裝配式建筑設計管理中前沿信息技術的應用

文／高煒 北京天空建筑設計顧問有限公司 北京 100000

引言：

1、裝配式建筑概述

裝配式建筑，是傳統(tǒng)建筑的優(yōu)化和升級，它是將最初在施工現(xiàn)場進行制作的工作，轉移至加工工廠進行預制作，然后將加工完成的構件運回施工現(xiàn)場，采用保靠且高效的拼接方法，將零構件進行組裝，構建而成的建筑。

裝配式建筑早在1820年就誕生于世，最早應用于第一次美國移民高潮時期，其采用木構架以拼接的方式建筑的房屋就是一種裝配式建筑。而后在19世紀中葉，倫敦應用裝配式建筑技術，造就了第一座舉世矚目的大型裝配式建筑-水晶宮，在第二次世界大戰(zhàn)后，受形式所迫，諸多國家缺乏住房情況嚴重，為解決人民群眾的住房剛需問題，裝配式建筑技術發(fā)揮了其絕對性優(yōu)勢，從而進一步推進裝配式建筑技術的發(fā)展。但是，裝配式建筑技術直到20世紀才被全面推廣并得到大眾認可。現(xiàn)如在，隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展以及多元文化的融合，同時在國家相關政策出臺以及各地方政府的扶持的大好環(huán)境下，裝配式建筑迎來了大力發(fā)展的環(huán)境。

裝配式建筑優(yōu)勢突出，受到廣大群眾的認可，其優(yōu)點如下:第一，施工速度快，由于其將部分或者全部構件在工廠預先制作好，免去了復雜的現(xiàn)場作業(yè)工作，使得構件制作和其他的施工工作一起進行，實現(xiàn)真正意義上的同步作業(yè)，有效的節(jié)約時間，從而加快了施工的進度。第二，質量標準化，鑒于裝配式建筑的構件是在工廠實現(xiàn)標準化生產，使標準化成為了生產的標準，從而產品質量的可控性得到保證。第三，施工建筑質量高，基于構件良好的質量基礎上，采用焊接接頭的方式，實現(xiàn)高強度螺栓和鋼筋等配件的連接，加強建筑結構的抗震性能。第四，環(huán)境優(yōu)化，因為裝配式的構件加工由施工現(xiàn)場轉移至加工工廠，其產生的垃圾廢物也有施工現(xiàn)場轉移至工廠，并隨著工廠的廢物處理系統(tǒng)進行清除，進而優(yōu)化施工現(xiàn)場環(huán)境。第五，降低成本，由于裝配式建筑構件的制作需要模具，僅需一個模具就可以制作出大量且相同的結構件，減少材料的浪費又可進行大批量生產，在提高生產效率的同時大幅度降低了人工成本，材料成本和不必要的損耗。

截止目前為止，世界上還沒有能稱得上完美的建筑設計技術，裝配式建筑設計也一樣，雖然它有著諸多的優(yōu)勢和特點，但同時它也存在著一些因不成熟導致的技術障礙，如裝配式建筑在設計階段缺乏協(xié)調性、預制件裝配過程缺乏精準性等問題，這些問題阻礙著裝配式建筑技術的發(fā)展，因此有必要對相關前沿信息技術進行進一步的調查和研究。

2、裝配式建筑設計管理存在的技術難題

現(xiàn)階段，由于裝配式建筑建設發(fā)展存在一定的局限性，在管理過程中，裝配式建筑建設存在著諸多未攻克的技術性難題，如:設計信息缺乏交互性、傳遞信息缺乏及時性，構件裝配過程中缺乏準確性，導致整體進度滯后，難以提高工作效率，不利于裝配式建筑行業(yè)的進一步發(fā)展，為解決上述技術難題，下文對此展開具體分析：

