基于BIM的裝配式建筑智慧建造全過程研究

張 振

(上海城建市政工程(集團)有限公司，上海 200333)

1 概述

近年，我國建筑業發展良好，總產值總體呈穩定上升趨勢，為我國經濟快速發展作出了重要貢獻。然而，建筑行業使用的資源占人類自然資源總量的40%，并且因建筑而產生的垃圾在世界垃圾總量中的占比也高達40%[1]。將我國建筑業與汽車、鋼鐵、裝備制造等其他支柱行業相比較，創新型生產技術匱乏、經濟轉換率低、與生態不協調等問題更為明顯，且建筑業在某些生產環節沒有一套合理有效的運行體系，常常帶來施工周期長、勞動力成本高、信息化程度低等一系列問題。

裝配式建筑節能減排數據見圖1。

將信息化技術集成應用于裝配式建筑在我國建筑業轉型升級的過程中扮演著至關重要的角色，同時它也會把我國裝配式建筑信息化管理水平提升到一個新的高度。近幾年，我國建筑信息化領域逐漸受到各方關注，對其投入也是逐年遞增，但內容綜合性不強、交叉性較弱等問題依舊突出，且建筑領域內現代信息化技術集成應用的研究明顯不足[2]。本文旨在研究基于BIM的裝配式建筑智慧建造，分析BIM技術與裝配式建筑相結合的過程存在哪些問題，在此基礎上建立完整的體系架構及詳細的過程應用，并提出有助于BIM的裝配式建筑智慧建造發展的推進政策。

2 文獻綜述

主要參考了Web of Science(WOS)數據庫中有關裝配式建筑的外文文獻，使用Citespace文獻可視化軟件將檢索到的文章進行梳理總結，可知目前國際裝配式建筑領域的主要研究熱點有裝配式建筑預制構件材料、裝配式建筑結構、裝配式建筑工程管理等。

Wang J C[3]通過增加基段高度并在易損節點處加入粘合鋼筋，減少了混凝土橋梁柱在滯回過程中的耗能以及提升了抗震能力。Belleri A[4]用控制變量法比較了三種不同連接方式的力學性能，通過循環性能試驗證明灌漿套管法在震后修復中更高效。Ling J H[5]通過對兩種新型套管進行拉伸實驗，得出套管的幾何構型滿足套筒約束效應并影響其粘結性。Haber Z B[6]在緩慢循環荷載作用下對5個半尺度橋梁柱模型進行試驗，發現了在關鍵響應參數與傳統結構相差無異，但它的塑性鉸結構取決于耦合器性能。分別在靜態、動態、循環加載環境下對兩種常用的機械連接件深入研究之后發現，機械耦合器剛度對連接件的變形響應影響顯著。Haraldsson O S[8]設計出新型連接基礎和預制柱，其抗震性能不亞于現澆體系。

通過對國內相關文獻整理及統計分析，發現國內主要將裝配式建筑管理研究、信息化技術與裝配式結合應用研究、BIM軟件及平臺研究等作為重點研究方向，但偏重于BIM技術在裝配式建筑中的單獨應用。

樊驊[9]提出可以通過BIM相關軟件技術對施工環境及施工人員活動進行模擬，在建造前建立信息化平臺，進而確定設計方案。王淑嬙等[10]提出裝配式建筑項目可采用EPC管理模式，在BIM技術的基礎上實現各個項目階段信息化集成。曹新穎等[11]建立基于BIM-RFID的信息平臺系統，將預制構件的狀態數字化，并用BIM模型指導其生產。齊賀等[12]提出將BIM和RFID結合并加以改進從而指導裝配式建筑施工過程。王美華等[13]提出以BIM技術進行參數化建模，給每個構件附上電子標簽或二維碼，方便后續運輸和安裝。

