BIM技術在裝配式建筑中設計與建造應用研究

王 會

(連云港職業技術學院，連云港 222000)

引言

裝配式建筑是指預制構件在工廠生產加工，在施工現場裝配而成的建筑。裝配式建筑與傳統建筑相比，在施工效率、施工精度、施工質量以及綠色節能等方面具有較大優勢。裝配式建筑的發展促進了建筑產業轉型升級，有利于節能環保、提高生產力。2016年2月國務院出臺《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》的文件，提出力爭到2026年，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%。在國家政策的指導下，全國各省市因地制宜發展裝配式建筑產業，預制裝配式建筑已成為建筑產業的方向標。

然而裝配式建筑在建設的過程中，涉及設計、生產、運輸和裝配等多個環節，具有顯著的集成性和系統性特征，須采用一體化的建造方式。特別在設計和施工環節中，對信息有大量需求[1]，如果某一環節出現信息不對稱，信息傳遞不及時，都會導致施工環節出現問題，從而影響工期和工程質量。為了解決上述問題，提高裝配式建筑建造中參建各方的協同工作效率，在裝配式建筑設計和施工階段引入BIM技術，發揮BIM信息共享和集成優勢[2]，促進裝配式建筑產業更好地發展。本文以某裝配式住宅項目為例，提出了BIM技術在裝配式建筑應用的基本流程，采用多款BIM軟件交互應用，探究了BIM技術在裝配式建筑設計、生產和施工階段的應用價值，為今后BIM技術在裝配式建筑全壽命周期的應用提供參考[3]。

1 項目概況

本項目為蘇州市虎丘C地塊保障房建設項目11#住宅，建筑面積8 219.56m2，地下一層，地上18層，總高59.7m，結構類型為裝配整體式剪力墻結構，抗震設防烈度七度，抗震等級三級，建筑設計使用年限50年。本工程按民用建筑工程設計等級為居住建筑一級，建筑耐久年限50年，耐火等級地上二級、地下一級； 屋面防水等級I級，項目的三維效果如圖1所示。

圖1 建筑三維模型

2 BIM技術在裝配式建筑中應用的基本技術路線

現階段裝配式建筑的設計流程，不少設計院是在傳統設計基礎上增加了構件的拆分及深化設計，盡管設計方法比較成熟，但由于裝配式項目加工和裝配的精細化程度較高，協調難度較大，如按照傳統設計方法和施工手段，造成大量的信息不對稱，嚴重影響了建造的效率和質量。基于BIM 技術的裝配式設計，優化了傳統的設計流程，其最大的特點利用 BIM 模型庫，采用模塊化的設計手段，將整個設計流程串聯起來，從而提高設計效率。首先運用建筑信息化BIM技術對建筑物前期的方案進行日照采光、自然通風等性能化分析，選擇最優的戶型組合方式。根據建筑模型進行結構部分以及MEP部分的組裝，再將全專業的 BIM 模型導入到Navisworks、PKPM-BIM等專業軟件，計算分析整體模型的結構和造價的合理性。最后，在 BIM 模型庫中選出相匹配的構件模型進一步深化調整，優化后的信息傳遞至加工廠進行批量生產。BIM 技術的應用貫穿了裝配式建筑的模塊化設計、加工和裝配的全過程，其數據高度集成，提高了裝配式建筑施工效率，具體的實施流程如圖2所示。

圖2 基于BIM的裝配式建筑設計施工應用流程

3 BIM技術在裝配式建筑設計階段應用

3.1 三維可視化協同設計

裝配式建筑是集設計、生產、施工、裝修和管理為一體的集成化建筑，相較于傳統建筑集成化程度較高，全生命周期的各階段都需要各專業人員共同配合才能完成項目建設。如按照傳統的二維協同化設計，以二維圖紙交付，將存在信息溝通不暢，造成較多的錯漏碰缺等設計問題。為此，本項目在設計的過程中，采用了工作集協同設計方式，通過工作集將項目的建筑、結構和機電進行分解，將分解的子項目分配給多人協作完成，如雙方設計內容有交叉，可以直接基于三維模型進行線上交流，向對方發送申請編輯權限請求進行修改，最后將完成的設計成果通過局域網同步上傳到服務器的中心文件，實現專業間及專業內部之間設計信息的有效傳遞和交流，減少設計變更。因此，基于BIM技術可視化協同設計特點，能串聯起裝配式建筑設計、生產、施工、裝修和管理的全過程，使得設計過程運轉流暢，實現了BIM技術的真正價值[4]，有利于裝配式建筑精細化施工和管理，提高了建造效率。

