基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑施工技術(shù)分析

肖燕武，張志敏

（廣州城市職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510405）

0 引言

綠色建造、工業(yè)化生產(chǎn)是我國(guó)建筑行業(yè)生產(chǎn)方式創(chuàng)新發(fā)展的一大重要方向，裝配式建筑由此得到了大力發(fā)展。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土建筑相比，裝配式建筑建造模式存在本質(zhì)性的區(qū)別，其核心是工廠生產(chǎn)建筑構(gòu)件、現(xiàn)場(chǎng)“裝配”，形成完整項(xiàng)目主體，同時(shí)通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的BIM 技術(shù)輔助施工，可實(shí)現(xiàn)多參與方、多階段、多專業(yè)的信息共享，有利于進(jìn)一步加快施工進(jìn)度、提高建造質(zhì)量，這也是本文研究的重點(diǎn)所在。

1 我國(guó)裝配式建筑發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)一直大力提倡建筑行業(yè)工業(yè)化發(fā)展，《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》制定了裝配式建筑發(fā)展規(guī)劃，明確了2018—2020 年全國(guó)裝配式建筑的建造要求，相應(yīng)的各地也出臺(tái)了相關(guān)文件，如：《上海市建筑節(jié)能和綠色建筑示范項(xiàng)目專項(xiàng)扶持辦法》《浙江省綠色建筑條例》《關(guān)于加快推進(jìn)我（石家莊）市建筑產(chǎn)業(yè)化的實(shí)施意見(jiàn)》，基于相關(guān)政策引導(dǎo)與建筑行業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展需求的雙重作用下，裝配式建筑呈蓬勃發(fā)展趨勢(shì)。

據(jù)住建部數(shù)據(jù)顯示，2016—2020 年我國(guó)新建裝配式建筑面積持續(xù)增長(zhǎng)，2020 年新開工裝配式建筑達(dá)6.3 億m2，與2019 年相比增長(zhǎng)了約50%，在新建建筑中占比20.5%，完成了《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》中2020 年達(dá)15%以上的工作目標(biāo)。2016—2020 年我國(guó)新開工裝配式建筑面積及其占比情況如圖1所示。

基于圖1 可得，近五年來(lái)我國(guó)裝配式建筑總量呈持續(xù)性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，為維持此趨勢(shì)相關(guān)部門不斷出臺(tái)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有效減少裝配式建筑推進(jìn)阻力，為裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化、定量化、自動(dòng)化、產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1 2016—2020 年我國(guó)新開工裝配式建筑面積及其占比情況

2 裝配式建筑施工特點(diǎn)與BIM 技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 裝配式建筑施工特點(diǎn)

基于相關(guān)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可將裝配式建筑歸納為一種以信息化為支撐，采取標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、精益化生產(chǎn)、工地裝配方法的建筑，其特點(diǎn)如圖2 所示。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑相比，其在設(shè)計(jì)、施工、裝修以及驗(yàn)收等階段具有一體化、協(xié)同化、精細(xì)化等特點(diǎn)，主要可歸納如表1 所示。

圖2 裝配式建筑特點(diǎn)

表1 裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的區(qū)別

從我國(guó)裝配式建筑實(shí)際施工情況來(lái)看，面臨著諸多限制，如：“人材機(jī)”、資金不或是協(xié)調(diào)不到位，方案模擬與優(yōu)選困難等，上述情況的產(chǎn)生一方面是由于我國(guó)建筑行業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)圍繞現(xiàn)澆工程運(yùn)轉(zhuǎn)所致，在裝配式建筑作業(yè)方面存在一些不適應(yīng)的情況；另一方面則是裝配式建筑施工具有明顯的系統(tǒng)性特征，包括專業(yè)上的系統(tǒng)性與生產(chǎn)過(guò)程的系統(tǒng)性，對(duì)此要想提高施工效率、質(zhì)量，必須提高裝配式建筑信息化水平。

