數字化建造引領復雜裝飾項目降本增效

劉飛 上海市建筑裝飾工程集團有限公司項目經理

隨著室內設計的表達形式越來越復雜，將藝術幻想呈現在現實世界里的同時控制好項目成本是一個難題。對于傳統建筑施工企業，由于生產方式過于粗放而導致的資源浪費嚴重成為項目成本管控的絆腳石。裝配式施工憑借損耗少、工期短等諸多優點本應成為很好的解決方式。但我國當下裝配式施工成本居高不下，嚴重制約了施工企業應用發展。如何以最低的施工成本提供最優質的項目是裝配式建筑發展的根本動力。BIM 信息技術具備高度可視化、協同化、仿真化、標準化、精細化等特點，能夠為降低裝配式建筑施工成本提供有效的信息化手段，促進裝配式建筑施工成本控制水平的提升，降低項目成本、提高功效[1]。

1 數字化建造的概念

在信息技術迅速發展的大環境下，傳統施工企業向精細化、數字化建造轉型升級的需求愈發迫切。BIM 和云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、人工智能等信息技術正在轉型升級。

“數字化建造技術”泛指利用BIM技術將信息對象轉化成數字信號，通過電腦存儲、處理，由計算機網絡進行傳輸的諸多軟硬件技術。其中，虛擬現實技術、智能科技、大型數據庫系統以及計算機網絡對于建筑設計的初期構思、設計方案優化和施工過程輔助等方面都發揮著巨大的作用。從過程上，數字化建造技術是建筑信息模型技術的綜合，呈現了建筑信息模型在測量、建造等實際過程的信息要點，是數字化、虛擬化、精細化控制建筑信息模型的深層次利用[2]。

2 數字化建造對于傳統建造在成本控制上的作用

2.1 模擬施工替代實體化工作

數字化并非單指所設計建筑的模型，還能模擬出平面圖紙上難以表達的工序、工藝，以及在前期階段無法實際實施事物的預演，比如節能減排、應急疏散、熱能傳導、安裝管線與裝飾構架飾面碰撞等各類模擬。施工階段的物料消耗和費用支出情況十分復雜，特別是在有復雜異形裝飾飾面的項目上，如果缺少數字化平臺的支撐，以傳統的技術手段勢必在圖紙深化、構造設計、小樣制作、實樣確認中浪費大量的時間成本、人力成本及物料成本，很難做到項目成本與進度、工序工藝的精確匹配。

而引進數字化BIM 技術后，在項目前期準備階段便可實施三維模擬建造，將大量實體化工作轉化為數字平臺的虛擬建造，能夠節約大量樣板材料損耗及時間成本。例如一旦發生設計變更或構造優化時，傳統模式下造價工程師需要進行手工比對差異后才能計算出變更對成本造成的影響。引入BIM 技術后，設計與成本軟件一致性關聯集成，能夠直觀地將變更內容可視化直觀地呈現出來，既提高了成本計算的成效，又增強了計算結果的可靠性[3]。另外，變更的內容效果也可以在虛擬平臺中即時呈現，避免因反復制作實物樣板造成的材料與人工的浪費。

2.2 提高資源利用率

BIM 技術在復雜異形飾面裝飾項目全過程管理中的應用能夠有效提高資源利用率，避免浪費或過度損耗。復雜異形飾面正式施工前需要開展施工方案策劃及構造節點深化設計工作，確保其準確性、合理性，以免影響工程的施工質量和效益。

在深化設計中，BIM 技術的合理運用能夠對所需資源及成本進行科學計算和分析，根據各階段作業要求展開規劃和處理，避免浪費或不正常的費用支出，保證工程作業的有效落實。與此同時，在BIM 技術的作用下，對造價成本加以嚴格把控，確保工程最終的經濟效益。傳統深化設計模式中，對技術及造價管理的重視度不高，會存在技術和成本控制不專業、不合理的現象，導致成本控制工作未能達到理想效果。但是在采用BIM 技術后會落實優化完善傳統裝飾深化設計中存在的薄弱環節，顯著提升裝飾構造節點的經濟性以及可行性。

