裝配式建筑集成項(xiàng)目交付應(yīng)用框架研究*

潘 捷，李松陽(yáng)，李志勇，吳 方，馬智亮

(1.北京建工地產(chǎn)有限責(zé)任公司，北京 100101；2.清華大學(xué)土木工程系，北京 100084；3.北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100055)

0 引言

裝配式建筑和傳統(tǒng)建筑相比, 具有質(zhì)量好、施工效率高、浪費(fèi)少及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。在中國(guó)政府的推動(dòng)和房建企業(yè)的落實(shí)下, 裝配式建筑已成為中國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)之一。2020年，全國(guó)新開工裝配式建筑共計(jì)6.3億m2，較2019年增長(zhǎng)50%，占新建建筑面積的比例約為20.5%，完成了《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》確定的到2020年達(dá)到15%以上的工作目標(biāo)[5]。

裝配式建筑中的部分預(yù)制部品部件由工廠加工生產(chǎn)，再運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，因此，和傳統(tǒng)建筑相比，其建造過程更為復(fù)雜，項(xiàng)目參與方更多樣，運(yùn)用合理的項(xiàng)目交付模式來組織項(xiàng)目各參與方的交流和合作，打通各建造階段的協(xié)同工作，對(duì)裝配式建筑項(xiàng)目的綜合效益具有重要影響。

現(xiàn)階段，我國(guó)建筑工程最常采用的項(xiàng)目交付模式是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)-招標(biāo)-建造(design-bid-build，DBB)模式。在DBB模式下，一方面，項(xiàng)目各參與方利益目標(biāo)不統(tǒng)一，很難高效協(xié)同工作；另一方面，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)及施工割裂，即設(shè)計(jì)階段不會(huì)考慮生產(chǎn)階段和施工階段可能存在的問題，設(shè)計(jì)成果難以達(dá)到最優(yōu)。對(duì)傳統(tǒng)建筑而言，設(shè)計(jì)階段的疏漏或失誤，會(huì)對(duì)施工階段的可施工性等造成影響，其結(jié)果最終體現(xiàn)為返工和設(shè)計(jì)變更，一方面會(huì)造成施工成本的增加，另一方面也會(huì)延長(zhǎng)施工工期。對(duì)于裝配式建筑，如果設(shè)計(jì)階段未能充分考慮生產(chǎn)和施工的需要，除了會(huì)引起返工和設(shè)計(jì)變更外，還可能增加生產(chǎn)完成的預(yù)制部品部件無法使用而不得不重新生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，這樣會(huì)造成巨大的浪費(fèi)和損失。

集成項(xiàng)目交付(integrated project delivery，IPD)模式起源于發(fā)達(dá)國(guó)家的一種新興項(xiàng)目交付模式，其核心原則之一是要求項(xiàng)目主要參與方早期參與設(shè)計(jì)，有助于解決傳統(tǒng)DBB模式設(shè)計(jì)和生產(chǎn)施工割裂的問題，也因此適合應(yīng)用于裝配式建筑項(xiàng)目[6]。按照IPD原則的要求，在裝配式建筑設(shè)計(jì)階段，生產(chǎn)方、施工方等項(xiàng)目參與方要參與設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)工作出謀劃策，優(yōu)化設(shè)計(jì)成果，以減少后續(xù)生產(chǎn)和施工階段潛在的問題。如施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，施工方可從施工性角度提出意見建議；設(shè)計(jì)預(yù)制部品部件拆分時(shí)，生產(chǎn)方從預(yù)制部品部件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的角度提出意見建議；深化設(shè)計(jì)預(yù)制部品部件時(shí)，施工方從預(yù)制部品部件現(xiàn)場(chǎng)易安裝的角度提出意見建議。項(xiàng)目多參與方協(xié)同工作，有利于裝配式建筑設(shè)計(jì)成果達(dá)到精益求精，為后續(xù)建造階段提供高質(zhì)量、可信賴的生產(chǎn)施工依據(jù)。但對(duì)于如何在裝配式建筑項(xiàng)目中IPD應(yīng)用及應(yīng)用效果如何，迄今仍缺乏相關(guān)研究和實(shí)踐。

