝配建造需求，制定構件生產計劃，并據此定義與生產過程和時間相關的生產信息，如生產工序、設備、材料、生產進度等，構建3D生產過程模型，同時，依據擬定好的生產計劃對3D 模型進行生產階段劃分，編制相應的擴展數據接口，將3D模型中各生產階段附著于相應的進度計劃，實現以生產進度為基礎的4D信息模型創建，最后，將涵蓋構件三維幾何信息、材料信息、工藝、生產進度信息的4D信息模型用于預制構件的生產管理。

3.1.3 質量控制系統

預制構件工業化生產中的材料性能、加工方法、工藝流程及生產進度均影響著施工質量，是導致構件生產與設計偏差的主要原因，為了滿足建筑構件全過程生產控制的需求，實現質量標準量化、質量分析、質量評定等功能，本文將融合BIM技術、仿真分析技術、檢測與數據分析技術，在4D生產過程管理模型的基礎上，利用ANSYS平臺進行預制構件生產全過程的仿真分析[8]，尤其對關鍵節點的生產過程進行多視點的動態模擬，并結合有限元仿真分析數據與實際采集的生產數據進行對比分析，制定各生產階段的質量控制標準和目標，提出質量評定的量化標準，并據此對構件生產過程進行管控，確保構件產品符合交付標準。

3.1.4 物流保障系統

物流保障系統是預制構件存儲、運輸、到場信息進行跟蹤管理，其與工程數據管理系統相連接，將RFID芯片植入預制構件之中，使得構件的信息編碼集成于標簽之上，為讀取和查詢編碼映射的屬性信息提供支撐，在運輸工具上植入RFID芯片，以便計算合理運輸半徑，控制運輸成本、加快構件到場速度，同時，構件的到場和裝配使用信息也應該錄入RFID之中，以供信息查詢。利用射頻掃描儀器識別構件電子標簽，根據RFID反饋的信息，提取構件存儲、運輸、進場及使用情況，精準預測構件是否能夠滿足裝配需求，如若存在偏差，則根據裝配式建筑施工進度進行適時調整，以規避出現窩工或構件堆積的問題，減少二次搬運，避免人力、物力、資金的浪費，控制建造成本。

3.2 支撐模塊

3.2.1 工程數據管理系統

工程數據管理系統是支撐BIM-CICS主模塊數據存儲、管理及控制的關鍵，根據BIM標準對構件信息進行標準化管理和分類編碼，確保信息的標準化、規范化，以實現信息存儲、調用和共享功能，預制生產過程中利用讀寫設備將構件的數量、尺寸、擬裝配建筑項目、作業狀態等信息寫入到RFID芯片之中，根據工程合同編碼規則及標準編碼方法，對構件進行編碼,如圖3所示。

圖3 預制構件編碼格式

K1-3:預制構件擬裝配的項目名稱，以英文字母標記，項目名稱不足3個字母的，在前面補零，如奧運項目以0AY表示[9]；

K4-5:單位工程編碼，以1-99數字進行編碼，如奧運村第9號樓，以09表示；

K6:地上或地下工程，分別以0、1標記；

K7-8:樓層號；地上10層以010表示；

K9：構件類型，以英文首寫字母標記，如柱(Cloumn)-C ；

K10-12:數量編碼；

K13-14:作業狀態，其隨著RFID采集信息的狀態進行更新，如，倉儲階段-CC，安裝階段-AZ；

K15-17: 擴充區。

在編碼的基礎上，對主模塊各系統的數據進行輕量化后存儲至MySQL 數據庫，采用PHP進行PC及手機端的交互界面開發，并依據權限需求，提供API數據接口，建筑設計系統、質量控制系統等均可直接接入數據庫之中，文本數據以Web網頁端表示，文本、圖表、平面簡圖等內容可以Javascript 相關庫進行可視化，并支持跨終端瀏覽，各類電腦、移動終端均瀏覽相關數據。

3.2.2 計算機網絡系統

計算機網絡系統應該為BIM-CICS系統提供網絡通訊支撐，支持云端數據服務、資源共享、協同工作、應用程序接口、分層遞階及實時控制等操作，以滿足裝配式建筑全生命周期各參與主體的不同需求，為此，該系統必須基于開放的網絡通信環境，采用國際標準和工業標準規定的網絡協議作為通信支撐，采用ADO方式訪問數據庫，以有線和無線傳送作為網絡中節點數據傳送的物理媒介，以實現設計、預制構件生產、存儲運輸及裝配施工全產業鏈的順暢對接，提升裝配式建筑的建造效率。