2.3 優化改進深化設計質量與效率

深化設計環節對裝飾項目施工具有決定性作用，對工程造價及工程質量也有顯著影響。傳統深化設計方式主要采用 CAD 軟件設計繪圖，部分工作人員無法了解設計圖紙的主要內容，技術交底也出現了較為明顯的不足。應用數字化BIM 技術后可及時了解深化設計中的各項問題與不足，第一時間指出深化中的問題項，并采取有效的控制和處理措施。

BIM 技術可在建模的基礎上，實現設計施工的可視化，工作人員也可更加合理和準確地掌握設計中的主要內容，基于建筑模型可視化，全面了解工程的特殊需求。在深化設計審核工作中，確定深化意圖。深化設計期間若發現明顯的設計問題和相關專業問題，BIM 技術則會及時跟進調整，從而保證工程深化設計的整體效果于質量。

3 數字化建造在金磚銀行異形吊頂降本增效的應用

3.1 董事會議室吊頂介紹

金磚銀行30F 董事會議室，設計師設計了一個整體呈橢圓形喇叭口形狀（圖1）、表面有三角形面片組成、總計約有3 000 多塊大小不相等的金屬板塊喇叭造型的吊頂。整體寓意代表著中國向這世界喊話，引領時代的步伐。

3.2 施工方案初步設想

這個設計方案主要有以下幾個難點：

（1）曲面造型，預計大量出現雙曲飾面。針對雙曲異形，由于BIM 技術的興起，模型制作配合工廠數字化加工，想要實現復雜的設計已不再是難事。

（2）使用什么材料來實現設計的意圖。使用純金顯然是不現實的，一開始考慮GRG 表面金箔的處理方式，但試驗下來效果并不能讓人滿意。經過多重比選，最終選擇了銅鋁復合材料，由表皮黃銅來詮釋色澤與金屬的質感。通過銅鋁復合，在減少整個吊頂荷載同時可以增加整個吊頂的強度及易加工性。

（3）保證曲面造型的和諧順暢。一般曲面造型為了減少曲度，會采用沿曲面法線豎向排布或者采用其他更易控制的三角形或者六邊形。最終在權衡造價、加工周期與加工設備綜合考量之后，本項目選擇以三角組合方式來實現最終的施工。曲面的順滑度是決定最終完成度的最重要的環節。曲面在現實空間中的三維定位是除了曲面材料之外更大的挑戰。因此曲面背后的龍骨，也必須采用參數化設計，而非傳統的主次龍骨。并且每一個安裝節點都需要具備三維可調。

若按傳統的手工方式要解決上述難題，唯一的做法就是現場放樣，制作大量1∶1 的實物套板，現場拼裝調節完畢后再到工廠進行加工生產，這樣會造成較大的浪費及時工期上的延誤。本項目引入了數字化建造技術來提高前期深化設計的效率，通過裝配式施工來節省施工過程中的時間成本及材料的損耗。

3.3 數字化建造在項目降本增效的應用

當團隊拿到設計下發的施工圖紙后，第一時間就對原投標方案進行了對比測算，發現結果極不樂觀：按照現有的施工圖紙，項目將出現較大的虧損。

通過成本測算對比發現（表1），僅一項吊頂施工就要虧損94.7 萬元。再加上前面所述的采用傳統手段解決異形裝飾面的施工造成的時間與資源的浪費，更是難以估計。因此本項目采用了BIM數字化建造技術針對降本增效采取一系列的措施，具體內容如下。

