基于BIM 的預制構件安裝施工技術研究

文／陸軍 廣州筑正工程建設管理有限公司 廣東廣州 510000

引言：

墻板是建筑工程當中的重要組成部分，有效完成墻板安裝施工活動，可提升整個建筑工程的建設質量，有利于整個建筑的后續使用。傳統建筑墻板安裝施工時，只是簡單對計算機進行應用，如施工二維圖紙的設計等，對墻板安裝施工具有一定幫助。然而隨著現代建筑工程規模的不斷擴大，墻板安裝施工量逐漸增加，若依然采用常規施工工藝與技術，則會導致工程中經常出現一些問題，影響工程的后續使用，而應用BIM 技術后，則可有效改善這一情況。

1、BIM 技術概述

所謂的BIM 技術，指的是建筑信息模型技術，即根據建筑工程的具體情況，構建出相應的BIM 工程行，通過該模型將與工程相關的信息展示出來，以此為工程的建設提供支持。相對于傳統施工技術來說，BIM 技術具備以下幾個方面的特點：（1）可視化。是BIM 最為基礎的特點，能夠構建出三維、四維乃至更多維度的模型，該模型內，包含了與工程項目相關的所有信息，任何參與單位通過對模型的觀察，均可對工程情況產生準確的了解。（2）模擬性。在招投標階段，可利用BIM 對整個工程的建設情況予以模擬，及時發現施工中存在的問題，并制定出相應的優化方案，以提升工程的建設質量[1]。（3）協調性。現代建筑工程建設時，通常由諸多單位共同參與，各單位完成不同的工作，確保各參與單位間有效交流與溝通，能夠為工程的建設打下堅實基礎。施工方案設計時，各參與單位可根據本專業項目的特點，對BIM 模型做出適當調整，判斷各專業施工方案是否存在沖突，防止后續出現工程變更的問題。施工時，可動態將各專業的施工情況展示出來，有利于后續施工任務的安排。（4）可出圖。根據工程施工需求，可將BIM 模型轉化成圖紙、工程量清單等，以此為工程的建設提供支持。

2、某工程概述

本次研究當中，主要采用了某項目，建設用地面積為138490 m2，總建筑面積為39 萬m2，包含23 棟單體住宅及2 棟幼兒園、1 棟物業及養老用房、1 棟物業管理用房、4 棟配電室，住宅單體高度82m，采用裝配式整體式剪力墻結構體系，預制裝配率50%，裝配式建筑實施面積23萬m2。由于工程規模較大，為了縮短施工周期，建設單位擬采用裝配式施工方案，并配合BIM 技術。該項目三維模擬圖如圖1 所示。

圖1 某工程三維模擬圖

3、基于BIM 的預制墻板安裝施工技術

3.1 建模流程

該工程建設過程中，采用了裝配式結構預制構件施工工藝，由于工程規模較大，內部涉及眾多預制構件，且建筑結構較為復雜，使得工程施工難度較高，很容易受到各方面因素的影響而出現質量問題，不利于工程的后續使用。為了保證工程的施工質量，項目建設時，對BIM 技術進行了應用。現代建筑工程領域，存在多種不同類型的BIM 軟件，通過對各種BIM 軟件的對比，結合本項目的建設需求，最終采用了兩種BIM 軟件：Autodest Revit與Navisworks Managemene。在Autodest Revit 當中，是以常規CAD 軟件為基礎開發出來的，但相對于CAD軟件來說，該軟件功能更加完善，并非利用簡單的“點”、“線”、“面”繪圖，二是通過不同的“族”構建出構件模型，使得模型更加清晰與直觀。同時，該軟件構建出建筑模型后，可自動傳輸給Navisworks Managemene 軟件，由該軟件對模型予以深層次處理，具體流程如圖2 所示[2]。

圖2 BIM 應用流程圖

3.2 預制墻板的參數化建模

3.2.1 預制構件族文件的參數化建模

Autodest Revit 運行時，族是最為基礎的單元，通過族的參數化處理，完成工程模型的構建。無論是模型圖元，還是注釋圖元，都是以族為基礎構成的。在Revit 軟件內，包含一定的編輯器，用戶可根據實際需求，隨意對族進行編輯。根據族特點的不同，可將其劃分成三種類型，具體如圖3 所示。

圖3 Revit 族的分類

（1）系統族。用于構建建筑圖元，如墻板、樓梯等，也可用于對標高、軸網等的設置。在軟件內，系統族是系統內自帶的，無法將其他內容添加到模型內，也無法對項目外的內容進行存儲。

