BIM 技術在裝配式混凝土建筑中的應用

楊智明，趙小明，陳 斌，黃 瑞，杜曉英，馬國清

（甘肅第六建設集團股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

現階段我國裝配式建筑正處于實現工業化與信息化相互融合轉型升級的階段，裝配式混凝土建筑是工業化建筑的主要結構形式，BIM 技術作為建筑全壽命周期的管理手段，能夠助推建筑工業化及信息融合，促進建筑產業化升級，符合國家戰略發展的要求。如何能夠更好地實現 BIM 在裝配式混凝土建筑中的應用具有重要的意義［1，2］。

1 BIM+裝配式混凝土建筑相關理論概述及其研究

1.1 裝配式混凝土建筑的特點

裝配式混凝土建筑是施工建造變革的重要標志，本文研究的裝配式混凝土建筑具有系統性、整體協同性、多元性及減提并行性四大典型特點［3-5］。

1.2 BIM 技術理念及優勢

BIM 技術是基于工程信息化的強有力的工具，最終得以實現建筑的智能化。BIM 技術的優勢主要基于技術及管理兩個大方面。

1）技術方面。BIM 技術擁有機電管線、構件、預埋件及零配件等一系列標準化族庫功能，不同參數化構件，達到參數化設計的目的。

2）管理方面。基于 BIM 技術的三維模型建立，設計方面可以進行性能分析、可視化交底，綜合各方面項目協同作用，從而進行碰撞檢測、施工模擬及進度控制，最終實現空間分析、可視化規劃及可視化節點方面的展示。基于 BIM 技術提取工程關聯數據，實現數據交換，同時還能為后續運營工作提供相關數據支持，做到數據集成與傳遞。

1.3 裝配式混凝土建筑領域 BIM 軟件類型及功能總結

1）深化設計。標準化生產模式及準確無誤數據對于構件的精準設計和可視化設計具有重要的作用，如圖 1 所示。

圖1 PC建筑要求

2）軟件要求。軟件對項目進行審閱、模擬及協調可視化仿真管理。

1.4 BIM 技術應用于裝配式混凝土建筑的可行性

解決問題的根本方法是將 BIM 技術在裝配式混凝土建筑設計、生產施工的各個環節互通，提供一體化的服務。BIM 技術是信息化技術的輔助手段［6，7］，裝配式混凝土建筑使 BIM 技術的強項得以充分發揮，利用 BIM 技術能夠更好地實現裝配式混凝土建筑施工應用管理。

1）設計階段。BIM 能夠提供相應參數化族庫，保證建筑標準化、模塊化的實現。

2）生產階段。裝配式混凝土建筑發展帶動工廠數字化革命，BIM 技術提供信息源，通過轉碼技術能夠自動化導入中央系統，連接加工設備、完成模具安裝、智能布料、振搗及養護，在構件中植入二維碼，實現構件實時追蹤，實現減少成本，提高效率作用［8，9］。

2 應用分析

2.1 裝配式混凝土建筑存在的問題

建筑全生命周期涉及環節多，主要問題涉及 BIM 技術在裝配式混凝土應用從深化設計到施工階段。

1）深化設計問題。裝配式混凝土構件的深化設計從模具的設計、鋼筋布置等方面如一個環節出錯，相應的其他環節都需改進。

2）場地布置問題。傳統場地布置中，項目體量大，預制構件多，構件功能分區不規范，現場物資分配及碼放控制力度不足，構件不能合理存放。裝配式混凝土建筑以構件為核心，施工階段塔吊吊裝過程至關重要。

3）進度管理問題。設計進度直接影響生產加工和現場安裝。傳統 CAD 的使用，對裝配式建筑設計要求高，設計過程考慮構件內部、構件之間碰撞，整個施工過程構件數量眾多，圖量大，出圖較困難，影響了設計進度；材料的采購合理與否會直接影響到構件的加工進度。

4）構件管理問題。構件是裝配式建筑的核心，施工現場采取掛標識牌的管理手段，手續過程復雜，現場票據過多，存在大量重復性管理工作，出錯程度高，信息流通速度較慢。裝配式混凝土構架數量龐大、種類多，施工過程中現場吊裝存在著錯用、亂用、混亂等現象，不容易掌握裝配式混凝土構件所處的狀態。

