基于BIM的裝配式建筑施工空間沖突識別方法

李鵬飛，劉 光

（鄭州城市職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 452370）

0 引言

常見的施工空間沖突現(xiàn)象包括施工空間中既定結(jié)構(gòu)與工程施工設(shè)施沖突（建筑地下結(jié)構(gòu)）、建筑地上結(jié)構(gòu)與地上施工空間沖突[1]。前者主要是指工程中的主體結(jié)構(gòu)或本身結(jié)構(gòu)與地下埋設(shè)管線沖突，當(dāng)預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)在空間中發(fā)生重疊、交叉等現(xiàn)象時，需要重新調(diào)整工程施工圖紙，不可貿(mào)然施工，否則將引起地下結(jié)構(gòu)或設(shè)施損壞，從而引發(fā)一系列的工程質(zhì)量問題。此類沖突大多集中在地下管線漏水、連續(xù)供水無法得到保障等問題上。后者是指裝配式建筑中的預(yù)制類構(gòu)件在地上需要占用的空間較大，而既有空間無法滿足工程需求，從而造成建筑整體空間存在重疊。無論上述提出的哪一種問題，都會對裝配式建筑工程項目施工造成影響，也會使工程項目施工難以全面落實(shí)[2]。為了解決以上問題，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑工程項目在市場內(nèi)的推廣使用，本文引進(jìn)BIM技術(shù)，以裝配式建筑為例，設(shè)計一種針對建筑施工空間的沖突識別方法，通過空間建模等方式，定位并掌握建筑施工節(jié)點(diǎn)的重疊位置，提高建筑施工方案的合理性。

1 基于BIM的裝配式建筑施工空間沖突識別方法設(shè)計

1.1 裝配式建筑施工空間沖突類型提取

根據(jù)裝配式建筑工程項目的施工作業(yè)需求，將建筑施工空間中可能存在沖突的要素劃分為現(xiàn)場施工作業(yè)人員、用于現(xiàn)場輔助施工作業(yè)的機(jī)械設(shè)備、工程預(yù)制構(gòu)件3個類別[3]。其中，每個類別在空間中對應(yīng)表示為ES（實(shí)體空間）、WES（效率空間）與SWS（安全空間）。現(xiàn)場施工作業(yè)人員所需要的空間通常與工程預(yù)制構(gòu)件有關(guān)，而工程預(yù)制構(gòu)件又與工程需求的運(yùn)動軌跡相關(guān)，因此，三者的關(guān)系可以用ES?SWS?WES表示[4]。根據(jù)上述分析，工程項目作業(yè)施工現(xiàn)場不同空間的占用情況見表1。

表1 工程項目作業(yè)施工現(xiàn)場不同空間的占用情況

根據(jù)表1可知，進(jìn)行施工空間沖突類型提取，將發(fā)生沖突的類型劃分為3個類別。第一類為ES與ES之間的沖突，即施工中2種不同的實(shí)體結(jié)構(gòu)在作業(yè)空間內(nèi)發(fā)生重疊與重合現(xiàn)象，沖突現(xiàn)象可以表示為M-ES與M-ES，L-ES，P-ES沖突；L-ES與M-ES，L-ES，P-ES沖突；P-ES與M-ES，L-ES，PES沖突[5]。第二類沖突為ES與WES之間的沖突，即施工中的實(shí)體作業(yè)空間與操作設(shè)備發(fā)生空間上的重疊與重合現(xiàn)象。第三類沖突為WES與SWS之間的沖突，當(dāng)施工現(xiàn)場出現(xiàn)并行施工現(xiàn)象時，人員的安全將無法得到保障，出現(xiàn)此種沖突多是由于施工現(xiàn)場的安全秩序沒有得到有效管理與控制。

1.2 基于BIM技術(shù)的施工空間沖突元素匹配

引進(jìn)BIM技術(shù)，輔助計算機(jī)VR技術(shù)，建立一個針對建筑工程施工的三維可視化模型，對施工過程中所有涉及對象與操作空間中不同作業(yè)行為以秩序化表示，表示方式如圖1所示。

圖1 施工過程中不同作業(yè)行為的秩序化表示方式

采用采集原始工程信息的方式，進(jìn)行施工信息的整理，完成信息的導(dǎo)入后，借助BIM建筑結(jié)構(gòu)模型，可以得到針對建筑工程項目的多元化空間信息，包括建筑工程項目地上結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)面積信息、建筑中不同預(yù)制構(gòu)件空間布局信息、位置信息等。按照模型比對的方式，將構(gòu)建的建筑工程原始模型與施工模型進(jìn)行整合，確保建筑工程模型在虛擬化環(huán)境中完全融合后，即可實(shí)現(xiàn)對沖突施工點(diǎn)的圈定。比對的方式多為智能化模式，由BIM技術(shù)進(jìn)行整體施工邏輯的評估，包括對信息的智能化判定與參數(shù)的有效識別。

1.3 建筑施工空間沖突檢測、識別與施工調(diào)試

按照建筑工程項目的標(biāo)準(zhǔn)化施工工序，將一個完整的工程項目劃分為多個分項工程，將子模型與機(jī)械設(shè)備進(jìn)行匹配，建立一個工程項目布置模型，輸入工程施工節(jié)點(diǎn)的參數(shù)信息，對項目進(jìn)行施工模擬。匹配人工設(shè)定的沖突參數(shù)，對沖突元素進(jìn)行標(biāo)記，將位于重合區(qū)域內(nèi)的元素進(jìn)行標(biāo)注后，輸出重合信息，根據(jù)沖突元素的性質(zhì)，形成1個沖突檢查報告。根據(jù)沖突檢測結(jié)果，進(jìn)行沖突類型的識別，明確識別類型后，定位工程在施工中的優(yōu)先調(diào)整對象，以此為依據(jù)，提出對應(yīng)的施工調(diào)試策略。具體內(nèi)容見表2。