（2）可載入族。可構建部分預制構件，也可對構件進行注釋。相對于系統族來說，該族屬于外部內容，主要在“.rft”內創建，創建結束后，才可傳輸至項目內。

（3）內建族。在部分特殊項目創建時，所需要采用的圖元類型。在創建方法方面，基本與可載入族相同，而在存儲使用方面，則與系統族相同[3]。

3.2.2 預制夾心保溫墻板的建模

在Revit 軟件內，基本墻材料構件族、保溫板材料族與鋼筋形狀族文件分別為不同的族類型，因而在構建預制墻板構件族時，采用了嵌套式的方式。就好像百葉窗樣板族那樣，在軟件內，先構建出相應的窗框架，與此同時，以公制模型為基礎，構建出百葉模型，并將其嵌入至窗框當中。從結構受力角度來說，可將剪力墻看作扁平柱，在Revit 軟件內，墻板在系統族范圍內，不可載入，也無法對其修改，因而在墻族構建時，主要在“公制結構柱.rgt”族樣本中完成。對于墻板與保溫板來說，在可載入族的范圍內，建模方法完全一致。因而本文以強本為例，介紹了建模過程：在軟件內，選取對應的樣板族，并打開“公制結構柱.rft”，構建出幾何圖樣，通過參數化的方式，構建族與構件關聯性，并明確族類型，賦予土圖樣相應的可見性。上述族構建完成后，在對應樣板內，添加預制墻板組，并根據工程建設需求，通過參數化處理的方式，構建預制夾心保溫墻板的模型。

3.2.3 預制樓梯與陽臺的建模

在本工程存在多種類型的預制構件，不僅包括夾心墻板，而且還有樓梯、陽臺等預制構件。對于Revit 軟件內的樓梯來說，在系統族的范圍內，樓梯族構建時，無法由外界導入。在樓梯模型構件時，不論是結構整體，還是各分結構，均應單獨設立，操作簡單，可得到良好的樓梯方案圖，為后續施工打下良好基礎。建模時，在系統內，點擊對應的系統族，在族內適當位置處，添加相應的圖元屬性，同時為了保證樓梯的穩定性，還應在視圖內，添加鋼筋元素，以此構成“樓梯組”，對于陽臺等其他類似預制構件來說，建模流程與此基本相同。

3.2.4 參數化創建墻板斜支撐與節點模板族

施工時，為了保證墻板安裝施工活動安全進行，應在現場適當位置處，構建出相應的臨時支撐，用于對墻板固定。本工程當中，對墻板固定時，選擇的是可調節斜支撐螺桿的方式，其中，一端固定在墻板上，另一端固定到地面適當位置處。在Revit 軟件內，點擊“公制結構框架－梁與支撐”族樣本文件，以此構建支撐桿族；點擊“常規模型”選項，構建預埋螺栓族；點擊“基于面的公制常規模型”選項，構建托板族。

3.3 裝配式結構可視化施工

3.3.1 4D 進度管理

以往工程建設時，采用的是甘特圖模式，通過該圖像的應用，可較為清晰地展示出工程的建設情況，但需要注意的是，甘特圖也存在一定缺陷，即只是靜態的圖像，不能動態顯示施工流程，而對于裝配式施工工藝來說，本質上為動態的操作過程，若僅采用甘特圖的方式予以展示，則難以直觀體現出工程的建設進度，在一定程度上影響工程的管理。而應用Navieworks 軟件的應用，則看動態顯示出工程建設進度，有利于施工計劃的優化與調整[4]。

對于某工程來說，可劃分成2 個模塊，一個是三層以下，這一模塊內，包含地基、剪力墻、樓板等部分，另一個是三層以上，這一模塊內，包含內外墻板、樓板、樓梯等。針對這一情況，在4D 模型構建時，主要流程為：先完成1～3 層的施工活動，然后由下至上依次完成高層的施工活動，針對施工過程，將整個施工活動分解成多個小項目。在Navieworks 軟件內，添加相應的施工橫道圖，并以此為基礎，設置施工進度計劃信息，可利用其他軟件制定計劃方案后導入，也可直接在軟件內制定、優化與調整。

在Revit 軟件當中，先按照一般流程構建出三維工程模型，之后以此為基礎，添加相應的施工進度計劃，利用“mpp”與“nwc”文件的形式，融入到Navieworks Manage 軟件內，以此構建出4D 進度模型。本研究當中，由于字符數有限，因而僅采用部分施工活動作為研究對象，構建出相應的4D 進度模型，如圖6 所示。

3.3.2 施工關鍵技術指導

由上述分析可知，BIM 技術存在諸多特點，可視化是其中較為重要與關鍵的一個，正是這一特點的存在，可使BIM 軟件能夠繪制出更加生動形象，且更加符合工程具體情況的動態圖像，在該圖像當中，不僅可展示出工程的整體情況，而且還會有效顯示工程的細節情況，從而為工程的建設提供支持。某工程建設時，采用的是裝配式施工工藝，對于項目下面三層部分來說，以現澆混凝土結構為主，而對于四層以上部分來說，則以裝配式結構為主。

