BIM 技術(shù)在裝配式混凝土建筑全生命周期中的應(yīng)用

陳野平，鐘 晨，朱旭峰

1.合肥建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088；3.建筑結(jié)構(gòu)安徽省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（安徽新華學(xué)院），安徽 合肥 230088；4.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第一工程有限公司，安徽 合肥 230088

1 前言

裝配式建筑是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)、設(shè)備與管理系統(tǒng)的主要部分采用預(yù)制部品部件集成，且預(yù)制構(gòu)件通過(guò)可靠連接方式建造的建筑。按使用材料的不同，常分為裝配式混凝土建筑、裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑和裝配式木結(jié)構(gòu)建筑［1］。由于鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)天然具備裝配式屬性，且應(yīng)用范圍相對(duì)較窄，故本論文重點(diǎn)討論的是裝配式混凝土PC（Prefabricated Concrete）建筑，即預(yù)先在工廠按照流水線(xiàn)式生產(chǎn)，再到工地內(nèi)搭積木式組裝。隨著綠色建筑和建筑工業(yè)化要求的提出，裝配式建筑在我國(guó)從上世紀(jì)50年代發(fā)展至今，已在多個(gè)工程項(xiàng)目中試點(diǎn)應(yīng)用，2020 年新冠疫情發(fā)展初期，國(guó)家以雷霆之勢(shì)一周時(shí)間內(nèi)建起火神山和雷神山醫(yī)院，再次將預(yù)制裝配式建筑推廣到全速發(fā)展期。

我國(guó)的建筑業(yè)在改革開(kāi)放30 多年以來(lái)，一直沒(méi)有擺脫勞動(dòng)量密集、建造方式落后的缺點(diǎn)。裝配式建筑其工業(yè)化的建造方式帶來(lái)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工全過(guò)程的改變。為了實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，將建筑行業(yè)從勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，需要大力發(fā)展裝配式建筑。2016 年《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見(jiàn)》強(qiáng)調(diào)，我國(guó)將加快標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)步伐，提高建筑技術(shù)水平和工程質(zhì)量，爭(zhēng)取在10 年內(nèi)使裝配式建筑占新建建筑面積比例達(dá)到30%。由此，每年幾億平方米的裝配式建造量，累計(jì)達(dá)到2.5 萬(wàn)億元的市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)推動(dòng)我國(guó)裝配式邁入新的快速發(fā)展期。

裝配式產(chǎn)業(yè)對(duì)建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等各專(zhuān)業(yè)的模塊化設(shè)計(jì)、制作、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)工作的協(xié)調(diào)性要求更高，返工情況的發(fā)生就可能會(huì)造成很大的損失。而運(yùn)用BIM 技術(shù)可以有效避免或減少銜接環(huán)節(jié)的錯(cuò)誤，可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)、制作、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)的管理，從而保證質(zhì)量、降低成本、提高效率、縮短工期，有助于實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的自動(dòng)化、智能化、產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化。

2 BIM 技術(shù)簡(jiǎn)介

BIM英文全稱(chēng)為Building Information Modeling，國(guó)內(nèi)通常翻譯為“建筑信息模型”，亦有將“M”理解為Management，即建筑信息管理［2］。它是一種基于BIM 云為項(xiàng)目構(gòu)建信息資源共享平臺(tái)，具有三維可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等5大特性，一方面通過(guò)統(tǒng)一模型為建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等專(zhuān)業(yè)提供項(xiàng)目中各類(lèi)數(shù)據(jù)的輸入輸出接口，另一方面通過(guò)模塊化方式建立建筑信息模型，集成了設(shè)計(jì)、建造、管理、運(yùn)維等項(xiàng)目實(shí)施環(huán)節(jié)的各類(lèi)數(shù)據(jù)信息，使得項(xiàng)目相關(guān)的管理人員與技術(shù)人員對(duì)信息做出準(zhǔn)確辨識(shí)、準(zhǔn)確理解與高效應(yīng)對(duì)，顯著提供了溝通效率與質(zhì)量，并達(dá)到提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期的目的。

圖1 裝配式建筑構(gòu)件吊裝現(xiàn)場(chǎng)

