基于BIM技術的裝配式建筑施工階段安全與質量控制研究

陶佳能，龔旭成，唐源野，孫志崗

（1.重慶建筑工程職業學院，重慶 400072；2.中海建筑有限公司，廣東 深圳 518051）

0 引言

目前，我國房屋建筑產業規模不斷擴大，在國民經濟中的地位日益增強，但其建造模式仍以現場澆筑的傳統建造方式為主，存在建造效率低、資源能耗高、工業化水平低等問題[1-2]，已不符合我國經濟高質量發展階段的歷史要求。建筑工業化和信息化是我國建筑行業轉型升級的必經之路，也是節能減排的有效途徑。在歐美、日本、韓國等發達國家中，廣泛采用“預制裝配化施工技術”，能夠實現生產標準化、產業規模化、智能機械化以及管理信息化，成為新興的建筑模式。相比之下，我國的預制裝配式建筑仍處于起步階段，在信息化方面的研究有待突破[3]。

相比于傳統的現澆模式，預制裝配化建筑構件種類多、數量多，安裝精確度要求高，施工過程中要有更為嚴密的預制構件施工信息動態管理。基于集成BIM 工程數據模型，可將施工過程信息與模型對象相關聯，形成具有多維度的BIM 模型，促進工程生產的高效運行，工程進度可視化，有效緩解工期偏差[4-5]。BIM 的信息共享機制可有效避免工程溝通和工程管理過程中存在的信息冗余和信息失真問題，進而提高管理效率，降低施工誤差，實現施工質量和施工安全目標[6]。憑借終端設備和PC端設備相結合的BIM 云平臺，施工技術人員可以遠程監控施工進度和指導施工，實現施工過程、施工管理的信息化和智能化[7]。

本文基于重慶建筑工程職業學院遷建工程（三期）建筑產業現代化實訓基地項目，建立三維EBIM 協同平臺，實現施工階段中豎向構件套筒灌漿質量控制、預制構件質量控制以及預制構件吊裝安全管理，研究成果可為預制裝配式建筑的施工提供更全面的判斷和決策。

1 工程概況

重慶建筑工程職業學院遷建工程（三期）建筑產業現代化實訓基地位于重慶南岸區梨花大道857號重慶建筑工程職業學院內，如圖1 所示，總規劃用地面積8915.83m2，新建建筑產業現代化實訓基地 建 筑10660.37m2，建 筑 占 地 面 積3419.03m2，建筑層數為地上5層，地下2層，地上建筑高度為22.9m，結構形式為裝配整體式框架結構和裝配式鋼結構。該項目為重慶市裝配式建筑綜合示范項目，預制率為40.2%，裝配率高達71.32%。

圖1 擬建項目區位平面圖

2 項目施工階段安全與質量控制要點

2.1 豎向構件套筒灌漿質量控制

套筒灌漿是裝配式建筑豎向構件連接的主要方法，灌漿質量直接影響建筑物的整體性和安全性，施工階段需要對灌漿質量極其重視，嚴把質量關。依據套筒灌漿施工工藝要求，其施作順序一般為準備工作、作漿料封堵、灌漿料備注、壓力灌漿和質量檢驗。

在人員、壓力灌漿設備、灌漿材料準備完成后，將預制柱吊裝到位，立即用坐漿料將預制柱與樓面板形成的2cm 的縫隙進行塞填，不可漏塞，形成密封艙，避免漿液從縫隙中跑出，其中坐漿料侵入接觸面不應大于1cm；待坐漿料封堵24h 后，開始制備灌漿料進行套筒灌漿，灌漿料制備時，嚴格按照產品說明書要求的配合比配置灌漿料，使用電子秤計量各材料用量；將注漿管對準預制柱下部任意一個注漿孔開始進行壓力注漿，注漿壓力保持在0.2MPa～0.3MPa，待注漿孔上部的出漿孔穩定溢漿（呈股狀流出）后用橡膠塞封堵出漿口，待溢漿孔穩定出漿并用橡膠塞封堵后，需穩壓30s，保證灌漿孔全部密實，灌漿料應在30min 內使用完畢；灌漿24h 后，拔開橡膠塞觀察出漿孔和溢漿孔的灌漿料是否密實飽滿；灌漿過程中全程錄像并存檔，作為質量追溯的資料，專業監理和質檢員全程在場監督檢查，確保灌漿質量。具體的現場灌漿過程如圖2所示。