2.2 BIM 技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

建筑信息建模（Building Information Modeling，簡(jiǎn)稱BIM），主要是通過(guò)構(gòu)建和運(yùn)用信息模型，對(duì)建筑進(jìn)行分析、模擬、可視化以及統(tǒng)計(jì)、計(jì)算等工作，可貫穿建筑實(shí)施全過(guò)程，具體應(yīng)用情況如圖3 所示。通過(guò)BIM 技術(shù)的應(yīng)用，可使建造過(guò)程具有直觀性、集成性、協(xié)調(diào)性等特點(diǎn)，與當(dāng)前裝配式建筑信息化要求高度契合。

圖3 BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

從理念上來(lái)看，BIM 技術(shù)將建筑項(xiàng)目所有信息輸入三維數(shù)字模型，此模型并非一成不變的，而是隨著建筑設(shè)計(jì)、施工的不斷推進(jìn)逐步更新，因此可將其理解為的真實(shí)建筑物在電腦內(nèi)的數(shù)字化記錄，所有信息均可從模型內(nèi)提取，包括：建筑平面圖紙、施工圖紙、混凝土構(gòu)件配筋情況以及施工進(jìn)度等。通過(guò)信息整合與分享，有效提高裝配式建筑施工效率。

從技術(shù)上來(lái)看，BIM 并非如同傳統(tǒng)CAD 繪圖一樣將建筑信息存儲(chǔ)在圖紙上，而是構(gòu)建了一個(gè)可視的模型，各種圖形、項(xiàng)目報(bào)表均可從模型文件中生成；模型內(nèi)任一修改均可實(shí)時(shí)更新，有效確保數(shù)據(jù)一致性，避免了CAD 修改時(shí)產(chǎn)生的版本不一致的問(wèn)題。BIM 技術(shù)并未是一種具體的軟件，而是一種流程與技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)軟件間相互協(xié)同作用，如：創(chuàng)建BIM 模型的軟件Autodesk Revit，模型分析計(jì)算軟件YJK、Ecotect，模擬施工軟件Navisworks。

總的來(lái)說(shuō)，在裝配式建筑施工過(guò)程中，通過(guò)實(shí)施BIM 技術(shù)，引進(jìn)先進(jìn)的管理思想和技術(shù)手段，形成裝配式建筑的信息技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)，能顯著提高裝配式建筑生產(chǎn)效率，在質(zhì)量控制、工期控制、成本控制等諸多方面發(fā)揮著顯著作用。

3 BIM 技術(shù)在裝配式建筑施工中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 一體化建造

裝配式建筑正在朝著設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工一體化的方向發(fā)展，即：設(shè)計(jì)階段不僅需要考慮建筑功能需求、審美要求以及結(jié)構(gòu)安全等內(nèi)容，還需關(guān)注建筑構(gòu)件生產(chǎn)精度、現(xiàn)場(chǎng)安裝構(gòu)件連接準(zhǔn)確性等，確保結(jié)構(gòu)剛度、穩(wěn)定性滿足要求，而生產(chǎn)、施工階段必須做好校核工作，對(duì)預(yù)埋管線、碰撞問(wèn)題進(jìn)行檢查，保證構(gòu)件制作精度、安裝質(zhì)量等。基于此背景下，BIM 技術(shù)的應(yīng)用為技術(shù)集成、各專業(yè)一體化協(xié)同提供了操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)建筑全過(guò)程的信息交互，如圖4 所示為BIM 技術(shù)的信息共享及協(xié)同模型。

圖4 BIM 技術(shù)的信息共享及協(xié)同模型

BIM 技術(shù)在裝配式建筑施工過(guò)程中的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)由圖紙傳遞信息的工作方式，通過(guò)虛擬化設(shè)計(jì)、構(gòu)建建筑模型，結(jié)構(gòu)工程師配合模型開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并將結(jié)構(gòu)模型拆分為構(gòu)件，工廠根據(jù)模型中構(gòu)件信息進(jìn)行生產(chǎn)，并運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝；裝配式建筑施工完成后，可借助模型開展檢修與更新，“模型”相當(dāng)于建筑實(shí)體的直接轉(zhuǎn)化成果。