圖2 裝配式混凝土建筑各構(gòu)件的BIM 模型

3 BIM 技術(shù)在裝配式混凝土建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

使用BIM 技術(shù)的受益者是上下游各個(gè)環(huán)節(jié)，但啟動(dòng)要從上游開(kāi)始，即從方案設(shè)計(jì)開(kāi)始。是否應(yīng)用BIM，最關(guān)鍵的是作為最大收益者和付費(fèi)方的工程項(xiàng)目業(yè)主或總承包企業(yè)。而從技術(shù)角度來(lái)看，啟動(dòng)BIM 技術(shù)應(yīng)用需要工程設(shè)計(jì)人員與構(gòu)件制作、施工安裝人員密切配合，缺一不可。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是裝配式建筑方案構(gòu)思-方案形成-信息完善的過(guò)程，目前仍有大量建筑工程的建筑-結(jié)構(gòu)-機(jī)電-暖通設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)的二維CAD 平臺(tái)，不僅專(zhuān)業(yè)相對(duì)獨(dú)立，設(shè)計(jì)師之間更是缺乏有效交流與協(xié)調(diào)，導(dǎo)致施工時(shí)反復(fù)提出設(shè)計(jì)修改方案，費(fèi)時(shí)費(fèi)力更加浪費(fèi)資源。裝配式建筑涉及多系統(tǒng)的集成，而B(niǎo)IM 技術(shù)天然具有信息集成優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)基于BIM 技術(shù)的建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣、綠建全專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，在三維模式下實(shí)現(xiàn)模型創(chuàng)建、構(gòu)件拆分、結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)件設(shè)計(jì)、裝配式檢查、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等，為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、物流、運(yùn)營(yíng)提供準(zhǔn)確信息［3］。

圖3 基于BIM 的機(jī)電設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)使用的BIM 軟件不具備中國(guó)規(guī)范條件下的結(jié)構(gòu)分析能力，因此研究BIM 三維條件下裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建模接力結(jié)構(gòu)分析顯得十分重要，在國(guó)內(nèi)可以借助PKPM、YJK、PCMAKER 等軟件實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》JGJ1-2014 中的要求進(jìn)行裝配式建筑的結(jié)構(gòu)體系布置，以及設(shè)置內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。

裝配式建筑基于BIM 設(shè)計(jì)方法的基本原理是：設(shè)計(jì)單位按業(yè)主需求從BIM 模型庫(kù)中挑選-組合對(duì)應(yīng)模塊進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，再基于模塊化功能依次由結(jié)構(gòu)-機(jī)電各專(zhuān)業(yè)完成各自整體模型設(shè)計(jì)，最后在BIM 協(xié)同合計(jì)平臺(tái)中將全專(zhuān)業(yè)模型協(xié)調(diào)整合，進(jìn)行碰撞檢查和優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成基本BIM 的構(gòu)件加工及安裝施工，流程圖詳見(jiàn)下圖。

圖4 裝配式建筑BIM 基本原理流程圖

在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用好BIM 的前提，即是需要建立BIM 標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用體系。包括以下7 個(gè)方面：

3.1 BIM 模型命名規(guī)則

BIM 模型中最重要的是命名規(guī)則，包括族文件名和模型文件名，甚至對(duì)文件夾命名都應(yīng)該有嚴(yán)格規(guī)定，以方便檢索、歸檔。

3.2 模型建立準(zhǔn)則

因?yàn)閰f(xié)同設(shè)計(jì)需要各專(zhuān)業(yè)間進(jìn)行配合，故對(duì)模型建立準(zhǔn)則需要事先明確，如項(xiàng)目基點(diǎn)、軸網(wǎng)、標(biāo)高，信息添加內(nèi)容等。

3.3 顏色規(guī)定

項(xiàng)目模型文件中最基本的信息是構(gòu)件，BIM 模型可通過(guò)規(guī)范、統(tǒng)一的顏色添加來(lái)進(jìn)行不同構(gòu)件類(lèi)型的劃分。

3.4 參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)族制作

族是BIM 項(xiàng)目模型文件的基本組織單元，施工中應(yīng)用、竣工模型等一系列應(yīng)用都建立在規(guī)范的族文件基礎(chǔ)上，因此十分重要。

3.5 項(xiàng)目協(xié)同方式

以數(shù)據(jù)交換為核心的協(xié)同方式，使得BIM 信息數(shù)據(jù)與模塊化模型在各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的傳遞、協(xié)調(diào)與互動(dòng)。

3.6 文件存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)

進(jìn)行規(guī)范合理的文件歸檔工作，將所有模型和文檔分類(lèi)存檔，做到體系完整方便及時(shí)調(diào)閱。

3.7 出圖標(biāo)準(zhǔn)

雖然BIM 模型是三維的，信息也是完整包含其中的，但目前無(wú)論是審圖還是交付設(shè)計(jì)成果，二維圖紙仍然是主流方式，因此要制定基于BIM 的二維出圖編制，以方便出圖。