為提升拆分設計模型精度，劉春原等[14]提出將Dynamo作為核心技術基礎對Revit軟件進行針對性的改造，大大提升了模型拆分精度。許杰峰等[15]基于BIM自主建立標準化信息平臺，滿足了建筑模型在設計階段智能拆分的要求。

3 基于BIM的裝配式建筑智慧建造現狀分析

3.1 基于BIM的裝配式建筑智慧建造的產生

相比一些發達國家，例如法國、德國、日本等，我國在研究裝配式方面還處于起步階段，技術體系有待完善并且應用范圍也不夠廣泛，在全國新建建筑中比例僅為15%，重點地區為20%，低于發達國家的35%～40%，但其總產值正在穩定上升。裝配式建筑相比傳統現澆技術具有節能環保、施工效率高、信息化程度高等特點。同時，對施工技術人員的管理能力以及設計精細化程度也提出了更高的要求。

清華大學的馬智亮教授最早提出“基于BIM的裝配式建筑智慧建造”這一理念，他強調了采用最新信息技術對建筑全生命周期內的技術和管理集成的重要性，實現裝配式建筑建造的工業化、智能化。BIM的作用是建立一個將建筑所有信息都涵蓋其中的信息平臺，建立模型實現信息集成和交互(見圖2)。

1)BIM+VR/AR技術主要應用于構建虛擬施工現場、展示重要節點的施工工藝及交互式場景漫游，可以從各時間節點出發，站在多角度觀測施工過程，進而擬選出最佳施工方案，使得裝配式建筑施工組織設計更為高效合理、也更能保證工人的人身安全與施工進度，節約了時間與成本。

2)BIM+三維激光掃描技術可以對施工場地進行測繪，反映真實地訊息，尤其是針對觀測困難的施工現場，更能凸顯該項技術的優勢。其原理是將BIM模型與三維激光掃描出的圖像相擬合，從而滿足預制構件質量快速檢查、高效精準建模、準確記錄工程進度等要求，相比于傳統人工計算更為省時且可靠度高。

3)BIM+物聯網技術在傳統的建設項目中，工程物料跟蹤往往是個棘手的工作，信息交互不及時、清單票據不全、計算錯誤等現象時有發生，致使裝配式建筑項目中建設方、施工方、監理方等各參與者無法實時了解到項目建設情況。考慮到上述問題，“BIM+物聯網技術”將無線射頻技術和BIM技術應用于裝配式建筑生產環節，工程物料無論材料尺寸，都可以做到有跡可循，將大幅度的提高信息采集能力。

3.2 我國裝配式建筑BIM技術應用現狀及問題

3.2.1BIM技術在裝配式建筑應用現狀

1)三維建模設計。

“三維信息化模型”是BIM技術的核心，首先建立基礎模型平臺，隨著項目進行過程中，再在基礎平臺上加入新的“構件”，建筑物各個結構的幾何特征可通過BIM技術的三維建模技術繪制，逐步建立起完整的建筑模型。BIM建模軟件可自動生成相應的平、立、剖面圖以及各節點詳圖，相比過去常用的紙質平面圖，這種技術方法可以使建筑的空間特征表達得更為清晰直觀。

2)協同設計。

協同設計，即設計人員、管理人員等在同一個平臺上一起參與規劃設計，是建筑業在設計方向上的巨大創新，同時這也滿足政策提出的“建筑信息化”的要求。協同技術可以提供一個“交互式”的信息交流平臺，在設計本專業的同時可以查詢參考其他行業的設計方案，提升項目在設計階段的創新能力。

3)建筑性能優化。

實體建筑可以通過BIM技術轉化為模型文件，再將這些模型文件輸入相應的分析軟件可實現建筑性能優化。分析軟件可以模擬太陽燈光照射情況、對風流體進行分析、計算建筑的能耗數據、模擬使用者走動情況等，運用模擬分析技術可以明確的判斷建筑物設計是否滿足舒適性，是否滿足低能耗等，對于設計不合理的地方進行針對性調整。BIM使得現代建筑設計更為高效智能，既提升了舒適性又減少了資源浪費。