3.2 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)

裝配式建筑傳統(tǒng)生產(chǎn)流程如下：模型設(shè)計(jì)→構(gòu)件出圖→人工錄入→數(shù)控加工。基于BIM 技術(shù)的應(yīng)用可改變整個(gè)生產(chǎn)流程，BIM 生成的數(shù)據(jù)與工廠端對(duì)接，全新的生產(chǎn)流程如下：BIM 深化模型→數(shù)字化加工→加工料單生成，具體生產(chǎn)階段工作流程如圖5 所示。利用RFID 技術(shù)生成料單，將預(yù)制構(gòu)件與帶有構(gòu)件信息的電子標(biāo)簽匹配，為構(gòu)件出庫(kù)、運(yùn)輸、堆放提供可靠支撐。基于BIM 技術(shù)、RFID 技術(shù)構(gòu)建的協(xié)同管理平臺(tái)，可解決以下問(wèn)題：①一物一碼管理，生產(chǎn)完成的構(gòu)件生成獨(dú)立的二維碼，平臺(tái)上根據(jù)構(gòu)件需求量確定存儲(chǔ)庫(kù)區(qū)。②安裝單位與廠家通過(guò)移動(dòng)端協(xié)同作業(yè)，將構(gòu)件需求信息發(fā)送至廠家，確定生產(chǎn)日期和完成時(shí)間、提醒工廠發(fā)貨。③以電子出庫(kù)單作為構(gòu)件出庫(kù)、運(yùn)輸憑證，掃描二維碼可獲取出庫(kù)訂單信息。

圖5 生產(chǎn)階段工作流程

3.3 可視化交底

BIM 技術(shù)在裝配式建筑施工中的應(yīng)用，可視化交底是一個(gè)重要內(nèi)容，具體要點(diǎn)包括：①場(chǎng)地模擬：通過(guò)BIM 技術(shù)可按不同施工階段布置施工現(xiàn)場(chǎng)，包括堆場(chǎng)、塔式起重機(jī)布置、預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸通道布置等，并制作全景漫游動(dòng)畫，模擬施工過(guò)程，遴選最優(yōu)方案。②關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)施工模擬：在編制施工方案時(shí)，通過(guò)模擬仿真實(shí)現(xiàn)施工重難點(diǎn)的可視化較低，施工人員可直觀掌握階段施工細(xì)節(jié)，使信息傳遞更為準(zhǔn)確。

3.4 智慧建造管理

裝配式建筑施工過(guò)程中，通過(guò)BIM 技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)智慧建造管理，具體如下：①進(jìn)度管理：通過(guò)BIM 與RFID 技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，項(xiàng)目管理人員可實(shí)時(shí)掌握預(yù)制構(gòu)件由工廠生產(chǎn)、運(yùn)輸、進(jìn)場(chǎng)乃至堆放的狀態(tài)，便于與施工進(jìn)度管理配合；同時(shí)利用大數(shù)據(jù)分析，可實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃與數(shù)據(jù)報(bào)表，掌握整體進(jìn)度與堆場(chǎng)實(shí)時(shí)庫(kù)存；通過(guò)Revit 模型與Project 編制的進(jìn)度計(jì)劃有機(jī)結(jié)合，生成跟與時(shí)間進(jìn)度同步變化的施工模擬動(dòng)畫，有利于工序安排的合理優(yōu)化。②安全管理：基于BIM 模型在洞口、臨邊處布置防護(hù)措施，包括臨邊圍護(hù)欄桿、安全通道、防護(hù)棚、安全體驗(yàn)區(qū)等；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)與BIM 模型進(jìn)行對(duì)比，查看現(xiàn)場(chǎng)安全措施是否符合相關(guān)要求，安全處理是否及時(shí)；制作VR 動(dòng)畫模擬裝配式建筑施工中安全事故，開展安全教育，提高安全意識(shí)。③質(zhì)量管理：基于BIM 技術(shù)協(xié)同編制施工方案，并構(gòu)建協(xié)同管理平臺(tái)，打造施工質(zhì)量閉合管理體系，實(shí)現(xiàn)檢查整改閉環(huán)，提高施工質(zhì)量；基于BIM平臺(tái)上的模型、圖紙，通過(guò)WEB 端、手機(jī)移動(dòng)端可實(shí)時(shí)查看信息，便于溝通交流，隨時(shí)查看模型、圖紙，確保各種質(zhì)量問(wèn)題得到及時(shí)解決。④成本管理：基于BIM 平臺(tái)可生成構(gòu)件明細(xì)表，對(duì)所有構(gòu)件進(jìn)行編碼、記錄與成本計(jì)算，圖6 為BIM 5D 平臺(tái)成本管理示意圖。