4 BIM-CICS系統的應用

4.1 應用流程分析

BIM-CICS系統主要功能是實現裝配式建筑設計、預制構件生產、倉儲運輸及現場裝配的集成化和模塊化管理，為驗證該系統的應用效能，本文以北京某預制裝配式住宅為例，以BIM-CICS系統在裝配式建筑設計階段的應用為研究重點，以集成化的管理模式，基于BIM建筑信息模型，對構件協同設計、碰撞檢測及深化設計圖紙生成等進行全過程的統一化管理，根據應用需求制定的流程,如圖4所示。

圖4 BIM-CICS系統在裝配式建筑設計階段的應用流程

(1)在初步設計階段，各專業設計人員可對裝配式建筑預制構件的三維幾何、材料屬性、工藝要求、空間定位及時間屬性等進行定義，采用BIM技術建立預制構件庫，并通過調取預制構件庫的信息，完成協同設計，構建基于BIM的建筑信息模型；

(2)碰撞檢測，各專業設計人員根據預制構件對應的族類型，采用Revit軟件根據對應位置將構件族、埋件族及鋼筋族載入，形成嵌套族[10]，以更好的進行碰撞檢測；

(3)深化設計階段，構件設計人員將BIM建筑信息模型中的預制構件設計信息與生產廠家共享，根據加工設備及模具型號，合理調整和優化設計方案，生成深化設計圖紙，并在相應的構建族中進行參數的修改，BIM建筑信息模型將隨之更改。

4.2 應用過程的實現

(1)協同設計

首先，參與裝配式建筑設計的各專業人員采用 Autodesk Revit系列軟件創建建筑、結構、機電、給排水等BIM可視化模型，依托于Autodesk Revit系列軟件的協同工作環境可完成BIM模型的高效建模，實現裝配式建筑各專業的協同設計，如圖5所示。

圖5 基于BIM模型的協同設計

同時，借助BIMN-CICS系統的工程數據管理系統，可從中提取和挖掘裝配式建筑建造信息，在BIM模型中自動生成3D動態圖、大樣圖等相關信息，以精準預測裝配式建筑項目的預制構件數量、生產工藝需求、建造成本等內容，生成管理數據統計表，為裝配式建筑建造過程全生命周期管理提供支撐。

(2)碰撞檢測

預制構件相互之間的碰撞檢測是關鍵，精度要求較高，通過對Revit軟件的二次開發，形成碰撞管理器插件植入BIM-CICS系統之中，以實現系統智能碰撞檢測功能的開發，負責檢測對梁、板、柱等結構的碰撞點，根據出具的碰撞檢測報告及碰撞點顯示功能，能夠迅速確定構件間的空間關系，點擊碰撞點顯示按鈕，系統將會對碰撞點位置進行局部放大，以便各專業人員根據碰撞點對BIM模型進行優化設計，利用系統的碰撞檢測功能，對北京某預制裝配式住宅進行碰撞檢測的結果,如圖6所示。

(a)碰撞點1

(b)碰撞點2

基于碰撞點檢測結果，可進行BIM信息模型的優化設計，碰撞點解決方案有兩種：

(1)直接修改碰撞點處的構件參數，該種方法直接、針對性強、效率高，但是不適用于碰撞點較多的情況。

(2)返回復雜構件BIM族庫菜單中修改相應構件的參數，只要對一種構建族進行修改，則整個BIM模型中基于該構件族的所有構件均將自動更新。

可見，第二種方法更為適用于裝配式建筑，而后，再次啟動碰撞檢測功能，得出的碰撞檢測報告中提示碰撞點為0時，即表示碰撞沖突解決[11]，可據此調整相應的設計方案，獲得優化后的信息模型文件，此時，利用BIM模型可自動生成各平、立、剖面圖以及構件深化詳圖，自動生成的圖紙與模型存在動態鏈接，若根據碰撞檢測結果修改了模型數據，則與其關聯的所有設計圖紙將自動更新，節省了手動修訂設計圖紙的時間，實現了建筑設計的智能化發展。

5 總結

裝配式建筑的發展和BIM技術的深化應用，將推進建筑技術及建造流程的全面革新，并趨向信息化、工業化及標準化方向發展，而計算機集成制造系統CIMS在供應鏈集成管理、工業化生產方式上與裝配式建筑存在諸多共性，將其引入集成建造系統之中具有可行性，而本文以BIM技術集成信息及工作協同為基礎，利用CIMS系統在集成管理中的優勢性，構建了裝配式建筑集成建造系統，實現了構建設計、預制生產、存儲運輸及現場裝配的協同管理，為裝配式建筑信息化和工業化生產提供有效支撐，且經工程實例證明BIM-CIMS系統的實際應用價值。