建筑信息技術在裝配式建筑中的應用探究★

黃 婧 陳琴梅 左興龍

(內江師范學院建筑工程學院，四川 內江 641199)

隨著經濟和科技的發展，傳統現澆式建筑存在許多弊端，若仍以傳統現澆式建筑作為我國主要建筑形式，那么我國建筑行業在國際上毫無競爭力，因此對傳統現澆式建筑的修建方式、修建技術改良迫在眉睫，裝配式建筑的出現提上了日程。裝配式建筑不僅能加快施工進度、減少資源消耗，還能提高工程質量。裝配式建筑很符合現代社會發展的需求，是“新型”的修建方式，但目前裝配式建筑在我國的應用較為局部。國務院決定大力發展裝配式建筑，并出臺政策來應用和發展裝配式建筑，明確要其達到新建筑的30%，其發展趨勢不容小覷。從最原始的手繪時代到二維模型CAD時代，都存在工作效率低、圖紙質量差、施工階段溝通不便等，無法滿足現代化高度復雜化的建筑項目。因此，建筑信息技術的出現是時代發展的需要，建筑信息技術的出現標志著建筑業新型技術的發展。交通運輸部2018年發布《關于推進公路水運工程建筑信息技術應用的指導意見》，要求加大建筑信息技術的投入，強調提升建筑信息技術應用能力，計劃在2020年工程項目中建筑信息技術的應用達90%。響應淘汰低端產能供給，提升中高端產能供給，開展供給側改革。國務院于2017年發布了《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，明確裝配式建筑的目標和意見。直至2019年上半年，我國有31個省市自治區出臺了本地的發展實施意見和規劃，2018年裝配式建筑面積達到2.9億m2，較2017年增長了81%；2019年全國裝配式建筑工程項目達4.2億m2，比2018年增長了45%，是新建建筑面積的13.4%[1]。由此可以看出裝配式建筑對于建筑業的意義以及對于國家經濟發展的重要性。而且發展裝配式建筑有利于帶動科技進步。因構件生產工廠化和標準化，所需的技術、技術人員和材料的標準十分高。為保證裝配式建筑各方面的性能，企業單位必須促進各項技術、指標的提升，從而帶動了相關企業發展也促進了科技技術的進步，并且是與國際接軌的途徑。目前大部分發達國家裝配式建筑在建筑業的應用已經很廣泛，建筑以裝配式建筑為主；發展中國家也在慢慢推廣裝配式建筑。在經濟全球化的國際背景下，我們需要走出去，與不同國家交流，提高我國的競爭力，也需要引進來，引入其他國家先進的技術、人才等。特別是一帶一路戰略中，強調了裝配式建筑的應用，為了與國際市場接軌，我們需要合理利用全球建筑市場來發展我們自己的裝配式建筑[2]。

1 裝配式建筑

1.1 裝配式國內外的發展

在20世紀60年代，由于戰爭造成大量房屋損壞，戰后歐洲經濟發展迅速，城市人口集中化，住房嚴重不足，再加之傳統施工建設效率低，裝配式建筑因此而產生。最早由英、法、德等歐洲國家進行實施。英國政府出臺一系列政策，積極推進裝配式建筑的發展，提高工程質量，實現降低建筑成本、事故發生率。法國是最早推行裝配式建筑的國家之一，其裝配率達80%；1970年，東德工業化水平達到90%[3，4]。

裝配式建筑早于20世紀60年代就已出現，80年代在我國興起，但由于當時我國的技術缺乏、經濟落后，不符合當時社會現狀，以至于到90年代中期裝配式建筑逐漸消失[5，6]。“鳳凰涅磐，浴火重生”。近年來，裝配式建筑在我國又開始興起。目前，國家和建筑行業出臺了發展目標和相關政策，由于全國建筑行業正在發展和轉型的需要，我國已有20多個省份推行了一系列政策來發展扶持建筑行業，裝配式建筑的發展市場十分大。

