BIM技術(shù)助力裝配式建筑智能建造

劉承靈 楊 婷 米宗寶 萬黔云 劉 陽

（中國建筑第四工程局有限公司，陜西 西安 710000）

關(guān)鍵字：BIM技術(shù)；建設(shè)周期；裝配式建筑；智能建造

裝配式建筑就是“像搭積木一樣蓋房子”，以建筑工業(yè)化理念解放了勞動力，現(xiàn)階段裝配式建筑發(fā)展最大的阻力就體現(xiàn)在設(shè)計、標準化、材料、工藝、管理上的水平欠缺，追根到底就是標準化程度不夠。而BIM技術(shù)是以三維數(shù)字技術(shù)集成建設(shè)項目各項信息建筑工程模型的技術(shù)，其本身也是一種建筑工程智能化管理的技術(shù)。裝配式建筑和BIM技術(shù)當(dāng)前最大的共同點就是“貴”，成本高、投入大，回報卻不直觀，現(xiàn)階段主要以政策驅(qū)動為主，通過智能建造理念將裝配式建筑和BIM技術(shù)融合，以BIM技術(shù)彌補裝配式建筑發(fā)展在標準化方面的短板，又以裝配式建筑發(fā)展的需要為BIM技術(shù)博得發(fā)展的契機，二者融合共贏，或許就能扭轉(zhuǎn)二者皆“貴”的局面。本文主要研究BIM技術(shù)對裝配式建筑智能建造周期的助力，主要包括工程設(shè)計、施工部署、深化設(shè)計、構(gòu)件生產(chǎn)、技術(shù)交底以及智慧平臺協(xié)同管理等方面。

某建筑面積19萬m2的高層住宅項目，建設(shè)過程在設(shè)計、深化設(shè)計、場平布置、三維圖紙會審、施工模擬、工程算量、可視化交底、預(yù)制構(gòu)件深化加工、平臺化應(yīng)用方面全面應(yīng)用BIM技術(shù)，取得了可觀的經(jīng)濟、社會效益。

1 全建設(shè)周期的模型迭代

規(guī)劃、建筑、結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計與傳統(tǒng)工程建筑一致，此處不做過多研究，主要強調(diào)設(shè)計階段需考慮到裝配式建筑的特點，盡可能做到部品部件的標準化。

為了降低BIM技術(shù)應(yīng)用成本并縮短應(yīng)用周期、使得各應(yīng)用階段銜接更加緊密，就要避免設(shè)計、生產(chǎn)、施工、運營各行其政的現(xiàn)象，要求各專業(yè)模型之間可以無損兼容，優(yōu)先采用具有IFC格式輸出接口的建模工具，結(jié)構(gòu)設(shè)計常用的PKPM軟件、施工常用的PKPM、REVIT、SKETCHUP、FUZOR等就具備該條件。

全建設(shè)周期的模型迭代主要包括：

（1）設(shè)計階段考慮部品部件的標準化和模型成果的通用性；

（2）預(yù)制構(gòu)件拆分深化時直接將結(jié)構(gòu)設(shè)計成果導(dǎo)入PC深化設(shè)計軟件，然后采用數(shù)據(jù)交互插件導(dǎo)出構(gòu)件生產(chǎn)線專用生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為自動化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)；

（3）模板、腳手架等技術(shù)措施方案，主要以鋁合金模板、集成式全鋼爬架為代表，深化過程采用專用設(shè)計軟件，以PKPM LMB為例，就可以直接將PKPM結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入，然后進行自動化配模設(shè)計，但需注意的是，鋁合金模板、集成式全鋼爬架的深化需與預(yù)制構(gòu)件拆分深化密切配合、穿插進行；

（4）施工建模階段，主要包括工程施工模型、施工部署、BIM商務(wù)算量等方面，輔以復(fù)雜節(jié)點模擬、工序模擬等內(nèi)容。工程建模主要將主體設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件拆分深化等模型進行整合優(yōu)化，增加機電管線綜合排布、碰撞優(yōu)化等內(nèi)容，用來進行圖紙三維會審、設(shè)計優(yōu)化、設(shè)計交底；施工部署方面主要將前述模型成果進行匯總并按照施工流水分段，進行現(xiàn)場平面布置、交通流線、資源配置等優(yōu)化；

（5）工程建造階段，以前期各準備階段模型成果為基礎(chǔ)，以數(shù)字化智慧工地平臺為依托，進行現(xiàn)場可視化交底、檢查、驗收等過程管理工作；

（6）后期運維階段，整合建設(shè)全周期的BIM模型，采用數(shù)字交互插件導(dǎo)出通用（以ifc為代表）BIM模型，建設(shè)項目數(shù)據(jù)庫，用作后期項目運營、監(jiān)測、維護、改造以及糾紛處理的依據(jù)。

需要強調(diào)的是，全建設(shè)周期模型迭代可行的必要條件是標準化，即部品部件的標準化、建模方法的標準化以及模型成果的標準化，只有這樣，才能打破BIM技術(shù)“貴而不實”的局面，使其切實地為裝配式建筑智能建造服務(wù)，建設(shè)周期模型迭代流程如圖1所示。