3.2 預制構件深化設計及校驗

由于裝配式建筑的特點，BIM模型整體拆分界面不明確，單一預制構件族設計完成后，在模型組裝的過程中容易出現構件拼裝碰撞，尤其是構件外露的鋼筋在墻板、梁柱交界處，極易產生鋼筋的位置沖突，此外灌漿套筒和連接鋼筋也容易產生錯位，同時預制構件設計過程中機電管道洞口未預留，使得水暖電部件和預制構件發生沖突[5]，需要現場重新開槽開洞進行安裝，影響施工進度。為避免出現上述問題，在本項目中將Revit創建的模型導入到PKPM-BIM協同設計平臺，采用PKPM-PC拆分模塊對模型進行三維拆分，拆分過程中同時考慮運輸尺寸、吊裝的重量以及裝配的模數化，匹配工廠和構件庫中現有的構件。當墻、板、柱和樓梯等預制構件完成拆分后，將預制構件進行三維預拼裝，最后將拼裝后的模型整合到Navisworks平臺，進行碰撞檢測、施工模擬，提前發現施工過程中可能出現的沖突問題，從而深化調整，最終將優化的預制構件通過軟件PKPM-PC導出加工詳圖和材料統計表，將BIM模型深化數據信息提供給構件廠智能化加工，提高裝配式建造效率，預制墻板構件深化模型及加工圖如圖3、4所示。

圖3 預制構件NQY30-2墻板深化模型

圖4 預制構件NQY30-2墻板加工圖

3.3 管線分段和支吊架設計

在機電設計階段，采用品茗HiBIM機電深化功能對本項目的水暖電專業進行了深化設計，依據優化后的全專業模型進行機電預制和管線分段，分割范圍結合實際采用了單根、整段管線，以及管線類型的方式進行分割，暖通、橋架以及管道分段連接采用了風管法蘭、橋架連接片和管道卡箍連接方式，通過對分段的管線進行編號、管線統計和預制出圖，得到了本預制機電工程安裝工程量和下料加工圖，為項目后續施工提供了準確的資源采購計劃，避免工期延誤。

在機電安裝準備階段，本項目提前進行支吊架設計、選型和布置(如圖5)，并進行承載力驗算，對不合理的進行調整直到驗算通過，最后導出支吊架計算書，作為驗算的記錄報告。在驗算過程中主要設置支吊架規格、管線的規格類型、材質密度以及支吊架的布置間距，通過驗算，可以得出支吊架的選型和布置是否符合規范的要求，如圖6表示支吊架跨度驗算不滿足要求，主要由于支吊架布置間距3m超過了最大間距2.6m要求，其它桿件、焊縫、膨脹螺栓以及根部底板滿足驗算要求。優化調整驗算通過后，對支吊架進行編號、按樓層統計支吊架規格數量、長度和重量，提高了支吊架施工效率。

圖5 暖通分段和支吊架設計三維效果

圖6 支吊架驗算

3.4 立面砌體排磚深化設計

由于裝配式建筑精細化施工的要求較高，為了使砌體砌筑精準定位達到設計的效果，必須提前做好策劃。本項目采用基于Revit平臺的HiBIM軟件土建深化功能，對外墻磚塊進行精準定位(見圖7)，根據項目的要求，實現一鍵智能砌體排磚，直接指導施工[6]。通過應用BIM技術的可視化砌體排磚功能，設置砌體墻、塞縫磚、導墻的材料類型，調整相應的尺寸，結合現場實現砌體墻的單面和多面墻排磚、同時根據磚匹數修改構造柱槎高，導出磚的excel形式的材料統計表(表1)和砌體排磚CAD大樣圖(見圖8)，根據計算出的砌體磚，塞縫磚以及導墻磚的使用量，制定了準確的材料采購量計劃，在項目中指導工人精準施工，節約材料的消耗量，使砌體施工美觀。排磚的過程中還考慮了砌體墻內設置有構造柱、圈梁以及翻邊的情況，優化磚的最終排布方案，方便工人施工，最大化節約材料。

圖7 BIM技術排磚立面深化效果

圖8 排磚CAD大樣圖

表1 局部墻體排磚報表(JZQ 200MM)

4 BIM技術在裝配式建筑加工和施工階段的應用

4.1 預制構件生產階段BIM的應用

在裝配式預制構件生產加工階段，采用PKPM-BIM協同設計系統平臺將設計數據，通過自動接收、構件庫選擇和Excel導入等多種方式傳遞到PC構件加工廠，實現預制構件設計階段的圖紙信息、關鍵工序的鋼筋以及預埋件信息和生產加工階段無縫對接。對構件的生產過程，生產進度、以及生產的狀態和工序，通過PDA和二維碼的形式采集記錄每道關鍵工序信息(如圖9所示)，使構件的加工參數信息和BIM平臺設計數據信息實時同步，避免預制構件的生產錯誤、提高了構件生產效率[7]。