2.1 設計信息缺乏交互性

采用裝配式建筑建造技術的關鍵就是將施工現(xiàn)場的問題轉化為加工工廠的問題。使在施工階段中出現(xiàn)的問題，提前在設計階段和生產過程中得到有效解決，這就要求各個階段工作之間相互交叉，實現(xiàn)實時信息共享。然而現(xiàn)階段，建筑、給排水、采暖等各項工作均交由各個單位獨立完成。由于不同企業(yè)在標準、功能和規(guī)范等方面要求各不相同，因此使用的設計軟件之間也存在較大的差異性，致使不同的設計軟件生成的數(shù)據(jù)信息無法互相識別和讀取，缺乏最基本的交互性。因此，為解決設計信息缺乏交互性這一難題，有必要設立一個相同目標，將所有軟件的獨立信息連接起來，構成一個完整的共享機制，從而提高各部門之間信息的交互性。但是，以什么樣的方式將信息連接在一起，依舊是一項技術性難題。

2.2 信息傳遞缺乏及時性

BIM 作為裝配式建筑建造設計管理的一種有效的數(shù)字化工具，雖然可以將構件全部的生命周期信息數(shù)字化，儲存至BIM 系統(tǒng)中，使信息在利益者之間相互傳遞并實現(xiàn)共享，但是卻難以做到與項目實時同步。由于在裝配式建筑設計管理過程中構件設計、加工，運輸以及裝配階段所產生的信息不能實時傳遞給裝配工人。一定程度上導致構件自身信息與儲存信息造成嚴重的脫節(jié)，從而進一步影響施工進度，因此信息傳遞缺乏實時性這一難題亟待解決。目前，通過采用一種高效的方式，以BIM技術為工具來解決裝配式建筑構件生產全過程中同步產生的信息管理的問題，卻衍生出了新的技術性問題，如設計者提供的預制構件的基本信息是采取何種高效且準確無誤的媒介，將基礎信息傳送至生產過程中，從設計到裝配的全過程中信息無法實時同步，出現(xiàn)信息時效性差的問題，導致現(xiàn)場施工人員難以領會設計者的意圖，不清楚加工工件的具體情況，進而導致構件信息與BIM系統(tǒng)中的信息不能實時同步，所以為保證高效且準確的傳遞信息，就需要采取某種特定的方式極其工具，在預制構件加工過程中實時記錄所產生的數(shù)據(jù)流。

2.3 構件裝配缺乏準確性

在裝配式建筑裝配過程中，由于裝配構件數(shù)量多、重量大，給裝配工人的工作帶來巨大挑戰(zhàn)。為了及時并且保質保量完成工期，雖然可采用BIM 技術對構件參數(shù)進行整合，使結構件連接位置逐一對應，但是由于技術能力有限，專業(yè)技能不全面以及精準定位工具的缺乏，導致構件難以準確裝配成功，甚至還會出現(xiàn)業(yè)業(yè)復復的裝卸等現(xiàn)象，使工程進度嚴重滯后，所以，為降低工程作業(yè)難度，提高作業(yè)效率，找到一個可以快速精準的定位方法或工具是至關重要的。

3、裝配式建筑設計管理中應用的前言信息技術

為可以更好的解決上述裝配式建筑設計所面臨的技術難題，通過采用前沿的信息技術將難題逐一攻破。目前處在前沿的信息技術包括:可實現(xiàn)直觀感受的裝配可視化管理的BIM 技術；解決信息傳遞時效差的RFID 技術；改善信息交互困難的P-BIM 技術和提高構件裝配過程中準確性穩(wěn)定性的北斗定位技術。具體概述如下：

(2)建設專門性監(jiān)測井，替換現(xiàn)有機民井。加快替換利用機民井監(jiān)測的長期監(jiān)測站點，避免因開采導致局部水位大幅度降落，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和代表性；消除因生產井所屬權變更或報廢而無法監(jiān)測，造成數(shù)據(jù)中斷的隱患，提升監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)性和監(jiān)測質量；改善監(jiān)測站點管理和維護困難的現(xiàn)狀。

（1）BIM 技術。BIM 技術近年來成為了建筑工程行業(yè)使用最為廣泛的前沿科技。BIM）是建筑項目設計管理過程中一種有效的數(shù)字化工具，對各種構件模型參數(shù)進行數(shù)字化整合，從而提供視化信息，進而精準的將構件與構件位置一一對應，提高了裝配的工作進度和可操作性。