圖1 建設(shè)周期模型迭代流程示意圖

2 虛擬施工部署推演

BIM技術(shù)助力施工部署主要體現(xiàn)在臨建方案設(shè)計比選、場地平面布置策劃、納入進度管理的BIM 4D可視化施工模擬等，具體包括：

（1）采用BIM技術(shù)進行臨建辦公、生活區(qū)、展示區(qū)設(shè)計，生成3D效果圖及漫游視頻進行方案比選，在控制成本的前提下，提高視覺展示效果以及企業(yè)CI融合度，做到經(jīng)濟、實用、美觀、大氣；

（2）應(yīng)用BIM建模、三維渲染以及720YUN平臺，搭建項目現(xiàn)場云觀摩模型，生成在線觀摩二維碼，用于項目觀摩策劃評審、匯報以及對外展示；

（3）應(yīng)用BIM技術(shù)進行部品部件建模、加工區(qū)建模、大型機械建模，形成企業(yè)族庫，然后進行標準化平面布置，實現(xiàn)塔式起重機、加工區(qū)、構(gòu)件堆場、施工道路等的最優(yōu)化布置，經(jīng)濟實用的前提下實現(xiàn)施工現(xiàn)場的美觀、大氣、和諧、統(tǒng)一，有效提升企業(yè)形象以及現(xiàn)場安全文明管理水平，有效吊重全覆蓋、施工道路優(yōu)化、加工區(qū)以及構(gòu)件堆場布置；

（4）引入BIM 4D概念，融入質(zhì)量、安全、資源、成本等的整合，將現(xiàn)場建筑物模型、臨建設(shè)施模型、施工環(huán)境等進度計劃進行關(guān)聯(lián)，鏈接進度計劃，進行現(xiàn)場施工平面分區(qū)、流水段劃分、勞動力及周轉(zhuǎn)材料投入的優(yōu)化，實現(xiàn)資源的扁平化投入。

3 三維圖紙會審

項目獲取設(shè)計提資后，第一時間安排人員著手開始進行建筑、結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建工作（優(yōu)先采用將設(shè)計方案模型導(dǎo)入并完善修改的方式，快速建模），在建模過程以及模型完成后的漫游檢查過程發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題或需要優(yōu)化的點，以設(shè)計答疑及圖紙會審的形式進行解決。

在模型建立的過程中開展圖紙會審工作，建立以Revit模型為基礎(chǔ)溝通平臺，更好地與建設(shè)單位、設(shè)計單位等項目各方進行圖紙問題的溝通。將設(shè)計變更、設(shè)計優(yōu)化、設(shè)計答疑等內(nèi)容在BIM三維模型進行標注，便于后期設(shè)計交底施工，如圖2所示。

圖2 三維圖紙會審程序

4 BIM技術(shù)助力預(yù)制構(gòu)件深化及自動化生產(chǎn)

以PKPM為例，作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用最廣泛的設(shè)計軟件平臺，其自身也具備預(yù)制構(gòu)件拆分、深化的功能，可在結(jié)構(gòu)建模與預(yù)制構(gòu)件深化之間無縫銜接，輸入項目參數(shù)后可以實現(xiàn)自動拆分、快速深化、自動合規(guī)性計算、智能優(yōu)化以及一鍵出圖。業(yè)內(nèi)其他建筑軟件平臺（例如廣聯(lián)達）也具備該功能，不同軟件平臺之間也可以通過標準、兼容的中間數(shù)據(jù)格式（IFC等）進行導(dǎo)出和導(dǎo)入。

采用BIM技術(shù)進行預(yù)制構(gòu)件拆分，充分考慮機電、精裝預(yù)留預(yù)埋，對三維模型進行漫游碰撞檢查，做到施工過程“零變更”，也為預(yù)制構(gòu)件自動化生產(chǎn)提供了可能。基于BIM模型，采用數(shù)據(jù)交互插件導(dǎo)出構(gòu)件生產(chǎn)線專用生產(chǎn)數(shù)據(jù)，輸入中控室數(shù)據(jù)中心，進行數(shù)控鋼筋自動化下料、數(shù)控鋼筋自動化綁扎、模臺自動清掃、自動拆模布模、自動涂油劃線、自動混凝土布料找平、配備抓鉤式堆垛設(shè)備的自動啟閉養(yǎng)護等，實現(xiàn)管理人員及產(chǎn)業(yè)工人減少50%以上。