圖9 預制構件加工信息采集與管理

本項目采用基于RFID技術的生產管理信息系統，以預制構件BIM模型為核心(如圖10、11)，與生產管理信息系統進行鏈接形成生產數據庫，以計算機輔助制造(CAM)為手段，以物聯網(IOT)為媒介，通過BIM技術為設計院和構件廠提供數據傳遞和交互的平臺[8]。在預制構件生成加工過程中，通過生產管理信息系統，實現生產設備對BIM信息的自動識別和自動化加工(如圖12)，通過RFID和生產管理信息系統的綜合應用，合理安排排產計劃，整個生產流程采用電子交付方式，提高本項目預制構件生產效率。構件出廠前，按照BIM拼裝模型中設定的構件編號，在裝配式建筑構件貼上RFID標簽(如圖13)，經閱讀器掃描出廠，出廠記錄直接反饋于管理系統，通過RFID進行構件生產信息跟蹤追溯，實現產品的智能化管理[9]。

圖10 鋼筋混凝土疊合板YB-8a模型

圖11 鋼筋混凝土疊合板YB-8a細部尺寸

圖12 信息化自動加工流程圖

圖13 二維碼智能化管理

4.2 三維場地布置應用

通過BIM施工策劃軟件，導入坐標點高程數據生成了接近實際施工現場的地形地貌，采用分階段建模的方法，依據總平面圖完成三維場地布置。通過布置安全文明施工的參數化模型，創建標準化的工地，同時可外接AR設備，實現場地三維全景漫游，增強可視化效果，可視化交底，使施工人員快速了解現場環境以及安全隱患。在項目前期施工準備階段，根據平面布置的原則和規范，采用BIM技術對現場材料的堆放和布置進行模擬，減少二次搬運[10]。通過對塔吊吊運覆蓋整個施工面進行模擬，減少多塔吊起重臂交叉，同時對預制構件的吊裝施工模擬，提前優化場地布置和現場的行車路線，將施工安全問題提前暴露出來，及時解決，避免在實際作業過程中，出現安全隱患，產生較大的變更，嚴重影響項目的工期和質量。

由于本項目地處核心區，周邊環境復雜，通過利用策劃軟件進行場地布置和施工模擬(如圖14)，復核材料運輸通道、PC構件的吊裝方案，優化場地布置，最終施工現場的場地利用率提高約10%，各裝配構件的堆場沖突率下降約20%，累計節約工期約20日[11]。

圖14 項目三維場地布置

4.3 BIM5D施工模擬和全過程管控

品茗BIM5D是以BIM三維模型和數據為載體，通過關聯施工過程中的進度、成本、質量以及安全等信息，為項目提供精細化管理的數據支撐。本項目通過 HiBIM 軟件將.rvt格式的BIM 模型通過導入導出功能模塊，導出為BIM5D所支持的 pbim 格式文件，通過采用BIM5D施工模擬建造過程分析，對本項目實際進度和成本與計劃進度和成本進行對比，導出了偏差分析報告，找出了影響施工進度和成本偏差主要原因，并在后續裝配施工過程中，對構件的現場吊裝、結點的連接和灌漿等關鍵節點的施工方案進行了優化，最終縮短工期20天、節約成本150萬。BIM5D模擬建造過程演示如圖15所示，本工程還采用BIM5D技術對項目的施工質量和安全進行了管控，通過實時采集現場的質量和安全問題，云同步上傳照片和文檔，對項目進行變更動態管理，將變更信息與BIM模型進行關聯，掌握施工過程結算和竣工結算時變更資金的去處。在項目實施的過程中，通過材料統計功能，導出項目的清單、定額以及鋼筋工程量，提前做好了資源的采購、備料計劃，保證項目順利實施。

4.4 BIM可視化信息綜合管理

品茗CCBIM是一款輕量化的移動用模工具，能夠將BIM模型、CAD圖紙等文件同步至移動端隨時隨地進行查看，并且將移動端采集的數據在后臺集中管理，有利于數據的可追溯性，支持基于文件發起任務和評論，使項目參與方協作更快捷、更高效。

本裝配式項目實施過程中，將BIM5D、Revit模型以及CAD文件導入到PM-CCBIM管理平臺，參建各方基于平臺進行在線瀏覽、問題溝通交流，業務流程管控，通過CCBIM發起任務實現多維度全過程信息協同，提高施工和管理效率。在CCBIM平臺應用中，施工員在移動端輕量化查看模型并進行技術交流，現場的巡視人員通過WEB端、PC端上傳并管理模型及文件，利用移動端查看并采集現場質量、安全和進度等有關的問題，同時將出現的問題數據信息同步上傳至CCBIM管理平臺，負責人通過平臺及時了解問題，在規定時間內快速進行整改優化，實現高效的質量安全問題處理[12]，提高了裝配式建筑的施工效率，CCBIM可視化項目管理流程如圖16所示。

圖16 BIM可視化項目管理流程

5 結論

BIM技術在裝配式建筑設計、預制構件加工以及施工階段的深化應用，能較好地實現裝配式建筑預制構件的標準化設計和生產，能夠準確直觀地表達設計意圖，提升拆分及深化設計質量。通過BIM技術的三維策劃與施工模擬，有助于優化施工現場和施工方案，采用BIM5D和CCBIM技術對裝配式施工進行全過程管控和信息化管理，提升裝配式項目的建造效率和質量，實現裝配式建筑產業高效發展。