4)碰撞檢查。

在施工過程中“碰撞”現象時有發生，通常是由于忽視各種設備或建筑材料與建筑物內部的空間尺寸關系造成的。BIM中常用的“碰撞檢查”軟件有Navisworks，Fuzor等，在實際建造之前就可以通過碰撞檢查，在設計階段避險“錯、漏、碰、缺”現象的發生，從而節約設計成本與勞動力。

5)效果圖及動畫展示。

Sketch up，3DMAX等工具是項目方案設計階段常用的建模軟件，再經過Lumion，Enscape等渲染軟件從而建立模型場景、生成三維動畫，將方案以三維立體效果圖或動畫的形式展示。在施工階段同樣可用上述方法制作施工模擬動畫，這種“虛擬建造”的方法可以讓施工工人、管理人員、監理等提前發現施工過程中可能產生的技術問題、質量問題、安全問題，在實際施工階段就可以有效避免各類問題。

3.2.2BIM技術在裝配式建筑應用中存在的問題

1)缺乏預制構件跟蹤能力。

裝配式建筑的基本單元是預制構件，從預制構件的“生產”開始，到中途的“運輸堆放”以及“進場組裝”都是預制構件管理的關鍵。BIM技術可以運用物理數據管理和數字化展示功能將數據進行集成并加以利用，當預制構件的狀態信息發生變化時BIM作為多維數據庫并不能及時、完整對其進行記錄、處理，未解決上述問題就應升級信息實時跟蹤統計技術。

2)BIM技術應用成本高。

據統計，BIM技術的運用能減少40%的預算變更費用和至少3%的總成本費用、節省80%的預算編制時間，相比于傳統建筑，BIM模式下減少的建筑耗能高達30%，這對裝配式建筑的綠色建筑和精益化制造意義非凡。然而，BIM通常只運用于結構復雜的大型工程項目，大部分業主還是更重視傳統的管理方式——將質量、進度、成本作為重點，忽視新興的信息化技術的應用，再加上BIM技術應用成本不菲，更加深了人們對新技術的排斥性。

3)BIM軟件的適用性。

目前，在設計階段常用的核心建模軟件是Revit，Bentley以及Catia，常用的應用軟件都是在國外編程研發，并沒有將我國造價定額規則、行業規范等納入計算規則，在我國的適用性有待提升。

4)缺乏BIM相關標準。

雖然國家建筑業已發布BIM六大標準中的三項，各地市也陸續發布一些針對地方的BIM標準，但大多數文件只提到了一些方向性的要求，缺少對管理過程中各環節針對性的描述，例如描述預制構件的信息應包含哪些內容、數字化技術應用標準等關鍵部分都沒有提及。所以基于BIM技術的建筑信息化標準需要統一，進而規范各方行為準則、預制構件信息格式、模型編輯語言及邏輯等。

5)建筑設計和部品部件標準。

建筑設計是項目設計環節中最重要的一環，但裝配式建筑與現行的建筑設計標準之間存在很多不一致的地方。裝配式建筑需要在設計過程中嚴格按照模數化標準，方便后續結構構件和部品部件的智能生產工作的展開，沒有相關認證標準，則其質量管理就難以進行，更難保證裝配后的成品是否可靠耐用。

4 基于BIM的裝配式建筑智慧建造應用發展及推進對策

4.1 基于BIM的裝配式建筑智慧建造應用發展

信息化的裝配式建筑將會是我國建筑業未來導向。在實際的項目中可以發現，我國進行裝配式的建筑項目主要是國家或政府的項目，比如廉租房項目，對于私企投資的商品住宅、大型的商業區就少之又少了，除此之外，裝配式建筑的結構形式也比較單一，主要是以鋼筋混凝土結構為主。