1.2 裝配式建筑的優點

1)施工進度快。由于裝配式構件可提前在工廠預制，避開了鋼筋混凝土構件凝結加固，減少現澆工作，預制完成的大量構件運送到施工現場，確保施工材料和構件的供應。預制和施工可同時進行，節省時間，從而提高施工進度，可以提高工作效率3倍～5倍。2)構件設計的標準化。構件預制是按需求標準設計由工廠制造出的，由于預制拼裝時不得有半點差錯，因此生產出來的構件是標準規格的，精度很高，其誤差達毫米級別。3)減少浪費。生產的構件越標準，生產時按照模板模具生產，其效率也就越高，人工費、材料費的消耗也就減少，從而降低成本。而且在進行預制拼裝前可將預制構件運輸到現場指定位置，做好施工計劃盡可能的一次性預制拼裝好，節省吊裝機械設備的費用。4)質量高，抗震抗裂性能好。構件工廠化生產，其質量得到保證，而拼裝時有高強度螺栓、鋼筋等焊接連接，構件組成的裝配式結構的抗震性能也就比較好。5)節能環保。由于是工廠化生產，生產的大量工作在工廠就已完成，因此施工現場的垃圾廢物大量減少，污染少更環保[7，9]。

1.3 裝配式建筑的缺點

1)拼裝難度大。預制構件現場組裝拼接的工作量和難度都挺大，不僅要進行二次現澆，使構件與建筑完整連接，還要保證其安全性、穩定性等。2)構件運輸距離有限。一些大型項目的預制工廠在施工現場附近，相對就不用考慮運輸時間、運輸成本問題。但對于預制工廠較遠情況時，其運送的費用成本很高，且又耗費大量運輸時間。若遇到緊急情況，需要大量構件時，距離問題嚴重影響施工效率。因此，運輸構件的距離不能太遠，大概在半徑距離為200 km以內[3]。3)要求放線和標高測量精確。預制完成構件的尺寸大小已確定，若放線空間尺寸偏小，預制構件將放置不下；若偏大，造成連接縫偏大[9]。在現場施工時，墻的標高要控制好，避免拼裝的縫隙過大而重新施工，增加施工作業量，工作更繁瑣。4)各階段關聯性太強。由傳統的“設計到施工”模式轉為“設計到預制再到拼裝”模式,其中每個階段都相互影響，若其中某一階段出現問題都會影響其他兩個階段，導致工期延長、成本增加等[9]。

2 建筑信息技術

BIM的全稱是Building Information Modeling，根據建筑的信息在建筑信息技術軟件上建設出建筑的平面圖和立體圖，建筑信息技術應用于建筑全生命周期中，共享建筑所有信息[10,11]。1962年，道格拉斯·恩格爾巴特提出虛擬設計的概念。1975年，建筑信息技術之父——治亞理工大學教授查理斯·伊斯頓提出建筑信息技術概念的雛形，還提出了基于計算機圖形學的建筑三維實體建模的方法。1984年，第一次在PC上使用建筑信息技術。1988年，最早虛擬建筑設計軟件ArchiCAD誕生。 2000年，第一代的建筑設計軟件Revit誕生，Revit采用了參數化數據建模技術，實現數據關聯和交流互動。2002年，建筑信息技術概念的正式提出，將Revit視為全新的建筑信息技術軟件[11]。

2.1 建筑信息技術國內外的發展

建筑信息技術起源于美國，并在歐洲、美洲國家得到普及。發達國家的技術水平高，對建筑信息技術的發展有推動性作用。英國政府頒布一系列政策，規定要求所有建筑項目必須使用到建筑信息技術上，是全球建筑信息技術應用增長最快的地區之一[9]。從2009年開始，日本的設計公司和施工單位廣泛應用建筑信息技術；目前日本的建筑信息技術已應用于各個工程項目，涉及全國范圍[9]。從2010年起，俄亥俄州政府也出臺建筑信息技術的政策協議，呼吁更多企業發展應用建筑信息技術。