（2）P-BIM 平臺。P-BIM 平臺是以中國基建行業(yè)目前發(fā)展的狀態(tài)為前提，用高度協(xié)調各方參與者的方式提高各方積極性，利用現(xiàn)有的軟件平臺，在準確高效的引導下對現(xiàn)有使用中的平臺遵照BIM 的模式進行改造升級，進而實現(xiàn)等同于BIM 系統(tǒng)的應用方式，從而在裝配式建筑的設計過程中使多款設計軟件可在P-BIM 軟件平臺進行信息交互。

（3）RFID 技術。RFID 技術，簡單來說就是利用視頻信號控制和識別物體的一種技術，目前RFID 技術應用很廣泛，適用于各種場合與工況，也適用于裝配式建筑構件設計加工生產、運輸以及裝配過程中所產生的實時信息。

（4）北斗定位技術。北斗定位技術是基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位服務，在構件裝配過程中，通過采用北斗實時定位技術，使構件與構件位置精準匹

配，為裝配員工的工作降低難度，有效的提高工作效率。

4、前沿信息技術平臺需求分析

在裝配式建筑項目的實施中，由于預制品和各相關方的差異，使得企業(yè)的信息化管理工作更加復雜，而信息化的管理直接影響著項目的工期和效益。當前，我國的裝配式施工企業(yè)的管理水平較低，存在著不同的問題：不同的設計軟件在不同的開發(fā)過程中，缺乏協(xié)作的平臺，使得不同的產品在不同的環(huán)境中存在著不同的可用性；由于在整個生產過程中，由于缺乏一個共享的平臺，使得整個過程中的數(shù)據(jù)傳輸時間不夠及時；在組裝過程中，由于沒有采用先進的輔助技術，使得預制件的組裝精度不高；由于大量的大型裝配式建筑缺乏統(tǒng)一的管理系統(tǒng)，使得大量的數(shù)據(jù)缺乏有效的使用。應用建筑技術的一個主要功能是在設計階段提前解決設計階段的問題，使設計方式從以現(xiàn)場為主轉向以生產為導向的生產、生產為導向的新型生產方式。由于數(shù)據(jù)庫、功能和操作方法的差異，使得各軟件之間的數(shù)據(jù)無法進行有效的標識和互操作。各大公司都以 BIM 為名，但其最終目標卻是各自開發(fā)自己的業(yè)務，使得各個公司之間的 BIM 相互隔離，無法分享，形成“信息孤島”。所以，建立統(tǒng)一的“信息孤島”必須統(tǒng)一，以增強互用性，但如何實現(xiàn)信息孤島的連接仍然是一個技術難題。

5、前沿信息技術在裝配式建筑設計中的實踐

5.1 構件的模型建立

裝配式建筑結構中，分為兩個部件：一是軟件內部的現(xiàn)存部件，也就是一個已保留的部件，而在實際的項目中，這些部件已經(jīng)被用過；二是需要加入新的組件，利用BIM 軟件對新組件進行分析，把新組件轉化為現(xiàn)有組件。裝配式建筑設計管理過程中，首先需要進行裝配式建筑信息模型建模，依托于BIM 技術將讀取到的預制構件的信息參數(shù)進行數(shù)字化整合并采用可視化的方式存儲于建筑模型中。在完成了建模之后，整個部門將會逐漸轉移到生產區(qū)域，而在完成了建造的過程中，還會不斷地將對應的二維碼貼到工地上，然后將其安裝到工地上。在這一過程中，必須利用BIM 所開發(fā)的可操作的平臺，對其進行分析與設計，并對其進行修改，以防止因工程階段的問題而造成的“返工”。如此一來，使得此模型具備了與實體一比一的真實度，大大改善了傳統(tǒng)設計的數(shù)據(jù)交流缺乏以及共享性，同時也實現(xiàn)了對建筑整體性能的分析，提高了建筑的品質。

5.2 精裝修點位優(yōu)化

很長一段時間以來，裝配式建筑設計管理中前沿技術的應用都忽視了裝配式建筑的裝修環(huán)節(jié)。在數(shù)字化技術迅速發(fā)展的作用下，BIM 技術在驅動裝配式精裝修點位優(yōu)化中發(fā)揮著關鍵作用，具體來說，在開展碰撞檢查時，建筑前沿信息的應用能夠有效地優(yōu)化精裝修點位，從而進一步強化裝配式建筑結構的美觀性和功能性。此外，在裝配式建筑室內空間裝飾設計過程中，建筑前沿技術也發(fā)揮著關鍵技術，通過對裝修模型予以優(yōu)化和完善，構建完善的三維立體的BIM 設計方案，進而精準輸出施工圖。

