基于BIM的裝配式建筑深化設(shè)計應用研究

文/艾樹安 劉喆

引言

我國逐漸步入老齡化階段，人口紅利正在慢慢消失，用人成本也在慢慢增加。傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建筑方式，施工現(xiàn)場臟亂差，是城市污染的一個重要來源，安全隱患也特別多，施工周期非常長，如果遇到意外情況，就無法在短時間內(nèi)完成，并且各個環(huán)節(jié)之間并沒有非常緊密的聯(lián)系，信息溝通不及時，造成許多資源浪費。隨著國家對于節(jié)約資源、減少能耗、綠色環(huán)保等政策的大力推動，近些年，我國的裝配式建筑發(fā)展十分迅速，但是裝配式建筑本身也有諸多局限，如預留構(gòu)件的尺寸和預留孔洞的尺寸、位置是否精確，在設(shè)計施工運輸?shù)倪^程中各個環(huán)節(jié)是否能夠做到無縫銜接，等等，所以，裝配式建筑在國內(nèi)發(fā)展一直比較緩慢，但是由于BIM技術(shù)的出現(xiàn)，裝配式建筑迎來了春天。近年來，國內(nèi)的很多建設(shè)工程都在其全生命周期中應用了BIM技術(shù)，特別是一些體量特別大的異形建筑。BIM技術(shù)的應用可解決裝配式建筑中所存在的問題，以推動建筑行業(yè)的發(fā)展。

一、相關(guān)理論概述

（一）裝配式建筑概念

不同于傳統(tǒng)的建筑方式，裝配式建筑先將整個建筑物分解成尺寸、形狀標準的構(gòu)件，在工廠里生產(chǎn)出之前設(shè)計好的預制構(gòu)件，再到工地上將這些預制部品部件通過吊裝的方式裝配起來。裝配式建筑有著標準化、模塊化、工業(yè)化、裝配化、信息化、智能化等特點。模塊化的基礎(chǔ)是標準化，標準化的設(shè)計、模塊化的管理、工業(yè)化的生產(chǎn)，使裝配式建筑與傳統(tǒng)施工方式相比有了工期短、質(zhì)量高、費用低、節(jié)約資源、環(huán)保等優(yōu)勢。為了推動城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域的綠色發(fā)展，我國大部分省市都已經(jīng)出臺了關(guān)于裝配式建筑的指導意見和鼓勵政策，裝配式建筑儼然成了建筑業(yè)發(fā)展的新方向。

（二）BIM概念

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），就是以建筑工程相關(guān)信息為基礎(chǔ)繪制出的模型，是信息時代發(fā)展的產(chǎn)物，是現(xiàn)在建筑業(yè)非常熱門的一個話題，特別是在裝配式建筑中.由于BIM具有信息化、數(shù)字化、可視化等特點，且其自身具備高度的真實性和可模擬性，可以通過建立三維的信息化模型，突破原有二維繪圖模式的局限性，讓系統(tǒng)相關(guān)性更強，將原本平面的點線圖轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw模型。對于沒有建筑專業(yè)背景的人來說，通過BIM模型可以更加直觀地了解建筑物的造型。BIM軟件基本涵蓋了建設(shè)工程項目設(shè)計所需要的各個方面，可以通過工作集的方式，使項目各個參與方都參與進來，打破信息孤島，真正實現(xiàn)各個項目參與方之間的數(shù)據(jù)傳遞和共享，實現(xiàn)各個專業(yè)的協(xié)同作業(yè)。

二、BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應用

（一）設(shè)計階段

與傳統(tǒng)的施工方式相比，裝配式建筑需要的設(shè)計周期更長，前期要做的準備工作更多，需要設(shè)計人員在前期設(shè)計階段就考慮在設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、施工、運維全過程中可能存在的問題，并盡量對其加以完善。