2004年Revit進入中國市場，建筑信息技術也開始引進中國。初期，國內了解掌握建筑信息技術的人極其少，但僅憑技術沒有技術人員是不行的，市場打不開，技術也無法得到很好的應用。因此，產生了由Autodesk和國內在建筑行業有重要地位的清華大學、華南理工大學、哈爾濱工業大學共同合作的“長城計劃”，即在大學生課程中推廣建筑信息技術軟件技術，讓有潛力的人才掌握和發展建筑信息技術。近年來，不論是設計企業還是業主單位都在積極推行建筑信息技術在建筑上的應用。建筑信息技術在國內的應用有許多經典實例，如：北京奧運會奧運村、中國尊、武漢中心等，其都標志著整個建筑行業的進步。與此同時，也有更多的青年才俊愿意花時間和精力去學建筑信息技術，有的自學有的報培訓班，其目的都是為了提高建筑水平和效率，為建筑行業帶來新能量、注入新血液[10]。

2.2 建筑信息技術的優點

1)模型操作可視化。三維建模、渲染是建筑信息技術的特征，而可視化作用是將這特征更好的呈現出來，即可以將抽象復雜的二維模型轉化成三維立體模型直觀的展現[12]。可視化可以對項目工程的整體或局部進行解剖生成剖面圖，包括結構、排水、供暖、電氣等，能更加直觀清晰的將效果展現出來。并且三維立體和二維平面可以相互轉化，可以清楚得到某個建筑構造的尺寸、材料、規格型號等，便于做檢驗和修改，對工程管理工作的進行提供幫助，同時也保障建筑工程的質量和安全。2)模型信息完備性。模型信息是完成整個項目的基礎，也是必要要素，因此對于信息的處理顯得尤為重要。建筑信息技術可通過數據庫儲存整個項目所有信息，如：工程材料、施工進度、成本等。將信息匯集起來方便采購各種材料、器材，也方便匯總和管理。建筑信息技術可將策劃、設計、施工、運營階段的所有信息匯集儲存起來，也不會忽略某個信息，當需要時可隨時運用。信息完備的建筑信息技術模型可以優化分析、模擬仿真和決策[13]。3)模型信息協調性。信息模型中的對象是可識別且相互關聯著，若其中某一信息有改動，與之相關聯的信息也會按著一定的規則自動更新。信息模型中的數據可以進行分析計算或生成圖表文檔等，這一特點優化了工作效率，如方便查詢、更改等。而且建筑信息技術可為不同部門提供信息共享和數據平臺。4)模型信息一致性。不同階段模型信息是一致的，相同信息只輸入一次就行，模型可以通過輸入的信息自動演化，在不同階段只需要自行進行小修改不需要重新輸入，避免了信息重新輸入導致錯誤，保證了信息的一致性。

3 建筑信息技術應用于裝配式建筑

目前裝配式建筑還存在許多問題，如構件精度、施工現場管理、能源合理利用等。針對于這些問題，發展相對比較成熟的建筑信息技術可以解決，充分又合理的利用建筑信息技術的三維數字模擬、可視化等特點，在設計階段、現場施工階段、后期維護階段協助裝配式建筑的工作。

3.1 設計階段的應用

1)提高設計效率。設計階段需考慮不同方面的問題，需不同部門相關人員的溝通交流，而建筑信息技術可以建立這樣的溝通交流平臺，不同人員間可以交換意見，實現資源共享，可以看到每個時期階段的設計，對設計的調整改動起著重要作用。在調整過程中存在數據的改動，由于關聯性的存在，這時與之相關數據也會自動更改。可以利用建筑信息技術與RFID技術結合，通過RFID的閱讀器和應答器將預制構件的參數信息傳送到建筑信息技術上，廠家可直接獲取構件相關信息，從而更加精確的生產出構件來。可以對構件在生產、運輸、布置、安裝進行追蹤管理，其工作原理類似于物流快遞，通過掃描RFID芯片卡將構件信息讀取出來并傳送到建筑信息技術上[14]。2)實現預制構件標準化。建筑信息技術可將構件設計三維立體化，清晰呈現構件的形態，可預判構件設計是否合理，并且可對構件設計進行解剖，得到預制構件尺寸進行核對，使構件一致。通過建筑信息技術平臺實現構件信息共享，工廠生產構件時可充分利用這一優點，使預制構件標準化和參數化，從而實現預制構件標準化[15]。