在信息化大時代，裝配式建筑就要充分使用BIM技術、VR/AR等其他可以運用到裝配式建筑中的信息化技術，再與裝配式建筑各個階段的數據信息文件相結合，把信息化變成企業和項目運作的助力從而促進整個行業甚至相關其他行業的發展，把裝配式建筑有關的企業變成信息數據互通的連貫整體，在當今信息化不斷前進的同時，還要完善與其相匹配的標準、協議，以確保裝配式建筑持續健康的發展。

4.2 基于BIM的裝配式建筑智慧建造推進對策

4.2.1標準化完善

裝配式建筑建造水平也能真實的映射出一個國家的行業標準和國家標準的水平。然而國內標準還不夠完備，在生產預制構件時，各個生產單位的生產工具如模板、基座等基本無法相互使用，從而形成預制構件無法進行規模化生產的局面，制定相對完善的規范和標準就變得極為迫切了。首先可以號召高校、企業等本行業的專家、學者積極參與到相關規范的制定如行業標準和國家標準。提倡BIM，VR等互聯網技術與裝配式建筑相結合，朝智慧建筑的方向前進；其次提倡本行業的標桿企業制作本企業的標準，而國家標準低于企業標準，更能促進裝配式建筑向智慧建造的方向發展。

4.2.2自主開發軟件平臺與生產工藝創新

在自主創新上，要堅持科研創新，創新是促進技術發展進步的核心力量，關注裝配式建筑相關技術的研發、裝配式建筑實驗室的建設，同時提倡學校與企業共同努力解決關于施工一線上遇到的關鍵瓶頸技術。要堅持改革與創新，摒棄原有的落后設計觀念，積極向信息化、技術化方向靠攏并開創出一套適合自己的信息化流程。

4.2.3培養專業人才

1)建立裝配式建筑實訓實踐基地。

盡可能利用高校與企業資源，整合兩方人才，提高裝配式建筑人才的相關知識和職業技能，從本專業或者本產業出發，爭取實現專業或者產業人才所具備的能力與崗位需求相匹配，積極提倡產業的轉型，推進專業人才的專業化培訓和高端人才輸送，為裝配式建筑專業人才提供從學校到企業的一站式的人才培養服務，使裝配式建筑專業人才的就業不成問題。

2)互聯網+教育平臺建設。

裝配式建筑在一個項目的各個階段都要海量的數據文件作為基礎，對于裝配式建筑“三個一體化”的特性，進行BIM技術與裝配式建筑協同的資源庫研發顯得尤為重要；并且還要充分運用各種云平臺為其服務，比如利用互聯網+技術的視聽說優勢，使學生如身臨其境般學習，教育方式形象直觀、靈活可控。同時，要完善人才培養與就業對接的結構機制，以企業實際的需求為根本，裝配式建筑行業前景為導向，構造一個學習與企業進行優勢互補共同培養裝配式建筑綜合素質人才的發展體系。

3)多層次人才結構與人才培養標準。

裝配式建筑要想持續健康的發展必須有相對應的各級專業人才來實現，對于實現人才培養的方法可以邀請本行業的知名學者、專家、著名高校的教授為各級裝配式建筑人才進行不同方向上的技術、管理講座培訓；定期進行理論知識、職業技能綜合培訓，實現裝配式建筑人才的發展要求。盡可能提高職業技能水平，把裝配式的相關理論、技術和職業道德協同發展，培養高素質人才。

5 結語

以BIM技術為核心搭建參建單位多專業協同的BIM管理平臺結合其他的互聯網技術協助于裝配式建筑可及時獲得項目的相關信息并傳輸到項目每一個參與方，便于提升決策的速度與質量，但是在我國BIM技術的軟件單獨使用情況比較嚴重，缺乏軟件之間的聯系應用，只關注預制構件前期的質量而忽略了項目的一體化研究。裝配式建筑將作為建筑業未來的方展發向，再通過建筑信息化的協助，將會推進裝配式建筑快速發展，但BIM的裝配式建筑智慧建造過程中仍存在很多問題亟待解決。