圖2 現場灌漿過程

2.2 預制構件質量控制

本項目混凝土結構部分預制構件主要有預制疊合板、預制疊合梁、預制樓梯、預制空調板。預制疊合板拆分規格化、標準化。預制疊合板現澆層厚70mm（觀景平臺處厚100mm，密拼板處厚80mm），預制板厚60mm，疊合板后澆段寬度不小于300mm。預制板擱置梁柱構件10mm，預制板板邊出鋼長度至梁中線且不小于5d，梁板、板與板之間的構造按照《裝配式混凝土結構技術規程》（JGJ1-2014）的規定，保證其連接效果等同現澆。

預制主框架梁疊合現澆層厚度為150mm，次梁為140mm，預制梁與后澆混凝土疊合層之間的結合面設置粗糙面；預制梁端面設置鍵槽,且設置了粗糙面，粗糙面凹凸深度為6mm。

預制樓梯下端采用滑動鉸接連接，上端采用固定鉸接連接，預制樓梯計算嚴格按連接做法取樓梯計算跨度，樓梯欄桿埋件先行預埋。為做到經濟合理，樓梯標準化拆分，第一跑樓梯不拆分采用傳統現澆，預制的樓梯梯段跨度及高度均相同，全樓預制樓梯構件種類為1類。

2.3 預制構件吊裝安全管理

項目共有11 種構件，每種構件吊裝特點不同，需按照審批通過后的吊裝方案進行。吊裝重點為構件進場驗收、吊具安全性、支撐體系可靠性、吊裝順序、構件定位精準度等，尤其注意吊裝安全，構件吊裝時管理人員必須全程跟蹤，首次預制柱吊裝時，項目技術負責人、專職安全員、現場施工員、測量員必須到場全程管理，發現安全隱患及時整改。

由于項目預制構件種類多，最重的為預制樓梯，重達5.2t，這就對塔吊的選型和布置提出較大要求。經過多方考察和認真研究，項目部布置一臺QTZ300（CF7035）塔式起重機，臂長60m，最大起吊重量為8t，最遠端吊重為4.53t，覆蓋范圍和起吊重量均滿足要求。

在編制專項施工方案前，項目技術人員、現場管理人員和吊裝作業人員對施工圖進行認真細致的研究，發現問題及時向設計單位反饋，弄清設計意圖和施工安全質量要求。根據已經獲批的吊裝方案，嚴格按照“三級交底”制度進行安全技術交底，由項目技術負責人向各部分負責人和主要技術人員進行方案交底，然后由技術人員向現場管理人員和班組長交底，最后由現場主管工程師向全體作業人員交底。每一級交底都必須有針對性，把技術要點和施工重難點講清楚、講透徹，讓項目全體技術和管理人員都掌握預制構件吊裝。

3 BIM技術的應用

3.1 可視化BIM模型的建立

基于全過程全建筑BIM 技術，進行構件生產和施工指導，為準確反映圖紙信息，直觀形象展示，運用BIM 技術建立三維模型，反映設計意圖。以BIM 三維信息模型作為集成平臺，將虛擬數字模型與工程實際模型相關聯，并將集成大量資料數據的數值模型上傳至BIM云平臺，項目參與各方可基于BIM 云平臺共享和管理數據信息，實現信息溝通的高效率、信息傳遞的高保真、多方合作的協同化和實時化。建立的三維可視化BIM模型如圖3所示。

圖3 項目BIM三維模型

3.2 基于BIM技術的施工過程質量控制

傳統裝配式建筑設計的施工圖紙，是基于過程的設計表達方式，對于一個預制構件的表達是通過點、線表示的，前后并無關聯性，而基于BIM 的裝配式建筑的模型建立，是在組件設計的概念基礎上，面向對象的設計方式，存儲數據的方式是模塊化的，每個組件將承載整個生命周期的工程數據信息。