本研究結(jié)合我國(guó)工程實(shí)際，提出了一種具有可行性、可操作性和先進(jìn)性的裝配式建筑IPD應(yīng)用框架，明確裝配式建筑設(shè)計(jì)階段的協(xié)同工作流程及施工階段對(duì)相關(guān)技術(shù)手段的要求。

1 IPD及其核心原則

根據(jù)2003年Kent，Becerik-Genber的問卷調(diào)查結(jié)果，被業(yè)內(nèi)最廣泛接受的IPD的定義是美國(guó)建筑師協(xié)會(huì)(American Architects Associate，AIA)在其2007年發(fā)布的IPD指導(dǎo)手冊(cè)中給出的[7]。AIA將IPD定義為一種將商業(yè)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、實(shí)踐與人員集成至項(xiàng)目實(shí)施過程中，充分利用每個(gè)項(xiàng)目參與方的知識(shí)和遠(yuǎn)見，達(dá)到優(yōu)化項(xiàng)目執(zhí)行結(jié)果，提升項(xiàng)目對(duì)于建設(shè)方的價(jià)值，在制造和建造等項(xiàng)目實(shí)施各個(gè)階段中減少浪費(fèi)和提高效率的目的的項(xiàng)目交付模式[8]。

IPD通過合同約束將項(xiàng)目各參與方組合成為收益共享、風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)的利益共同體。在該前提下，其核心原則之一為：要求項(xiàng)目主要參與方在項(xiàng)目早期即參與項(xiàng)目設(shè)計(jì)，共享己方智慧和經(jīng)驗(yàn)，通過協(xié)同工作來完成精益求精的設(shè)計(jì)成果。在執(zhí)行效果上，雖然項(xiàng)目多參與方協(xié)同設(shè)計(jì)會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期，但在精益求精的設(shè)計(jì)成果指導(dǎo)下，施工階段的返工和設(shè)計(jì)變更將顯著減少，施工工期和成本也會(huì)顯著降低。在Kent，Becerik-Genber所調(diào)研的IPD項(xiàng)目中，70.3%項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了成本節(jié)約，59.4%項(xiàng)目成功縮短了工期[7]。除了設(shè)計(jì)階段的協(xié)同工作之外，在生產(chǎn)和施工階段，相比于傳統(tǒng)項(xiàng)目交付模式，IPD還要求加強(qiáng)對(duì)于進(jìn)度計(jì)劃的管理及使用先進(jìn)的技術(shù)輔助項(xiàng)目管理[9]。

2 裝配式建筑IPD應(yīng)用框架

由于缺少完善的法律和制度支撐、先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái)支持和成熟的理論指導(dǎo)，IPD現(xiàn)階段在我國(guó)還難以真正落地[10]。如IPD要求在項(xiàng)目初期確定各主要參與方，但我國(guó)固有的招投標(biāo)流程則要求必須先有施工圖才能進(jìn)行施工招投標(biāo)，這與個(gè)別IPD核心原則相悖。為此，本研究結(jié)合我國(guó)裝配式建筑實(shí)際發(fā)展情況，盡可能滿足前文所述的IPD核心原則，建立了裝配式建筑IPD應(yīng)用框架，該框架包含3個(gè)關(guān)鍵要素：設(shè)計(jì)階段進(jìn)行多參與方協(xié)同設(shè)計(jì)及協(xié)同深化設(shè)計(jì)、施工階段基于末位計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)度管理、全過程應(yīng)用建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)。

2.1 多參與方協(xié)同設(shè)計(jì)及協(xié)同深化設(shè)計(jì)

裝配式建筑傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程是線性的，即設(shè)計(jì)階段由設(shè)計(jì)方獨(dú)立完成施工圖設(shè)計(jì)，圖審?fù)ㄟ^后進(jìn)行生產(chǎn)方和施工方的招投標(biāo)，生產(chǎn)階段由生產(chǎn)方獨(dú)立完成預(yù)制部品部件深化設(shè)計(jì)，施工階段由施工方獨(dú)立完成施工措施深化設(shè)計(jì)。該流程中，設(shè)計(jì)工作并非在設(shè)計(jì)階段全部完成，而是被分散至不同階段，且各個(gè)階段相對(duì)割裂，缺乏協(xié)同。