表1 成本對比分析表

3.3.1 深化階段的數據采集與逆向建模技術

異形裝飾面與常規裝飾面相比，其主要難點在于現場測量與精準定位問題。平面設計圖紙轉換到空間實體的過程中，一旦某些關鍵數據出現偏差，最終往往導致異形飾面在正式安裝時無法形成最終的閉合，只能再收頭部位草草處理、強行安裝，影響工程質量與觀感效果。精準的現場實際數據是所有精細化裝飾施工的基礎。傳統測量方式精度不足且誤差較大，尤其像金磚銀行董事會議室喇叭吊頂這種大量雙曲異形裝飾面材料的分割、下單，對現場數據要求更高。而且傳統測量結果只能以二維圖紙呈現，空間上的過度變化難以體現，更無法直接指導深化設計與材料下單。

針對這個問題，采取的辦法是用三維激光掃描技術采集現場環境數據。該技術可以真正做到直接從實物中進行快速的逆向三維數據采集及模型重構，無需進行任何實物表面處理，其激光點云中的每個三維數據都是直接采集目標的真實數據，使得后期處理的數據完全真實可靠[4]。

由于技術上突破了傳統的單點測量方法，其最大特點就是精度高、速度快、逼近原形。在項目實施過程中，通過應用三維激光掃描儀，在喇叭吊頂深化設計前對董事會議室現場實際結構數據進行采集，通過點云數據快速構建出吊頂所在空間的三維模型，以及線、面、體、空間等各種制圖數據，整體誤差低于4 mm。數字化測量省去了傳統測量還需搭設登高設施的時間、材料與人力成本，加上本身高速、精準的測量方式，為喇叭吊頂的后續構架深化與飾面板塊的設計拆分打下了堅實的基礎。

通過此項技術，項目極大的縮短了現場測量數據使用的時間，增加了測量的成效。同時因為是無接觸測量，省去了腳手架的搭設工作降低了措施費成本。

3.3.2 數字模型應用基層優化降本

由于基層施工也是項目的一個虧損點，本項目通過應用BIM 模型進行受力分析，減小截面大小、排布間距，使結構在滿足設計要求的同時，富余部分最小化。

（1）受力分析降低成本

根據原設計要求的數據,面層荷載為35 kg/m2，結構應力為215 N/mm2，結構位移為10 mm。原設計圖紙鋼架尺寸為120＊60＊5 mm 的矩形管，吊桿、主鋼之間的間距為1 m，用鋼量為8.2 t。相比投標虧損6.1 萬。經過結構軟件分析，發現設計存在大量富余部分。

根據模型受力分析結果，對富余部分結構進行優化，減小鋼材截面尺寸，縮小至100＊50＊5 mm 的矩形管，增大吊桿間距至2 m，主龍骨間距1.5 m，鋼材重量減少至7.3 t，節約成本3.5 萬。

（2）次鋼構預制化

根據傳統工藝，次鋼構算在基層報價內，由鋼結構廠單獨加工。但該項目為異形造型曲面，空間變化多造成次鋼切割、焊接費用高，加上設計選用50＊50＊5 mm矩形管，重達4.26 t，建造代價較大。為了改變這個情況，本項目運用了模塊化施工方案，利用裝配化思路，把次鋼架與面層進行整合，采取工廠化預制加工提高基層的安裝效率以及精度。次鋼材料則可使用5 mm 厚鋼板替代，重量減輕2 t，降低原材料成本。通過對基層的優化，最大限度的節省了用鋼量及現場安裝周期，對將本增效起到了較好的作用。

3.3.3 基于BIM 模型的飾面板塊優化降本

按照原設計模型主要有以下幾個虧損點。一是變化幅度大，板塊數量多。板塊從下最小的100 mm 寬開始至最上1 500 mm 寬（圖2），變化幅度大，導致塊數多達3 千片。二是板塊加工困難，1 500 mm 的寬度大于標準銅板材尺寸為1 100 mm，加上每塊三角面板均為弧形，所以必須開模澆筑工藝實現。三是投標時候未考慮工藝做法，僅考慮鋁板安裝，未根據板塊的樣式考慮澆筑工藝、蜂窩鋁板復合工藝以及拼裝加工費用等。