4 BIM 技術(shù)在裝配式混凝土建筑施工中的應(yīng)用

4.1 三維場(chǎng)布管理

通過(guò)BIM 技術(shù)可以提前模擬建筑場(chǎng)地的預(yù)布置，查驗(yàn)是否會(huì)出現(xiàn)二次搬運(yùn)或起重臂交叉等實(shí)際問(wèn)題的發(fā)生，亦可模擬分配運(yùn)輸車(chē)次和運(yùn)輸路線(xiàn)，使得運(yùn)輸高效且及時(shí)，降低經(jīng)濟(jì)成本。

場(chǎng)地布置是在擬建工程場(chǎng)地上布置各種臨時(shí)建筑、設(shè)施及材料、施工機(jī)械等的過(guò)程。運(yùn)用基于BIM 技術(shù)的三維信息模型結(jié)合施工場(chǎng)地規(guī)劃將生產(chǎn)、生活、加工、交通區(qū)形象地表現(xiàn)出來(lái)，可合理優(yōu)化場(chǎng)布方案，減少安全隱患，為后續(xù)施工管理提供有利條件。

4.2 基于BIM 的4D 工程進(jìn)度模擬

所謂“4D”，即在三維模型基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)時(shí)間維度，形成動(dòng)態(tài)的進(jìn)度模擬。通過(guò)Project可制定出不同時(shí)間維度的施工計(jì)劃，將每月-每周-每天的進(jìn)度計(jì)劃與BIM 模型掛接，可通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)場(chǎng)材料堆放和控制施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)資源配置優(yōu)化和節(jié)約成本。

在施工階段也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)進(jìn)度計(jì)劃、施工模擬動(dòng)畫(huà)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。BIM4D 的應(yīng)用，提高了項(xiàng)目的進(jìn)度管控和履約能力，且結(jié)合進(jìn)度的BIM4D 動(dòng)畫(huà)可用來(lái)指導(dǎo)施工，反映合理的工序和工藝，為項(xiàng)目實(shí)施策劃提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

4.3 可視化技術(shù)交底

可視化交底即在各工序施工前利用BIM 技術(shù)三維展示各施工工藝，能對(duì)關(guān)鍵部位和復(fù)雜節(jié)點(diǎn)通過(guò)可視化的模擬演示進(jìn)行技術(shù)交底，減少錯(cuò)誤理解從而更高效的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，避免窩工返工現(xiàn)象。基于BIM 技術(shù)的施工方案及工藝模擬具有直觀性、真實(shí)性、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，可通過(guò)模擬施工程序、方法、設(shè)備調(diào)用、資源配置等情況，優(yōu)選施工方案并提高技術(shù)交底效果。

圖5 墻板吊裝模擬

圖6 節(jié)點(diǎn)鋼筋施工模擬

4.4 BIM 三維管線(xiàn)綜合技術(shù)

通過(guò)對(duì)機(jī)電設(shè)計(jì)圖紙的碰撞檢查和管線(xiàn)綜合深化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電各系統(tǒng)管線(xiàn)的統(tǒng)一布置和提前規(guī)劃，將其與水、電、暖通、熱控等多專(zhuān)業(yè)的BIM 模型進(jìn)行合并碰撞檢測(cè)，在項(xiàng)目施工前即完成了虛擬安裝，可以發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中難以發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)、漏、碰、缺的問(wèn)題，提高了圖紙會(huì)審質(zhì)量，有效減少施工中的錯(cuò)誤和返工率。

圖7 碰撞檢查及管線(xiàn)優(yōu)化

4.5 基于BIM 技術(shù)的預(yù)制混凝土構(gòu)件鋼筋、預(yù)留預(yù)埋防碰撞

通過(guò)BIM 建立包含鋼筋、預(yù)留預(yù)埋的預(yù)制混凝土構(gòu)件精細(xì)化模型，實(shí)現(xiàn)鋼筋的防碰撞檢查、準(zhǔn)確定位鋼筋，對(duì)預(yù)留預(yù)埋位置進(jìn)行精確復(fù)核，為生產(chǎn)加工和施工的高效、準(zhǔn)確提供保障。

圖8 預(yù)制墻體鋼筋檢查

4.6 基于BIM 技術(shù)的鋁模板配模技術(shù)

鋁模板相比較與鋼模板有成本低、適用能力更強(qiáng)、不依賴(lài)吊裝設(shè)備、回收容易等優(yōu)點(diǎn)；而相對(duì)于木模板有重復(fù)利用次數(shù)多、強(qiáng)度高、現(xiàn)場(chǎng)污染少、平整度高、加收價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)。基于BIM 技術(shù)的鋁膜板配模設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)識(shí)圖建模、智能配模、碰漏檢查、清單圖紙、自動(dòng)打包等功能。