裝配式結構施工時，需要采用大量的預制構件，工程建設情況不僅受到這些構件質量的影響，而且還與構件安裝精確性有關，只有生產出高質量的預制構件，且嚴格按照設計方案要求，將構件安裝到指定位置處，才可提升整個工程的建設質量。因此本工程施工過程中，為了保證構件固定的精確性，通過鋼筋定位板的方式，確定出預埋鋼筋的位置。對于該工具來說，由兩部分構成，一個是角鋼，另一個是鋼面板，在鋼面板上，存在適當大小的鋼筋插孔，其尺寸高于鋼筋直徑460mm。針對前期測量出的定位線，合理將定位板進行固定，構件吊運前，將定位板取出。

將預制墻板吊運至安裝位置后，為了確保墻板位置的精確性，還應予以適當調整，以提升工程施工質量。將墻板初步組裝后，以可調節斜支撐螺桿作為主要工具，對墻板予以固定，其中，一端固定在墻板上，另一端固定在地面適當位置處，對于斜支撐預埋件來說，與底部的距離控制在2000mm 左右，與墻板邊緣的距離控制在300mm左右。之后通過對螺桿的調節調整墻板位置、垂直度等，以確保墻板達到設計位置處；以水準儀為主要工具，測量墻板的標高，是墻板與水平面保持平行。若高于設計值，應重新調運鋪設，或是以千斤頂為主要工具，將墻板頂起，并放入適當厚度的墊片。

3.3.3 施工進度計劃指導預制構件

應用BIM 技術后，可構建出相應的4D 進度模型，以展示出工程的建設情況，通過對該模型的觀察，可準確了解每段時間對預制件的需求情況，以此為材料的采購、預制件的制作提供指導。首先，在BIM 軟件當中，可自動對4D 模型予以分析，以得到工程材料需求量，施工單位以此為基礎，對材料進行采購，防止出現材料浪費的問題，提升材料的使用率，保證施工現場的整齊性，以保證工程建設活動順利、安全進行。其次，在施工過程中，還可動態對施工情況予以監測，準確了解工程的建設情況，若發現構件用量與實際存在差異，BIM 技術可自動對這一情況予以分析，尋找出產生該情況的主要原因，并初步制定出相應的解決方案，以此材料準備工作的開展提供支持。與此同時，軟件還可向工作人員做出相應提示，使工作人員對該問題產生一定重視。最后，還可對現有施工方案中各專業進行碰撞檢查，及時發現各專業工程建設存在的碰撞問題，并對施工方案予以優化，以防止各專業碰撞而影響施工質量與進度。

3.4 預制構件的信息化管理

對預制構件管理時，為了進一步提升BIM 技術在知識城工程中的應用效果，本文在BIM 技術的基礎上，增加了RFID 技術，用于對構件編碼，以確保構件制造、運輸、存儲、使用時的合理性，為保證工程建設質量提供支持。

所謂的RFID 技術，全稱為射頻識別技術，指的是在未接觸的情況下，利用無線電識別的方式，將對應的編碼數據錄入至目標當中，在目標使用時，只需要對其進行簡單地掃描，即可直接將該物品的信息顯示出來。將該技術應用到工程管理當中時，主要包括下述幾個方面：（1）設計環節。在設計環節當中，需要根據工程具體情況，將其劃分成多個模塊，并對各模塊賦予相應的編碼。在構件制作時，為了保證后續構件拼裝工作有序進行，需要利用RFID技術，賦予構件對應的編碼，其中不僅包含數字序號，而且還有制造商、所用材料等信息。（2）運輸、安裝環節。根據工程施工需求，通過對構件編碼地掃描，取出對應的預制構件，并以吊車為主要工具，將構件運輸到設計位置處，并完成構件安裝工作。整個吊運與安裝作業時，均可通過RFID 編碼予以監測。（3）管理與維護環節。對墻板構件管理與維護時，可通過對RFID 編碼的掃描，獲取對應構件信息，及時發現出現故障的構件，并及時予以更換。

結語：

綜上所述，預制墻板安裝施工時，有效對BIM 技術進行應用，可提升工程施工質量，縮短工程施工周期，降低施工成本，對建設企業與社會發展均具有重要意義。通過BIM 技術的應用，不僅可以根據各模塊的需求情況，通過參數化建模的方式，構建出各結構的模型，對工程建設情況、構件制作等進行可視化管理，從而為工程的建設打下良好基礎。