BIM技術(shù)在設(shè)計階段需要發(fā)揮最重要的作用。傳統(tǒng)的圖紙大多數(shù)都是二維平面圖紙，對于傳統(tǒng)的建筑業(yè)來說，二維的圖紙已經(jīng)足夠指導施工人員進行施工了，但是裝配式建筑對設(shè)計要求更加嚴格，如果預留構(gòu)件的尺寸不對或者節(jié)點位置不對，就會發(fā)生施工的時候無法進行裝配的情況。通過BIM軟件可以實現(xiàn)對構(gòu)件的參數(shù)化控制，可以在不同的工程項目中直接對構(gòu)件的尺寸進行控制，當某個參數(shù)的信息發(fā)生改變的時候，其他與其關(guān)聯(lián)的參數(shù)就可以隨之進行相應的改變，達到人們想要的參數(shù)化效果。可以利用BIM技術(shù)強大的信息化特點，將每一個構(gòu)件的信息都記錄在內(nèi)，形成一個數(shù)據(jù)庫，并可以通過BIM軟件對其進行集中管理，這樣就可以節(jié)省設(shè)計人員的時間和精力。因為BIM技術(shù)具有可視化的特點，可以在討論設(shè)計方案的時候開發(fā)商、構(gòu)件供應商、施工方一同討論，從而在很大程度上提高工作的效率，減少錯誤的發(fā)生。傳統(tǒng)的裝配式建筑，往往在施工過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙存在的問題，這樣就會造成很大的經(jīng)濟損失，而通過BIM軟件進行設(shè)計的時候，可以先進行施工模擬，如果發(fā)現(xiàn)例如管線碰撞等問題，軟件就會作出提示，這樣就可以在設(shè)計階段對其進行改正，避免在施工的過程中出現(xiàn)此類問題，最大程度上減少經(jīng)濟損失。

（二）生產(chǎn)階段

PC工廠的工人有可能沒有建筑專業(yè)背景，無法看懂二維圖紙，導致無法準確地加工預制構(gòu)件，無法保證預制構(gòu)件的質(zhì)量。由于BIM技術(shù)有著信息化和可視化的特點，生產(chǎn)階段可以通過應用BIM技術(shù)提高模型的制作效率。工人可以在加工之前就清楚地看到所生產(chǎn)的預制構(gòu)件的形狀，這樣就會大大降低工人工作的難度。通過BIM和RFID技術(shù)的融合，設(shè)計人員在設(shè)計階段可將每個構(gòu)件的信息放置于RFID標簽中，并構(gòu)建一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。RFID標簽中包含了每個構(gòu)件的所有信息，并且這些標簽都是一件一碼，可以確保構(gòu)件信息的準確性和真實性。構(gòu)件的生產(chǎn)廠商共享這些信息后，就會更直觀地了解設(shè)計人員的需求和自己需要做的工作，合理地規(guī)劃生產(chǎn)的時間、產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，當遇到一些復雜構(gòu)件時，也可以根據(jù)這些信息合理地規(guī)劃運輸?shù)能嚧魏吐肪€。在這個過程中,生產(chǎn)廠商需要把自己所掌握的信息如生產(chǎn)進度，產(chǎn)品的質(zhì)量和庫存情況及時反饋到管理系統(tǒng)中，從而提高工作質(zhì)量和工作效率。

（三）施工階段

施工階段在裝配式建筑整個生命周期中是特別重要的，由于其需要在工地上進行預制構(gòu)件的拼裝，人們需要考慮拼裝過程中每一個節(jié)點是否能夠精準對接。可以通過BIM軟件構(gòu)建三維的場地模型，清晰地展示出整個施工現(xiàn)場的施工機械設(shè)備、堆放材料的場地等，可以通過fuzor等軟件對整個吊裝施工過程進行模擬，組織現(xiàn)場施工人員進行技術(shù)交底，提高工人對施工的環(huán)境和工序的熟悉程度，通過模擬檢查構(gòu)件的節(jié)點對接是否準確，加強施工的安全可靠性。

在施工的過程中，還需要考慮每個位置的構(gòu)件是否能夠準確地找到。構(gòu)件被運輸?shù)浆F(xiàn)場之后是否能夠得到妥善的存儲管理，考驗的是現(xiàn)場施工管理人員的水平。在此階段，可以繼續(xù)使用上文所提到的BIM加RFID技術(shù)。由于RFID技術(shù)的唯一性和準確性，通過之前所構(gòu)建的管理信息系統(tǒng)，可以快速且準確地對構(gòu)件進行實時跟蹤檢查，方便現(xiàn)場管理人員進行管理，加強施工的質(zhì)量和效率。