表2 建筑施工空間沖突識別與施工調(diào)試

根據(jù)建筑施工空間沖突檢測、識別結(jié)果，選擇對應(yīng)的施工調(diào)試方式，考慮到工程調(diào)試會存在過度依賴技術(shù)人員的問題。因此，可在每次完成主體結(jié)構(gòu)施工時間的調(diào)整后，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)配置要求，將調(diào)整后的工程施工信息導(dǎo)入可標(biāo)注的建筑結(jié)構(gòu)空間信息模型中，通過此種方式，進(jìn)行沖突的重新匹配。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

為了滿足測試中整體的真實(shí)性需求，選擇天津市某地區(qū)由政府主導(dǎo)的建筑工程項目作為實(shí)例，根據(jù)技術(shù)人員的考察與技術(shù)交底勘查發(fā)現(xiàn)，該工程項目屬于裝配式建筑，各方面要求均滿足此次實(shí)驗(yàn)需要。完成對此工程項目相關(guān)信息的獲取后，使用建筑空間信息模型與BIM建模技術(shù)，構(gòu)建一個針對此工程項目的可視化施工模型。選擇此工程項目中的1號樓作為實(shí)驗(yàn)對象，此建筑共由30層構(gòu)成，其中包括地下結(jié)構(gòu)3層與地上結(jié)構(gòu)27層，建筑整體層高為79.62 m。上部結(jié)構(gòu)的整體占地面積約為9 697.51 m2，地上4層至地上27層整體采用裝配式預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)層的有效裝配率高達(dá)73.6%，裝配施工過程中，選用QT-JH5241-01A型號的起重吊裝設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場施工輔助，施工設(shè)備的獨(dú)立高度為65.0 m，最大臂長為75.0 m，起重最大重量為15.8 t，施工中的最快起重提升速度為21.0 m/min。施工前記錄裝配式建筑不同結(jié)構(gòu)層預(yù)制構(gòu)件的數(shù)量、起重機(jī)吊裝施工的次數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 不同結(jié)構(gòu)層預(yù)制構(gòu)件數(shù)量、起吊施工次數(shù)

完成對工程中相關(guān)信息的處理后，根據(jù)裝配式工程類型，提取裝配式建筑施工空間沖突類型，使用BIM技術(shù)，建立建筑工程項目三維可視化模型，如圖2所示。

圖2 建筑工程項目BIM建模圖

在此基礎(chǔ)上，按照流程對裝配式建筑施工空間中的沖突進(jìn)行識別，如圖3所示。完成對空間沖突的識別后，在建筑可視化模型中標(biāo)注或圈出此工程項目在施工空間中存在的沖突點(diǎn)，匹配對應(yīng)的沖突類型，統(tǒng)計在施工中可能發(fā)生沖突的次數(shù)，根據(jù)識別的沖突結(jié)果，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化施工動態(tài)分析模型，如圖4所示。

圖3 建筑施工空間沖突識別流程

圖4 動態(tài)分析

采取調(diào)整工程起吊施工工序、壓縮現(xiàn)場施工人員效率空間等方式，進(jìn)行工程的優(yōu)化。完成調(diào)整后，按照預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化施工作業(yè)流程，進(jìn)行裝配式建筑工程施工，記錄施工過程中不同結(jié)構(gòu)層發(fā)生空間沖突的次數(shù)，并將施工現(xiàn)場用于輔助作業(yè)的機(jī)械設(shè)備利用率作為評價本文設(shè)計方法有效性的指標(biāo)。其中機(jī)械設(shè)備有效利用率可用下述公式進(jìn)行計算：

式（1）中：P表示為施工現(xiàn)場用于輔助作業(yè)的機(jī)械設(shè)備利用率，%；T1表示為機(jī)械設(shè)備在施工作業(yè)現(xiàn)場的有效使用時間，h；T2表示為機(jī)械設(shè)備在施工作業(yè)現(xiàn)場的計劃使用時間，h。統(tǒng)計不同作業(yè)層在施工中的沖突點(diǎn)與設(shè)備有效利用率，見表4。

表4 不同作業(yè)層在施工中的沖突點(diǎn)與設(shè)備有效利用率

綜合上述，從實(shí)驗(yàn)過程與表4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過識別裝配式建筑施工空間沖突點(diǎn)，并采用對其調(diào)整后再行施工的方式，可以確保不同作業(yè)結(jié)構(gòu)在施工中的沖突點(diǎn)數(shù)量趨近于0。以此種方式，提高機(jī)械設(shè)備的有效利用率，使其達(dá)到90.0%以上，保證裝配式建筑工程項目在施工中按照預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)保質(zhì)保量完成。

3 結(jié)語

目前，裝配式建筑工程模式已在我國普遍推廣使用，但建筑施工空間沖突仍是工程項目中不可忽視的問題，為了解決此方面問題，優(yōu)化工程項目的施工全過程，本文從提取裝配式建筑施工空間沖突類型、匹配施工空間沖突元素、建筑施工空間沖突檢測、識別與施工調(diào)試等方面，開展了基于BIM的裝配式建筑施工空間沖突識別方法的設(shè)計研究。選取天津市某地區(qū)由政府主導(dǎo)的建筑工程項目作為實(shí)例，進(jìn)行了此方法的實(shí)踐檢驗(yàn)，檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，設(shè)計的方法可以在實(shí)際應(yīng)用中避免不同作業(yè)結(jié)構(gòu)的施工沖突，提升建筑工程項目施工的合理性。