圖2 原設計BIM 模型（單位：mm）

為了在保證設計效果的前提下降低項目成本，還是通過數字化建造技術，經過板塊分割、排版深化。

（1）板塊分割降本

飾面板塊的分割應考慮加工過程、運輸過程及存儲過程中對尺寸、重量的限制。可通過參數化BIM 分析軟件（如Rhino+Grasshooper、Dynamo 等） 進行不同分塊方案的模擬。首先，通過BIM軟件三維建模，模擬了最低點6.7 m，最高點9 m 的整個“喇叭頂”的造型。結合圖紙樣式、三維模型及銅板自身材質，將喇叭吊頂從上至下分為1 000 mm至300 mm 的漸變尺寸。寬度盡量按照與高度相等分割，盡可能構成等邊三角形，使整體造型更飽滿，把3 000 片三角板減少至1 729 片，板塊模數總體減少了60%，控制在40 幾種左右。由此拼裝費節省5 萬元。此分割方式與平板造型均得到了設計師認可，因此工藝順利的由鑄造的方式改為銅板切割，節省制造費用52 萬元。

（2）排版深化降低損耗

解決了板塊分割問題，之后就是對飾面排版的深化。從面層BIM 模型中把分割完整的表皮展平成二維的三角板塊，經過表皮模型的參數化排版、輸出，確定加工非標準尺寸板，損耗減小至10%以內。繼續通過在原有標準板塊上打亂順序重新排列的方式，將最終損耗控制到了5%以內。

3.3.4 模擬施工優化安裝方式

從以往的工程經驗可以知道，傳統的施工方式在異形飾面施工時有很多弊端，往往會邊施工邊現場調整施工方式來確保飾面安裝的效果。而在喇叭吊頂施工時，利用了數字化建造技術，對安裝工藝進行了優化與預演，及時發現可能出現的問題，提高施工現場效率，加快工廠內的加工及調整速度、節約成本，增加產品質量[5]。通過模擬施工將1 729塊三角片劃分為120 片單元塊，減少將近65 個人工時，降低成本4 萬元。并且所有板塊均在工廠內加工拼裝，控制了尺寸精度，提高了產品質量，極大的減少了后期整改的費用。

另外，對單元板塊安裝進行了動畫模擬（圖3），通過合理的節點模擬，減少產品安裝的返工，提高效率。

圖3 動畫效果圖

4 數字化建造應用在金磚銀行降本的成效

數字化建造技術在本項目的應用，改變了傳統的深化設計方式。BIM 工業化軟件的運用，改善了傳統深化速度慢、效率低、修改困難、復雜異形造型表達不準確、無法與加工設備交互，資源浪費等問題，極大的提高了深化的工作效率。基于BIM 模型進行深化設計、施工方案選擇、加工排版優化，BIM 模型已經貫穿至了項目的每個方面。精確的模型數據在項目全生命周期得到了應用。依托數字化建造技術，本項目深度結合了裝配化的生產方式，將原先大部分施工現場的時間及產品質量風險移至工廠，提高了現場實際施工效率，也增加了產品的精度和質量。在實現建筑工業化落地的同時，極大的降低了建造成本。

通過數字化建造技術的運用，喇叭吊頂的實際成本不僅低于傳統工藝的實測成本，且還比投標報價降低了8 萬元，使原本項目的虧損點逆轉為了贏利點。

5 總結

復雜裝飾面的深化設計、施工成本居高不下一直是困擾建筑裝飾施工企業的痛點。傳統工藝的浪費及工效低下以及質量的不穩定性一直亟待解決。通過對復雜裝飾飾面進行數字化建造技術應用，能夠做到可視化、無實際原材料浪費的施工方案比選，模擬可實施性。在實際施工中，通過數字模型與工廠化加工、裝配式施工相結合的方式，既縮短現場加工周期，又保證了質量的穩定性，最終實現整體降本增效。

綜上所述，應充分發揮數字建造技術與裝配式施工的優勢結合，形成一套業務落地、技術領先的數字化建造裝配式施工體系，為裝飾企業通過技術手段降本增效提供全面解決方案與更有價值的服務。