基于IPD項(xiàng)目主要參與方早期參與設(shè)計(jì)的核心原則，本研究首先提出初步方案，再與裝配式建筑項(xiàng)目管理專家確認(rèn)其可行性，經(jīng)反復(fù)迭代，建立裝配式建筑多參與方協(xié)同設(shè)計(jì)及協(xié)同深化設(shè)計(jì)流程(見圖1)。通過該協(xié)同設(shè)計(jì)及協(xié)同深化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成果將不斷被優(yōu)化，從而減少后續(xù)生產(chǎn)和施工階段潛在的構(gòu)件出錯(cuò)需重新生產(chǎn)、返工及設(shè)計(jì)變更等風(fēng)險(xiǎn)。下面從時(shí)間節(jié)點(diǎn)、項(xiàng)目參與方、實(shí)施過程、協(xié)同工作平臺(tái)4個(gè)方面對(duì)該流程進(jìn)行闡述。

圖1 裝配式建筑多參與方協(xié)同設(shè)計(jì)及協(xié)同深化設(shè)計(jì)流程

2.1.1時(shí)間節(jié)點(diǎn)

裝配式建筑多參與方協(xié)同設(shè)計(jì)及協(xié)同深化設(shè)計(jì)應(yīng)在施工圖圖審后、預(yù)制部品部件生產(chǎn)和施工開始前進(jìn)行。一方面受限于我國(guó)固有的招投標(biāo)流程，無法在項(xiàng)目初期就確定各主要參與方；另一方面是生產(chǎn)方和施工方過早參與設(shè)計(jì)所能發(fā)揮的價(jià)值有限。在施工圖圖審之后，可確定生產(chǎn)方和施工方，由于裝配式建筑項(xiàng)目的地下部分和地上首層部分一般不涉及裝配式構(gòu)件，可以率先開始施工，而在此時(shí)間段內(nèi)，則有時(shí)間和條件進(jìn)行裝配式建筑多參與方協(xié)同設(shè)計(jì)及協(xié)同深化設(shè)計(jì)。雖然，此時(shí)施工圖已基本確定，但只要預(yù)制部品部件還未開始生產(chǎn)和施工，就有機(jī)會(huì)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

2.1.2項(xiàng)目參與方

裝配式建筑多參與方協(xié)同設(shè)計(jì)及協(xié)同深化設(shè)計(jì)應(yīng)由建設(shè)方牽頭，由設(shè)計(jì)方、生產(chǎn)方和施工方協(xié)同配合來落實(shí)具體工作。另外，基于IPD的協(xié)同工作涉及多參與方、多專業(yè)領(lǐng)域，為保證各方之間高效的交流協(xié)作，BIM技術(shù)必不可少，即所有的協(xié)同設(shè)計(jì)工作和各方之間的交流均應(yīng)以BIM模型為媒介。考慮到當(dāng)前國(guó)內(nèi)部分設(shè)計(jì)單位和構(gòu)件廠不具備BIM建模和應(yīng)用能力，在整個(gè)過程中引入BIM咨詢方，專門負(fù)責(zé)根據(jù)施工圖建立BIM模型，并給予BIM方面的技術(shù)指導(dǎo)。

2.1.3實(shí)施過程

裝配式建筑多參與方協(xié)同設(shè)計(jì)及協(xié)同深化設(shè)計(jì)應(yīng)采取的實(shí)施過程如下。

1)團(tuán)隊(duì)組建 建設(shè)方牽頭項(xiàng)目各參與方組建IPD團(tuán)隊(duì)，并向各團(tuán)隊(duì)成員明確其工作任務(wù)和職責(zé)。

2)BIM建模 BIM咨詢方根據(jù)已通過圖審的施工圖建立對(duì)應(yīng)的包括建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、暖通、給排水等多專業(yè)BIM模型。如果設(shè)計(jì)方具備BIM建模和應(yīng)用的能力，該工作可由設(shè)計(jì)方直接完成。

3)設(shè)計(jì)方自查 設(shè)計(jì)方在BIM模型上進(jìn)行設(shè)計(jì)自查，自查內(nèi)容包括多專業(yè)碰撞檢查及潛在的設(shè)計(jì)漏洞等，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行及時(shí)整改。