圖6 BIM 5D 平臺(tái)成本管理

4 工程案例

4.1 工程概況

本項(xiàng)目為某裝配式建筑，建筑總面積1.24 萬(wàn)m2，其中，地上1.12 萬(wàn)m2、地下0.12 萬(wàn)m2，建筑高度86m，地上28 層、地下2層。建筑結(jié)構(gòu)形式為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，采取預(yù)制裝配式技術(shù)整體成型方法。

4.2 基于BIM 技術(shù)構(gòu)建裝配式建筑模型

本項(xiàng)目利用Revit 軟件對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行建模分析；完成建模分析與初步優(yōu)化后，對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備各專業(yè)不同預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行模擬拼裝，通過(guò)碰撞檢查發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并及時(shí)修改，落實(shí)深化設(shè)計(jì)工作；深化設(shè)計(jì)后，將模型上傳至BIM 平臺(tái)，構(gòu)建裝配式建筑整體模型，具體如圖7 所示。本項(xiàng)目充分考慮項(xiàng)目裝修與建筑設(shè)備、結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，管線布置、設(shè)備結(jié)構(gòu)安裝均需一步到位，為此及時(shí)將BIM 模型信息傳入數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，包括：預(yù)制構(gòu)件鋼筋位置、整體結(jié)構(gòu)預(yù)留孔洞位置、預(yù)制構(gòu)件項(xiàng)目信息等，為后期建筑裝修提供可靠參考。

圖7 裝配式建筑整體模型

4.3 基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）場(chǎng)地模擬：本項(xiàng)目施工前為科學(xué)安排施工工序與人員，對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行模擬，通過(guò)施工場(chǎng)地三維掃描信息、臨時(shí)設(shè)施方案、機(jī)械設(shè)備方案、建設(shè)項(xiàng)目BIM 模型等構(gòu)建施工場(chǎng)地BIM 模型，直觀查看現(xiàn)場(chǎng)塔吊位置、道路與設(shè)備布置情況等，如圖8 所示。對(duì)于不合理處及時(shí)優(yōu)化，并再次對(duì)方案進(jìn)行預(yù)演，主要模擬要點(diǎn)包括：①運(yùn)輸機(jī)械進(jìn)出場(chǎng)路徑，檢查運(yùn)輸過(guò)程中是否存在碰撞點(diǎn)，并及時(shí)修改。②施工現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)塔吊與堆場(chǎng)的協(xié)調(diào)工作，通過(guò)BIM 技術(shù)模擬構(gòu)件吊裝過(guò)程，檢查起重臂碰撞點(diǎn)、分析起重臂碰撞原因，對(duì)塔吊或堆場(chǎng)位置進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化塔式起重機(jī)方案。③道路布置情況，檢查機(jī)械進(jìn)出場(chǎng)道路與施工道路可能存在矛盾點(diǎn)，并調(diào)整方案。