（四）運維階段

裝配式建筑的運營維護管理也同樣很重要。裝配式建筑有著綠色環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點，所以一定是可持續(xù)發(fā)展的。在預制構(gòu)件的設(shè)計生產(chǎn)過程中，已經(jīng)建立了完整的管理系統(tǒng)，整個工程項目的每一個預制構(gòu)件都有其專屬的RFID身份證明，后期進行運營維護的人員可以直接從數(shù)據(jù)庫中提取其所需信息，迅速地檢測各個階段可能存在的問題，確定發(fā)生問題的位置，從而提高維護的效率。每個構(gòu)件的設(shè)計人員、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)時間、運輸過程、裝配過程都會被記錄在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，這樣對后期運營維護中出現(xiàn)的問題可以迅速進行責任的劃分。

還可以通過BIM技術(shù)的運用對整棟建筑進行運營維護模擬，使用Revit軟件對整個建筑的機電系統(tǒng)進行運營模擬，還可以通過Ecotect軟件對整個建筑物進行能耗、日照、熱量、朝向、聲環(huán)境等分析，及時掌握整個項目的資產(chǎn)信息和設(shè)備使用的情況，在模擬的過程中，及時發(fā)現(xiàn)并解決可能存在的問題，降低整個建筑的安全風險。

三、案例分析

（一）工程概況

該項目是某地的第一個裝配式住宅項目，建筑用地面積12063平方米，總建筑面積35620平方米，共6棟建筑。本文介紹的是5號樓。5號樓共17層，建筑高度49.6米，建筑面積4905平方米。

預制構(gòu)件有預制梁、預制疊合樓板、預制柱、預制墻板、預制樓梯等。預制率為53.5%，裝配率為65%。該項目是當?shù)氐氖痉俄椖浚虼嗽擁椖康慕ㄔO(shè)過程受到各方的關(guān)注，面臨很多困難和挑戰(zhàn)。

（二）BIM設(shè)計階段的應用

在設(shè)計階段，不同專業(yè)的建模人員需要從已有的模型庫中選擇適合的構(gòu)件進行BIM建模，對于模型庫中沒有的構(gòu)件，則需要自己去做一個參數(shù)化的構(gòu)件，并在做好之后加入模型庫以便以后使用。利用模型庫可以節(jié)省大量的時間。利用裝配式建筑模塊化的特點，可以把整個項目拆分成標準化的樓梯構(gòu)件、標準化的梁構(gòu)件、標準化的外墻構(gòu)件、標準化的柱構(gòu)件等，以此減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件種類，為PC工廠的模塊化生產(chǎn)提供非常便利的條件。雖然建立BIM模型是分不同專業(yè)的，但是可以通過集成的平臺進行協(xié)同設(shè)計，這樣就解決了之前傳統(tǒng)施工中所存在的各方溝通障礙的問題，并且可以對管線進行碰撞模擬，優(yōu)化布置方案，提高設(shè)計質(zhì)量，防止后期施工時再修改設(shè)計。利用參數(shù)化設(shè)計，可能在出現(xiàn)問題時輕松修改構(gòu)件的信息，如在創(chuàng)建樓梯構(gòu)件的時候（如圖1），可以通過Dynamo對其踏板深度進行控制（如圖2）。每個構(gòu)件的信息都被準確地輸入數(shù)據(jù)庫中，形成一個數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，便于項目各參與方進行查詢。