BIM 信息模型具有可全方位展示裝配式建筑模型結構構造細節的功能，通過模型瀏覽，可以獲取每一個構造的精細信息，也可從模型中選取復雜部位和關鍵節點進行吊裝工序模擬，以可視化的預建造漫游，實現對現場技術人員和施工工人的技術交底，增強其對施工工藝、施工環境的認識，提高施工質量和裝配式構件安裝效率，達到BIM 模型指導施工的目的，如圖4 所示。施工階段，采用BIM 模型對施工計劃和施工方案進行分析模擬，充分利用場地條件及資源，得出最優的施工計劃和施工方案。本項目預制構件種類多，節點復雜，利用BIM參數化和可視化的優越性，對吊裝順序、節點交叉施工、土建與機電管線施工、配套臨時支撐措施等進行分析模擬，可以根據模擬結果進一步改進施工方案，達到安全、快速、高效、降低成本、減少碰撞、減少資源浪費的結果。

圖4 基于BIM三維模型施工過程模擬

3.3 基于BIM技術的施工過程安全管理

在施工方案進行比選時，運用BIM技術創建相應的安全信息模型對不同的施工方案進行三維模擬，在施工前仿真模擬出預制構件從進場到安裝的全過程，并重點反復進行碰撞監測分析，使安全隱患在施工模擬中徹底暴露，為施工方案的優化比選提供依據，并根據系統出具的分析報告，不斷深化改進預制構件的吊裝、安裝、運輸、堆放、設計等方案，使最終的裝配式建筑施工方案達到最優的安全施工效果。

以BIM 三維信息模型作為集成平臺，對預制構件吊裝、灌漿等關鍵工序方案提前進行模擬預演。在實際施工前，根據施工現場實際，對施工區域的危險源進行危險源識別、特種設備管理、環境監測等。基于BIM 安全信息模型及時反饋監測數據，并分析對比其與臨界值的差異，判斷測點的安全狀態是否完整，結合實際情況劃分施工區域的危險等級，并給予合理的安全指導，確保施工過程的安全開展。

BIM 安全管理模型將項目進度、設計變更信息同步輸入，使安全設計驗證與安全規則檢查能夠伴隨項目進展變化同步完成，并對危險源問題及時標注提醒，提高安全檢查的時效性、準確性。利用BIM 建立施工防護功能，根據BIM 模型提供施工需要防護功能的部位，比如對需預先進行防護的“四口”和“五臨邊”等事故高發區進行精準定位，以防現場工作人員誤入危險區發生危險，利用BIM 還可以對現場防護設施設置合理性及防護效果進行實時動態的模擬檢查。另外，BIM 模型連接VR 體驗設備，為作業人員創造出逼真的施工現場體驗環境，作業人員通過穿戴VR設備如控制手柄等，實現對施工現場的三維虛擬漫游模擬，對現場作業環境及其中的安全禁區提前熟悉和生動地體驗，增強了作業人員的安全生產感性認識，如圖5所示。

圖5 基于BIM三維模型施工過程安全培訓模擬

4 結論

與傳統的現場建造方式相比，預制裝配式建筑其具有較好的綜合社會效益和經濟效益。將BIM 技術應用到預制裝配式結構的施工中，可有效利用BIM模型中詳細而精細的建筑信息，指導預制構件的施工過程管理。

依托基于重慶建筑工程職業學院遷建工程（三期）建筑產業現代化實訓基地項目，建立了裝配式整體框架結構多專業的BIM 協同平臺，有效地加強了各參建方的數據傳輸及協同共享，避免傳統工作方式的信息不對稱、信息孤島現象，為各參與方提供一個高效率信息溝通和協同工作的平臺；BIM 技術在預制裝配式房建項目中可實現安全管理的動態糾偏和質量管理的精細化，為預制裝配式建筑的施工提供更全面的判斷和決策。