3.2 施工階段的應用

1)三維模擬及檢查優化。構件存儲與安裝。裝配式建筑中預制構件的存儲放置是十分重要的，不僅會影響大型機械搭建位置，還會影響構件安裝效率、機械開行路線等。構件放置位置和構件朝向都對應著不同的施工方案。利用建筑信息技術的集成化和三維立體圖對建筑進行模擬、比較，選擇最優方案從而提高工作效率，減小成本。建筑信息技術可對裝配式建筑進行解剖，可檢查排水、供暖、電氣線路是否有沖突，減少通過二維圖紙檢查耗費的時間[16，17]。機械選擇及布置。在裝配式建筑施工過程中，一方面，大部分構件和材料是由大型機械直接運輸，如升降機、起重機、打樁機等，機械的效率直接影響了施工效率；另一方面，機械的使用費用較高，很大程度影響著經濟成本。因此，機械搭建的選擇及布置顯得尤為重要。通過建筑信息技術三維模擬確定合理的機械布置位置，選擇機械的型號、大小、功能，比較不同方案的經濟成本和時間管理選擇最優方案。在大部分建筑項目中，存在機械同時工作，布置機械時需要考慮安全性，這時需要建筑信息技術進行模擬、對比、分析，以免機械間相互碰撞等。2)材料器具尋找。由于施工現場材料的種類數目很多，所以在尋找材料器具時也沒那么容易。但可以在建筑信息技術上直接找到相應的材料位置，還能知道其數量。不僅如此，工作人員可以通過建筑信息技術選出合理的運輸路線，節約運輸時間的同時也減少了運費，提高工作效率。對于一些遺忘而未使用的建筑材料，在建筑信息技術上可以發現這些可以使用的材料再次使用，減小不必要的消費，降低成本，也方便管理。3)施工進度的管理。工作人員可以通過建筑信息技術和信息管理平臺看到施工進行的階段，可以模擬建筑現場施工，根據現場施工進度與模擬的施工進行分析，從而對施工進度進行調整管理。還可以在構件拼裝前進行施工模擬，保證拼裝時的精準度和合理性，避免造成返工等問題，也方便現場的管理。4)提高拼裝效率。由于裝配式拼裝時需二次現澆、放線精確，其操作難度系數大，危險性高。但通過利用建筑信息技術三維模擬提前進行拼裝模擬，確定構件放置的位置，實現精準拼裝，使現場拼裝時能快速高效，同時也避免安全事故的發生。5)改善關聯性強的負面影響。由于裝配式各階段關聯性強，因其預制構件貫穿各個階段，設計、工廠預制、現場拼裝都相互影響著，一擊即潰，因此確保構件的信息準確是極其重要的。建筑信息技術的三維立體和解剖能在設計和工廠預制時提高構件精確度，信息集成化能在施工現場時查看構件的所有信息進行核對，改善由于關聯性太強導致的負面影響。

3.3 運營維護階段的應用

后期維護管理是決定運營質量和整個建筑壽命的主要階段之一，后期維護主要是管理維護，而目前裝配式建筑管理存在不足，即使進行維修但由于內容單一、技術銜接差，容易出現質量及安全問題。通過建筑信息技術信息集成化，有建筑全部信息，在后期運營維護階段可以根據前期進行有效對接[16]，加強后期管理和維護工作，提高維護質量增加經濟效益。

4 結語

通過對建筑信息技術和裝配式建筑的發展及在國內外的現狀進行探究，分析裝配式建筑的優點以及存在的不足，說明優化裝配式建筑的必要性。并且結合建筑信息技術的優勢，探究在建筑信息技術作用下的裝配式建筑在全生命周期的應用。分析裝配式構件的設計與生產、構件的存儲及安裝、機械的選擇和布置、材料器具的追蹤、施工進度的管理及后期運營維護。對于現代的建筑行業來說，其發展離不開政策的支撐、技術的推動和現代發展的需要，加之在BIM技術的加持下，裝配式建筑在未來的發展勢必不可擋。它有著傳統建筑所缺乏的高效、高質、高精度、節能環保，也促進著建筑行業新創造、新發展。科技技術與建筑相輔相成，科技技術的進步促進著建筑行業的發展，建筑行業向新科技、新技術、新創造發展是必然的結果。在未來，裝配式建筑和建筑信息技術將會是我國建筑行業發展的主要方向。