圖1 樓梯構(gòu)件

圖2 dynamo節(jié)點圖

（三）BIM在生產(chǎn)階段的應用

在構(gòu)件生產(chǎn)階段，可以利用BIM技術(shù)為預制構(gòu)件的加工提供強有力的保障，實現(xiàn)信息共享，使得設(shè)計和生產(chǎn)之間能夠無縫銜接。比如在本工程中我們可以通過BIM模型直觀地讀出各預制構(gòu)件的空間幾何關(guān)系，自動生成關(guān)于其相關(guān)參數(shù)和生產(chǎn)流程的信息圖表，并將其上傳到數(shù)據(jù)庫中。BIM技術(shù)的可視化特點，方便了工廠工人的生產(chǎn)和管理，從而提高裝配式預制構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量。由于前期精細化的設(shè)計，使人們可以利用管理信息系統(tǒng)直接將信息傳遞到PC工廠，后者根據(jù)設(shè)計模型決定其生產(chǎn)流程（如圖3）。

生產(chǎn)階段還有一個非常重要的部分，就是構(gòu)件身份信息的植入。通過BIM加RFID技術(shù)，在構(gòu)建生產(chǎn)時直接將RFID標簽植入構(gòu)件當中，標簽中包含了該構(gòu)件的位置、尺寸、生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)日期等信息，生產(chǎn)完之后由質(zhì)量檢測人員通過掃描二維碼的方式讀取該構(gòu)件的所有參數(shù)，并在現(xiàn)場檢查其參數(shù)與實際構(gòu)件是否一致，生產(chǎn)的質(zhì)量是否合格，并且將其反饋到芯片當中，之后廠商再將這些檢查過的預制構(gòu)件加以運輸，并將運輸?shù)男畔⑼瑯臃答伒綐?gòu)件中。這樣可以提高廠商的工作效率，提高構(gòu)件質(zhì)量。

圖3 預制構(gòu)件模型

（四）BIM在施工階段的應用

在施工階段中，可以利用BIM技術(shù)在原有項目模型中再加上時間軸，生成含有時間軸的四維模型。可以將之前在Revit中創(chuàng)建的模型通過API導入Navisworks軟件中，對其進行進度管理控制（如圖4）。預制構(gòu)件自身不會出現(xiàn)碰撞，因為在設(shè)計階段早已經(jīng)對其進行了精細化的設(shè)計，但是在現(xiàn)場裝配的過程中，梁板柱之間或者管線和建筑之間的節(jié)點是現(xiàn)澆的，且其中的鋼筋非常密集，一旦發(fā)生碰撞，將給整個吊裝的過程帶來很大的麻煩，不論是重新設(shè)計加工還是直接在現(xiàn)場修改，都會使整個工期大大延誤，也會產(chǎn)生很多的浪費。可以通過BIM技術(shù)對此進行施工模擬和碰撞檢測（如圖5），這樣既能夠?qū)こ踢M度有一個準確的整體把控，又可以對某一細微的節(jié)點進行討論，達成提升效率的目的。有了之前所構(gòu)建的管理系統(tǒng)和植入的RFID標簽，可以使現(xiàn)場管理人員很輕松地掌握每個預制構(gòu)件的信息，并對其進行吊裝指導。

圖4 施工進度模擬

圖5 碰撞檢測

通過在該項目當中應用BIM技術(shù)，展示了BIM技術(shù)強大的能力，但同時也暴露出很多的問題，例如BIM人才的緊缺——既有豐富的施工經(jīng)驗又會建立BIM模型的人才。現(xiàn)在項目各個參與方對BIM的認知程度不同，導致協(xié)同作業(yè)也存在一些困難。

五、結(jié)語

隨著社會的不斷進步，人民生活水平日益提高，建筑工程的發(fā)展理念已經(jīng)不再是之前的只追求低造價，而是追求綠色環(huán)保，力爭減少無效的損耗，所以建筑工業(yè)化勢在必行，而BIM技術(shù)就是推動裝配式建筑發(fā)展的最強動力。BIM技術(shù)需要貫穿于裝配式建筑的全生命周期，通過BIM技術(shù)的普及使用，提升裝配式建筑的設(shè)計標準化和通用化，通過參數(shù)化設(shè)計提高設(shè)計人員的設(shè)計效率，有效提高裝配式建筑的質(zhì)量水平和施工安全水平，目前裝配式建筑所面臨的成本問題、設(shè)計標準問題將是我們未來研究的重點。