5.3 場地布置優(yōu)化

場地布置在裝配式建筑施工中屬于十分重要的組成部分，其能夠結合工程實際特點、施工條件等諸多因素來科學性地布置和調整施工機械設備的布置以及構建的進場、運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)，從而有效地推動后續(xù)施工工作的良好實施。從實際情況來看，若僅僅依托于傳統(tǒng)方式來布置裝配式建筑場地，則很難科學設計施工場地的各種因素，且極易出現(xiàn)一些潛在的矛盾風險，這也會對具體的施工質量和施工效率產生極為不良的影響。在基于建筑信息模型技術的場地模型系統(tǒng)中，可以根據(jù)裝配式建筑的特性，將工程現(xiàn)場的各種平面要素可視化，并建立起施工現(xiàn)場的施工裝備；對機械、器材等要素進行三維立體建模，事先進行布局，以有效地解決場地分割問題，以提升空間利用效率。此外，基于構件運輸、施工、保存等具體場所的施工信息建模技術，利用建筑信息建模技術，將不同的施工過程和不同的施工過程和不同的施工過程，在符合施工技術的前提下，對不同的施工地點進行合理的規(guī)劃和變更，確保達到施工需要。因此，與常規(guī)施工現(xiàn)場布局的最佳設計相比，利用可視化的施工信息建模技術，能夠使現(xiàn)場布局更加科學、直觀、全方位的模擬臨建效果，實現(xiàn)立體的設計，保證施工計劃的順利進行。

5.4 建立設計決策支持平臺

第一個是檢索功能。本系統(tǒng)的功能是將BIM 和標準型的建模結合起來，采用不同的查詢方式來實現(xiàn)對建筑工程的需求。詳細來說，目前的電子目錄搜索方式有三種：電子目錄搜索、快速搜索和先進搜索。在快速檢索中，通過在檢索框中鍵入關鍵詞即可得到符合檢索要求的BIM 部件和空間結構；而高級檢索則可以進行精確的檢索，包含了以材料屬性、適用范圍和分類為關鍵詞的檢索方法。同時，在檢索過程中，將會優(yōu)先顯示出得分較高的部件和空間的形狀，從而為設計者提供了更多的便利。第二個是建議。本課程的核心功能就是根據(jù)不同的需求，實現(xiàn)對各方面的專業(yè)技術進行有效的管理與分享。本模塊與上述組件模型得分密切相關，根據(jù)BIM 在工程和建設過程中的實際工作表現(xiàn)給予其建模得分，從而達到上述從高到低的配置。第三部分是評估部分。本系統(tǒng)的主要作用是綜合、客觀地評估各組件的BIM 建模，并將其評估的效果直接回饋給各推薦模塊，從而決定了各組件BIM 的建立。利用該評估模型，可以對預制件進行有效的品質控制。而在組件的制造過程中，廠商也可以將有關的BIM 組件的模型傳輸?shù)皆撓到y(tǒng)中，然后再由系統(tǒng)的管理者進行評審，最終確定該模塊的性能。另外，許多現(xiàn)有的大體量的建筑在功能和布局方面存在著高度類似的特點，所以可以將它們的數(shù)據(jù)進行上傳，從而為工程設計者的工作和研究工作帶來一定的借鑒意義。

結語：

綜上所述，當前裝配式建筑設計管理過程中依舊遭受著設計信息的缺乏交互性、傳遞信息缺乏及時性、構件裝配過程中缺乏準確性等技術難題的困擾。為此，目前采用前沿信息技術則成為解決難題的有效手段。以BIM 技術、P-BIM 平臺、RFID 技術、北斗定位技術等前沿信息技術為媒介，通過技術整合方式 將其應用于裝配式建筑設計與管理過程中，實現(xiàn)裝配式建筑建設過程的人工化、智能化管理的目標，以此來有效地推進裝配式建筑設計管理的快速平穩(wěn)發(fā)展。