5 可視化技術(shù)交底

裝配式建筑施工技術(shù)在當(dāng)前階段“貴”的一個原因就是工藝技術(shù)不成熟，經(jīng)驗豐富的管理人員及產(chǎn)業(yè)工人數(shù)量不足，人工成本高，采用BIM建模，然后生成關(guān)鍵節(jié)點展示模型、可視化虛擬質(zhì)量樣板、現(xiàn)場安全防護虛擬樣板以及工序模擬動畫，用于現(xiàn)場裝配式施工交底培訓(xùn)，必要時結(jié)合虛擬VR、AR、3D打印技術(shù)，進行預(yù)制構(gòu)件模擬吊裝、關(guān)鍵節(jié)點虛擬施工體驗，以此降低裝配式施工產(chǎn)業(yè)化工人門檻，全面提高管理人員及作業(yè)人員專業(yè)管理和技能水平。

在傳統(tǒng)的工序質(zhì)量管理、樣板引路以及施工現(xiàn)場安全管理方面，也可以應(yīng)用BIM技術(shù)提高項目管理水平。通過創(chuàng)建主體、砌筑、機電安裝、裝飾裝修等三維質(zhì)量樣板模型，在關(guān)鍵工序施工前采用該模型進行立體展示交底；通過工程建模及漫游展示功能，進行現(xiàn)場潛在安全隱患排查，并提前做出針對性的安全防護部署；通過BIM技術(shù)進行基坑支護、高大模板、腳手架等措施性技術(shù)方案設(shè)計建模，采用虛擬樣板模型進行危大工程方案交底，提高危大工程施工標準化水平，為施工現(xiàn)場安全管理保駕護航。

6 BIM工程算量

基于前文模型交互迭代的原則，將原主體建筑、結(jié)構(gòu)等專業(yè)設(shè)計模型以及預(yù)制構(gòu)件拆分深化模型導(dǎo)入BIM工程算量軟件平臺，然后對模型進行完善優(yōu)化，對軟件兼容性存在差異的部位進行調(diào)整，可以高效生成BIM算量模型。

BIM算量模型除了用于工程預(yù)算、決算等成本測算外，還可以用于指導(dǎo)項目措施鋼筋優(yōu)化、主材及周轉(zhuǎn)材投入分析（進而進行施工流水優(yōu)化），資源投入分析方面需與前文所述BIM 4D技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)各項資源的扁平化投入和高效利用，達到商務(wù)創(chuàng)效、降低成本和緩解項目資金壓力的目的。

7 BIM與VR、AR等技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

所謂的VR技術(shù)、AR技術(shù)歸根到底都是虛擬現(xiàn)實技術(shù)，VR以虛擬現(xiàn)實為主，通過頭戴設(shè)備等形式實現(xiàn)沉浸式三維虛擬環(huán)境體驗，而AR則是主打增強現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)虛擬模型在現(xiàn)實場景中的投射，而這兩種技術(shù)實現(xiàn)的前提都是BIM模型的創(chuàng)建。裝配式建筑施工過程，通過BIM建模然后以VR或AR的形式使管理人員和作業(yè)人員可以沉浸式體驗裝配式建筑的建造工藝，使得其在管理或施工方面的水平得到提高，以應(yīng)對當(dāng)前裝配式建筑施工領(lǐng)域?qū)I(yè)對口人員緊缺、人工成本高的問題。

隨著智能建造的發(fā)展，自動放線機器人、自動實測實量質(zhì)檢機器人等層出不窮，這些高自動化設(shè)施、設(shè)備、器械的實現(xiàn)，也都需要依托于成熟、精準的BIM模型。自動化設(shè)施設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用也與裝配式建筑解放勞動力、綠色發(fā)展的理念不謀而合。

8 智能建造平臺

智能建造平臺是項目建設(shè)的工地大腦，涵蓋施工進度可視化、安全BI、質(zhì)量BI、人員在線、物料在線、機械在線、鷹眼監(jiān)控等各個方面，通過一系列的傳感器、監(jiān)控設(shè)施、計量設(shè)備等全面采集施工現(xiàn)場人員、資源、環(huán)境等各項指標數(shù)據(jù)，與計劃進行對比分析，以BIM模型的形式對差異量進行反饋，形成智能建造平臺完整的生態(tài)鏈。

9 結(jié)語

在該項目的實際BIM技術(shù)應(yīng)用中，采用BIM 4D技術(shù)進行場平策劃、施工流水推演及優(yōu)化、設(shè)計方案優(yōu)化、深化設(shè)計，累計產(chǎn)生經(jīng)濟效益約430萬元；采用BIM技術(shù)進行三維圖紙會審、可視化交底、深化設(shè)計，可大幅降低施工難度、有效減少現(xiàn)場返工，切實節(jié)約工期75d；該項目BIM技術(shù)的全面應(yīng)用，也推動了企業(yè)內(nèi)部BIM技術(shù)水平的發(fā)展。

但仍顯不足的是，因項目未采用工程總承包的發(fā)包模式，在設(shè)計建模、深化建模、施工建模多方聯(lián)動方面的契合度較低，推廣應(yīng)用阻力較大，追根到底就是標準化程度不夠，但當(dāng)前階段BIM應(yīng)用領(lǐng)域魚龍混雜，很難在短期內(nèi)徹底達到足夠高的標準化水平，工程總承包的發(fā)包模式可以通過統(tǒng)一管理的方式有效補足該短板。