2.2 BIM 應用構架及關鍵技術

裝配式混凝土建筑主要有前期策劃、設計、生產、施工、運維等各個階段，就基于 BIM 技術在圖紙深化設計、施工階段提出了 BIM 技術的應用框架。

2.2.1 深化設計階段

1）深化設計原因。傳統設計圖紙包含信息不全面，需要提供詳細的構件信息，同時還需多個專業間的項目融合及相互配合，裝配式混凝土構件的設計需要考慮吊裝預埋、吊裝措施等各類相關信息。

2）深化設計目的。實現信息之間的整合，排除碰撞之間的沖突，指導現場生產安裝。

2.2.2 生產階段

1）生產前。基于 BIM 技術在裝配式混凝土建筑深化模型數據提供精確的工程數量統計，輔助施工現場管理人員提前合理安排生產采購數量計劃。

2）生產階段。依據數控生產，將信息載入數控生產設備，實現無紙化加工，減少二次輸入數據錯誤。

2.2.3 施工階段

1）優化施工進度。PC 裝配式混凝土建筑施工階段流程復雜，采用基于 BIM 技術按照工程實際進度進行 4 D 施工模擬，及時發現進度計劃的不合理處，實現管理前置。

2）優化施工吊裝流程。裝配式混凝土建筑構件是施工階段重要環節內容，吊裝前做好施工準備、合理確定吊裝流程很重要，如圖 2 所示。

圖2 PC施工流程圖

3 BIM 在實際項目中的應用

3.1 項目介紹及 BIM 軟件選擇

本工程為天水裝配式建筑產業園一期建設項目為例，工程主要分為兩部分，辦公區及食堂，辦公區主要功能為辦公室、工具間、樓梯間、熱水間等。食堂部分主要功能為一般管理人員食堂、工人食堂、操作間、消洗間、冷庫、熟食庫等。總建筑面積 5 489.76 m2，建筑物基底面積 1 541.29 m2，建筑高度 16.65 m，如圖 3 所示。

圖3 項目總體地理位置圖

3.2 建立模型

基于 BIM 技術建立模型，首先需要定制規格，作為自動化快速建模準則，項目基于逆向設計，將電子圖導入 BIM 軟件中，利用界面中模塊設置標準構件板、墻及柱，賦予各構件相應參數及集合屬性，如圖 4 所示。

圖4 Revit 建模

3.3 深化設計

3.3.1 構件拆分

裝配式混凝土構件精細化設計，將構件進行拆分，達到裝配組合特點。Revit 軟件拆分構件具有兩種特定方式，其一是“由分到合”，利用預制構件族庫拼裝；其二是“由總到分”，利用好拆分工具及“臨時隱藏/隔離”配合進行拆分設計，如圖 5～圖 7 所示。

圖5 構件拆分工具

圖6 隔離圖元顯示的構件

圖7 拆分圖

3.3.2 組建參數化族庫

BIM 族庫擁有標準化裝配式混凝土構件模型，擁有內置標準化裝配式混凝土構件模型，主要有鋼筋類型族、線條輪廓族、出圖表達族、設計預埋件族等保存到文件庫中，如圖 8 所示。

圖8 Revit 創建 PC 剪力墻模型

3.3.3 深化設計

裝配式混凝土建筑深化設計要做細、做精，便于后期工廠出具精確的加工圖及加工。

1）鋼筋布置。Revit 軟件中載入所需鋼筋形狀，按標準位置放置所需鋼筋，標注鋼筋模型，實現模型精細化管理。

2）預留處理。深化設計要提前考慮預留洞口，包括管線預埋，腳手架搭設的預留洞口位置，傳統的 CAD 在二維模式下設計立體感弱，專業間的銜接較困難，設計好構件后交由專業設計師進行連接預埋，管線的設計由工藝設計師整合，如圖 9 所示。

圖9 部分深化設計圖

二維模式管線伸出裝配式混凝土構件頂部長度過短，設計中如果不能及時發現，會造成堵塞，基于 BIM 技術的可視化環境中能夠及時修改排查，修改伸出長度增加到 5 cm，如圖 10 所示。