圖9 基于BIM 技術(shù)的鋁膜板設(shè)計(jì)

4.7 基于BIM 的成本管理

可利用BIM 模型計(jì)算出的預(yù)期成本以及勞動(dòng)力和材料、設(shè)備的虛擬使用情況，在工程結(jié)束后可與實(shí)際發(fā)生資金量進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的精細(xì)化成本管理。

4.8 BIM+VR 技術(shù)應(yīng)用

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)BlM 模型和先進(jìn)VR 技術(shù)相結(jié)合，讓工作人員可以沉浸在虛擬的施工現(xiàn)場(chǎng)中對(duì)場(chǎng)地和操作有了更直觀的體驗(yàn)與互動(dòng)。利用VR 云安全教育模式，實(shí)物化各項(xiàng)危險(xiǎn)源以及進(jìn)行事故場(chǎng)景的模擬體驗(yàn)，使施工人員對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的危險(xiǎn)源、危險(xiǎn)行為與事故類(lèi)型做出準(zhǔn)確預(yù)判、辨識(shí)和及時(shí)應(yīng)對(duì)，高效學(xué)習(xí)全面的安全知識(shí)，掌握有效的自救方法和避險(xiǎn)方式。

圖10 洞口墜落VR 安全體驗(yàn)

圖11 用電觸電VR 虛擬體驗(yàn)

5 BIM 技術(shù)在裝配式混凝土構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用

可應(yīng)用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于生產(chǎn)過(guò)程的智慧管控和優(yōu)化排產(chǎn)。可借助基于BIM 的裝配式智慧工廠管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)自動(dòng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工生產(chǎn)。按國(guó)標(biāo)《混凝土結(jié)構(gòu)用成型鋼筋制品》等標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，讀取BIM 模型的預(yù)制構(gòu)件中的鋼筋信息，生成相應(yīng)鋼筋表，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用BIM 模型驅(qū)動(dòng)鋼筋數(shù)控加工［4］。此外，在BIM 模型的基礎(chǔ)上可完成布置邊模和內(nèi)模以及吊裝鋼筋網(wǎng)等步驟，同時(shí)借助混凝土澆筑自動(dòng)化設(shè)備，可進(jìn)行智慧備料、攪拌、運(yùn)送、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)、脫模、存放等工藝動(dòng)作。利用構(gòu)件編碼體系和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，也可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件可追溯性質(zhì)量管控。

圖12 生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理

圖13 可視化模臺(tái)管理

6 BIM 技術(shù)在裝配式混凝土建筑運(yùn)維中的應(yīng)用

運(yùn)維目的是能提高建筑項(xiàng)目的使用性、安全性和舒適性，當(dāng)前已有一些高端園區(qū)和小區(qū)提出了智慧管理的概念，并付諸實(shí)施，業(yè)主對(duì)建筑基本需求滿(mǎn)足的同時(shí)，運(yùn)維還帶來(lái)了附加的投資收益。

工程項(xiàng)目竣工后，可將竣工BIM 模型和工程環(huán)境的GIS 模型整合入運(yùn)維管理平臺(tái)中，將規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等信息完整的傳遞和保留進(jìn)入運(yùn)維階段［5］。再將BIM 模型與樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)保修等信息整合對(duì)接入平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)三維化運(yùn)維管理方式，方便工作人員在模型中及時(shí)查找問(wèn)題并通過(guò)定位、可視管理任一位置包括管道、設(shè)備等信息，對(duì)其進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)與維護(hù)報(bào)修。

7 總結(jié)與展望

隨著我國(guó)建筑工業(yè)化水平的提高與建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的需要，裝配式建筑是建筑行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，從粗放型模式向精細(xì)化模式的應(yīng)用轉(zhuǎn)變，基于信息載體的BIM 技術(shù)將促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)化的可持續(xù)發(fā)展。

裝配式建筑的設(shè)計(jì)工作量大大增加，需要借助經(jīng)過(guò)BIM 通用軟件結(jié)合部分開(kāi)發(fā)或?qū)Ｓ密浖?lái)提高設(shè)計(jì)效率。只有通過(guò)基于BIM 平臺(tái)的裝配式建筑全流程集成體系應(yīng)用，才能真正滿(mǎn)足裝配式建筑精細(xì)化設(shè)計(jì)、多專(zhuān)業(yè)協(xié)同、全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用的需求，使建設(shè)成本有效降低。