4)生產(chǎn)方和施工方模型研判 生產(chǎn)方和施工方分別從己方角度出發(fā)，對(duì)BIM模型進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。如生產(chǎn)方可以考慮自身預(yù)制部品部件生產(chǎn)模臺(tái)尺寸的限制，對(duì)BIM模型中預(yù)制部品部件的拆分和模數(shù)協(xié)調(diào)提出建議，以使得生產(chǎn)階段所有預(yù)制部品部件均能正常生產(chǎn)，并能最大程度地發(fā)揮生產(chǎn)線生產(chǎn)效率；施工方可以考慮自身施工機(jī)具的限制，如塔式起重機(jī)最大起重量，對(duì)預(yù)制部品部件拆分提出建議，以使得施工階段在保證所有預(yù)制部品部件能正常吊裝的前提下，所選用的施工機(jī)具最經(jīng)濟(jì)合理。

5)設(shè)計(jì)成果修改 設(shè)計(jì)方根據(jù)上一步中生產(chǎn)方和施工方反饋的設(shè)計(jì)優(yōu)化建議，對(duì)BIM模型進(jìn)行優(yōu)化修改。對(duì)于一般項(xiàng)目，該研判修改僅進(jìn)行1輪即可得到相對(duì)優(yōu)化的方案；對(duì)于復(fù)雜項(xiàng)目，該研判修改可以循環(huán)進(jìn)行多輪，直至達(dá)到各方均認(rèn)可的優(yōu)化方案。

6)部品部件深化設(shè)計(jì) 生產(chǎn)方在優(yōu)化后的BIM模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行預(yù)制部品部件深化設(shè)計(jì)，建立深化設(shè)計(jì)模型。

7)部品部件深化設(shè)計(jì)研判 施工方從預(yù)制部品部件吊裝施工的角度，對(duì)預(yù)制部品部件深化設(shè)計(jì)提出優(yōu)化建議。如考慮塔式起重機(jī)吊裝的需求，預(yù)制部品部件中應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的預(yù)埋件等。

8)部品部件深化設(shè)計(jì)修改 生產(chǎn)方根據(jù)上一步中施工方反饋的優(yōu)化建議，對(duì)預(yù)制部品部件深化設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。同樣，根據(jù)項(xiàng)目復(fù)雜程度不同，該研判修改過程可以進(jìn)行1輪或多輪。

9)施工措施深化設(shè)計(jì)和施工實(shí)施文件編制 施工方以前面協(xié)同設(shè)計(jì)得到的設(shè)計(jì)BIM模型和預(yù)制部品部件深化設(shè)計(jì)BIM模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行施工措施深化設(shè)計(jì)，并利用BIM技術(shù)，完成施工組織設(shè)計(jì)和施工方案編制。

在以上協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同深化設(shè)計(jì)實(shí)施過程中，建設(shè)方應(yīng)全程跟進(jìn)追蹤，及時(shí)協(xié)調(diào)解決各參與方之間的矛盾沖突；BIM咨詢方也應(yīng)全程參與，為各參與方提供BIM技術(shù)解決方案。

2.1.4協(xié)同工作平臺(tái)

裝配式建筑協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同深化設(shè)計(jì)過程可能存在循環(huán)迭代式的工作過程，即針對(duì)同一設(shè)計(jì)成果進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，因此，同一設(shè)計(jì)成果就會(huì)存在多個(gè)不同版本，如何對(duì)版本進(jìn)行高效有序的管理對(duì)于裝配式建筑協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同深化設(shè)計(jì)過程的執(zhí)行至關(guān)重要。此外，在利用BIM模型作為協(xié)同工作信息交流媒介的同時(shí)，如何對(duì)信息進(jìn)行高效傳遞和管理，使正確信息在正確時(shí)間傳遞給正確的人也是需要解決的關(guān)鍵問題之一。因此，裝配式建筑協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同深化設(shè)計(jì)需基于線上的適配其工作流的協(xié)同工作平臺(tái)來實(shí)施[11]。