圖10 優化前后對比

圖 11 所示為建筑設計中的入戶配電箱，原設計 CAD圖紙的預留配電箱下翻管線間距 30 mm，基于 BIM 技術的可視化環境下管線間距過大，施工后期會阻礙線管接入配電箱，管線間距最終經過項目部研究縮短了一半多。

圖11 優化前后對比

3.3.4 碰撞檢測

設計結果的準確性對施工項目質量、進度及安全等方面具有較大影響，傳統的二維設計立體感差，各專業之間溝通不暢，圖紙會審及圖紙交底難度大，會導致生產構件不合格，容易造成返工。

3.4 施工階段

3.4.1 方案模擬優化

1）場地布置。基于 BIM 技術能夠對施工項目各階段平面圖進行布置，結合不同的施工階段建立模型，Revit 軟件中導入平面布置圖，根據體量通過項目其他單元輪廓進行描繪，能表達出建筑單元工程、場地布置、施工現場機具的布置、道路的規劃及材料堆場等問題，減少了庫存量，避免了現場二次搬運。三維軟件模擬對裝配式混凝土建筑構件堆場進行布置，合理對構件堆場及鋼筋加工棚進行規劃設計。

2）腳手架方案選擇。裝配式結構復雜，原計劃方案會導致工期拖延，腳手架間距過大容易造成施工安全問題的發生，不利于節約成本。基于 BIM 技術的三維軟件模擬施工及 Midas 應力計算，結合項目結構特點，利用 BIM 進行方案選優，如圖 12 所示。

圖12 三維軟件模擬及應力計算

3.4.2 施工進度模擬

事中和事后控制通常處于被動的狀態，基于 BIM 技術能夠將施工進度進行管控前置，通過施工虛擬預演，提前調整好施工計劃，避免施工沖突的發生，具體步驟如下：①編制進度計劃；②進度模擬；③吊裝模擬，如圖 13～14 所示。

圖13 進度計劃示意圖

圖14 進度模擬圖示意圖

3.4.3 二維碼跟蹤

施工過程構件量大，構件生產及施工緊密銜接，為保證裝配式混凝土構件加工、施工質量，準確掌握構件鋼筋的綁扎、運輸、進場堆放、驗收及吊裝的情況，施工項目在裝配式混凝土建筑構件加工、運輸及驗收全過程使用二維碼進行數據采集，如圖 15～17 所示。

圖15 生產二維碼

圖16 掃描跟蹤示意圖

圖17 質量問題反饋示意圖

3.5 應用 BIM 技術帶來的效益

項目 BIM 技術從設計開始介入，結合不同類型的專業模型，提早發現設計圖紙中不足及錯誤之處，可減少 35 % 的返工，通過對施工階段的施工方案進行模擬優化，能夠減少返工量高達 30 %，引入二維碼對裝配式混凝土構件進行全程監控，實時反饋。

4 結語

裝配式混凝土建筑轉變了傳統的粗放型作業方式，是實現建筑施工工業化、促進產業化升級的核心內容。本文通過對 BIM 技術在裝配式混凝土建筑中的應用基礎上展開研究，主要成果如下。

1）總結了我國裝配式混凝土建筑的研究及發展現狀，分析傳統構件施工技術體系不成熟、設計難度大、裝配式體系的薄弱點及難點。

2）以裝配式混凝土建筑項目為例，將 BIM 技術應用到深化設計、現場平面布置、施工進度模擬等方面，為提高深化設計效率，優化施工現場布置方案做好準備工作。

BIM 技術在裝配式混凝土建筑中應用不斷探索，本文對裝配式建筑深化設計及施工階段的 BIM 應用進行研究，目前存在的問題如下。

1）本文研究內容主要是裝配式混凝土建筑，沒有研究 BIM 技術在其他裝配式結構體系中的應用情況。

2）應用階段發現 BIM 技術具有一定局限性，缺失相關標準，應在后續工作中應進行補充。

3）BIM 技術的推廣需要技術儲備，需要管理思想的改變，因此在推廣應用方面難度較大，后續研究過程中應不斷完善軟件功能。Q