圖8 施工現(xiàn)場(chǎng)布置情況

（2）模擬施工：通過(guò)BIM 技術(shù)運(yùn)用可對(duì)裝配式建筑關(guān)鍵部位進(jìn)行模擬施工，提前發(fā)現(xiàn)施工中存在的問(wèn)題，如：管道碰撞、凈高不足等，如圖9 所示為BIM 三維模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景效果對(duì)比示意圖，通過(guò)模擬作業(yè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的有效指導(dǎo)，減少人為主觀因素所致的錯(cuò)誤施工，提高施工效率與質(zhì)量。

圖9 BIM 三維模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景效果對(duì)比

（3）施工組織計(jì)劃：本項(xiàng)目利用BIM 技術(shù)完成場(chǎng)地情況、關(guān)鍵部位施工模擬后，利用Project 編制項(xiàng)目施工組織計(jì)劃，并與BIM 技術(shù)結(jié)合模擬施工進(jìn)度，通過(guò)實(shí)際進(jìn)度對(duì)比分析，有效控制施工過(guò)程。具體要點(diǎn)如下：借助RFID 技術(shù)對(duì)構(gòu)件運(yùn)輸狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)安排人員實(shí)施進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，開展下一步構(gòu)件吊裝工作；構(gòu)件吊裝過(guò)程中，施工工序的合理搭接是關(guān)鍵所在，可將編制好的施工進(jìn)度計(jì)劃甘特圖導(dǎo)入BIM 相關(guān)軟件中，將構(gòu)件工作集與施工計(jì)劃關(guān)聯(lián)，模擬施工方案，指導(dǎo)實(shí)際施工作業(yè)有序開展；結(jié)合構(gòu)件生產(chǎn)管理與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)比計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度，及時(shí)分析偏差及其產(chǎn)生原因，據(jù)此調(diào)整裝配式構(gòu)件生產(chǎn)及運(yùn)輸計(jì)劃、現(xiàn)場(chǎng)拼裝計(jì)劃與模型數(shù)據(jù)，精確控制項(xiàng)目進(jìn)度，保證項(xiàng)目按時(shí)竣工。

（4）設(shè)備信息化管理：裝配式建筑系統(tǒng)包括建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外部維護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)部安裝系統(tǒng)。本項(xiàng)目裝配式建筑施工過(guò)程中，BIM 三維模型中除了集成了配式建筑勘察設(shè)計(jì)信息、預(yù)制構(gòu)件吊裝位置等信息，還涵蓋了建筑設(shè)備、設(shè)施的幾何尺寸、空間位置、設(shè)備性能參數(shù)、品牌、廠家等信息。由此，通過(guò)BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的信息化管理，有利于施工、運(yùn)維人員掌握設(shè)備型號(hào)、維修歷史等，有利于實(shí)現(xiàn)智能居住、節(jié)能環(huán)保運(yùn)行管理。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)現(xiàn)代建筑行業(yè)發(fā)展中，裝配式是一大重要方向，其代表著我國(guó)建筑正在走工業(yè)化、信息化之路。裝配式建筑建造中，BIM 技術(shù)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，提高了預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)安裝、不同專業(yè)之間的協(xié)調(diào)配合等方面效率和質(zhì)量，同時(shí)通過(guò)可視化交底、智慧建造管理，實(shí)現(xiàn)了BIM 技術(shù)與裝配式建筑施工深度融合，實(shí)現(xiàn)了一體化建造，推動(dòng)裝配行業(yè)的不斷進(jìn)步，有利于真正打造優(yōu)質(zhì)項(xiàng)目。下一步，我國(guó)應(yīng)全面推進(jìn)BIM 技術(shù)與裝配式建筑全生命周期管理的高度融合，以BIM 技術(shù)為主線串聯(lián)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、裝修和管理全過(guò)程，做到裝配式建筑供應(yīng)鏈信息共享，實(shí)現(xiàn)信息集成與高效利用的目的，有效縮短建筑工期、提高質(zhì)量、降低成本，最終全面達(dá)成項(xiàng)目?jī)r(jià)值優(yōu)化的目標(biāo)。