2.2 基于末位計(jì)劃系統(tǒng)的施工進(jìn)度管理

IPD核心原則之一為要求加強(qiáng)進(jìn)度計(jì)劃管理，其中所使用的重要技術(shù)手段之一為末位計(jì)劃系統(tǒng)(last planner system，LPS)[11]。傳統(tǒng)進(jìn)度計(jì)劃方法為推式計(jì)劃方法，依靠上層計(jì)劃時(shí)間節(jié)點(diǎn)去推動(dòng)下層計(jì)劃的編制和執(zhí)行，不能充分考慮下層計(jì)劃中任務(wù)執(zhí)行所需滿足的前置條件，如緊前任務(wù)、資源約束等，容易造成計(jì)劃和實(shí)際偏離。LPS為拉式計(jì)劃方法，采用多級(jí)動(dòng)態(tài)交互的方式制定計(jì)劃，制定下層計(jì)劃時(shí)充分考慮當(dāng)前進(jìn)度計(jì)劃的實(shí)際完成情況，確定最合理的任務(wù)順序和工作時(shí)間，確保任務(wù)開始前的一切前置條件均已滿足，從而減少進(jìn)度計(jì)劃的不確定性，增強(qiáng)其可靠性[12]。

傳統(tǒng)建筑施工一般以各施工段的分項(xiàng)工程為單位，所編制的進(jìn)度計(jì)劃較為粗糙；而裝配式建筑施工則是以預(yù)制部品部件為單位，需要編制精細(xì)到預(yù)制部品部件級(jí)的進(jìn)度計(jì)劃，充分考慮不同部品部件吊裝的先后順序及吊裝與其他工序的交叉配合[13]。LPS思想與該精細(xì)化進(jìn)度計(jì)劃管理的需求相契合，因此，在裝配式建筑施工過程中，宜基于LPS進(jìn)行進(jìn)度計(jì)劃的編排和管理，減小預(yù)制部品部件級(jí)施工的不確定性，提升施工效率。

2.3 全過程BIM技術(shù)應(yīng)用

在IPD項(xiàng)目中，僅靠二維圖紙已不能滿足多參與方協(xié)同工作和信息交流的需要，必須應(yīng)用BIM技術(shù)[10]。如前文所述，在裝配式建筑協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同深化設(shè)計(jì)過程中，始終以BIM模型作為信息載體。在生產(chǎn)和施工階段，同樣應(yīng)使用BIM技術(shù)作為提升生產(chǎn)力的工具。如設(shè)計(jì)階段進(jìn)行基于BIM技術(shù)的多專業(yè)模型碰撞檢查和建筑性能分析，生產(chǎn)階段進(jìn)行基于BIM技術(shù)的預(yù)制部品部件深化設(shè)計(jì)和自動(dòng)化生產(chǎn)加工，施工階段進(jìn)行基于BIM技術(shù)的施工模擬和預(yù)制部品部件虛擬預(yù)拼裝。

3 調(diào)研驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建立的裝配式建筑IPD應(yīng)用框架，本研究對(duì)北京建工李遂安置房項(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)研。在對(duì)20余名各參與方人員系統(tǒng)性講解IPD和裝配式建筑IPD應(yīng)用框架后，各參與方人員對(duì)該框架進(jìn)行了充分討論，并提出了相應(yīng)意見，所提出的意見均已在本研究中落實(shí)。經(jīng)過修改后，各參與方人員一致認(rèn)為，本研究所建立的裝配式建筑IPD應(yīng)用框架有助于解決當(dāng)前項(xiàng)目交付模式下裝配式建筑建造中存在的問題，且各參與方有意愿和條件來執(zhí)行該框架。因此，該框架具有先進(jìn)性和可操作性。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究結(jié)合我國(guó)裝配式建筑發(fā)展現(xiàn)狀，基于IPD核心原則，建立了裝配式建筑IPD應(yīng)用框架，該框架要求在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行多參與方協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同深化設(shè)計(jì)，以消除后續(xù)生產(chǎn)施工階段潛在的預(yù)制部品部件重新生產(chǎn)、返工和設(shè)計(jì)變更；在施工階段基于末位計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)度管理，提升進(jìn)度計(jì)劃的可靠性；全過程使用BIM技術(shù)作為協(xié)同工作的輔助工具。對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目和相關(guān)參與方人員的調(diào)研表明，所建立的框架具有先進(jìn)性和可操作性，對(duì)IPD應(yīng)用于我國(guó)裝配式建筑項(xiàng)目具有指導(dǎo)意義。