基于BIM的裝配式鋼結構智慧建造應用研究

文_ 朱 麗（通訊作者）（廣西生態工程職業技術學院，講師，碩士）

肖萬娟（廣西生態工程職業技術學院，副教授，碩士）

王萬春（廣西生態工程職業技術學院，講師、一級造價師）

楊 宇（柳州市興佳房地產開發有限責任公司，技術負責人，工程師）

梁積峰（廣西建工第五建筑工程集團有限公司，技術負責人，工程師）

當前，“智慧化”“信息化”“數字化”和“綠色建造”已經成為我國建筑業發展的趨勢。隨著綠色低碳發展成為全球共識，我國也提出了在2060年實現“碳中和”的目標。在此背景下，智慧建造綠色發展成為建筑業轉型的必然選擇。裝配式建筑作為一種綠色建筑代表成為研究熱點，而裝配式鋼結構是裝配式建筑的一個分支，具有工廠化制造、自重輕、安裝快捷、施工周期短、環境污染少、可循環利用等綜合優勢。數字技術能夠提高建筑業的信息化程度、提高建造效率，提升建筑質量，成為影響其發展的重要手段。建筑業處于數字化轉型發展第三梯隊，隨著人工費、材料費的上漲，傳統的施工組織及管理方式很難獲得更好的社會效益和經濟效益。因此，建筑行業亟須深度融合數字化信息技術。綜上，本文依托實際項目，研究BIM技術在裝配式鋼結構建造全周期的應用，以期為裝配式鋼結構建筑的信息化發展和智慧化建造提供參考。

一、BIM技術在裝配式鋼結構智慧建造的應用

（一）工程概況

該項目為廣西首個裝配式鋼結構住宅項目，位于柳州市魚峰區，建筑面積137183.96平方米。共9棟高層住宅、1棟多層住宅，上部采用扁鋼管混凝土柱結構，地下兩層，為常規混凝土框架結構。以7#樓為例，高度39.50米，層數為14層，主框架采用扁平鋼管柱加H型鋼梁體系，典型柱截面尺寸為200毫米×450毫米。柱腳采用“埋入式柱腳”；樓板采用可拆式鋼筋桁架樓承板體系，飄窗、樓梯采用預制PC構件，裝配率為60%。

（二）BIM技術在設計階段應用

設計在整個建造過程中具有重要地位，設計的品質將影響最終建成的效果。裝配式建筑設計包括方案設計、初步設計、施工圖設計、深化設計四個階段。將BIM技術應用到設計中，可以利用其優越的可視性清楚地表達構件信息，大大提高設計效率，特別解決了深化設計階段的構件拆分、管線碰撞等難題。

1.建筑設計

首先用Revit軟件建立土建模型，模型可進行三維動態觀察，將二維CAD圖描述不清的地方詳細展現出來，在做戶型比選的時候更加便捷與直觀。如圖1所示，方案設計界面有三維可視化窗口，設置完墻、柱等構件后，可快速計算出套內面積等參數，供設計師快速選擇符合要求的戶型。通過對比幾種戶型的得房率，最后采用扁鋼管混凝土柱—支撐結構體系。與傳統的框架砼結構體系相比，扁鋼管混凝土柱—支撐結構體系將鋼柱鋼梁全部隱藏于墻體內，避免“凸梁凸柱”現象，可增加5%~8%的使用面積，便于裝修及使用，提高了居住的舒適性。此外，裝修模塊可設置各構件的參數信息，通過渲染獲得較美觀的效果圖，三維效果圖可以自由切換視角及快速變更裝修材質，節約了方案設計及比選的時間，成為建筑設計的有力輔助工具。

2.BIM綠色設計

將Revit建立的BIM模型與Ecotect軟件搭載，使得建筑的日照、采光、熱工分析更為直觀立體，從而通過適宜組織空間、合理布局、恰當選材等設計手段，充分利用自然能源，滿足節能減排的綠色建造要求。圖2為BIM日照采光分析圖，在三維視角下，將抽象的環境分析轉換成可視化的圖表。通過對日照及采光區域的分析，可以巧妙地利用樓棟間的陰影進行遮陽設計，在日照時間長區域規劃種植喜光照的綠植，在采光較好區域設計陽臺窗戶，不僅提高能源利用效率，還便于創造出更加協調、舒適、賞心悅目的綠色居住環境。BIM助力綠色節能設計，以其突出的三維直觀性、快速的信息計算能力，節約了時間成本，體現了BIM技術智慧化設計的高效性。

3.BIM深化設計

裝配式建筑的深化設計主要包括結構深化設計和機電深化設計，結構深化設計重點解決構件拆分、節點優化、鋼筋及預埋設計，而機電深化設計指的是給排水、電氣、暖通等專業設備的管線碰撞及綜合優化。將模型導入Tekla軟件可對復雜節點進行深化設計，如圖3直觀展現構件詳細構造，接著通過軟件快速將構件拆分為標準化模塊，按照BIM的精細化出圖將構件在預制廠完成加工，體現了BIM設計的速度、精度。此外Tekla軟件還可進行鋼筋碰撞檢查、埋件干涉調整、預留孔洞整合等深化設計，整個流程快速便捷，可靠安全。管線碰撞檢查也是BIM較有價值的應用點。該項目管線的種類復雜、數量龐大，管線綜合優化工作十分具有挑戰性，得益于BIM搭建的交互設計平臺，其將各專業模型導入Navisworks軟件中集成并生成碰撞檢測報告，為后期調整大大節約了時間。采用這種優化方式實現設計全局統籌，共發現并解決碰撞問題700余處，避免因此造成的后期返工，節省造價約150萬元。基于BIM深化設計具備的可視性、集成性、交互性、可出圖性、指導性等優勢，工作效率得以提高。

（三）BIM技術在施工階段的應用

1.BIM場地布置

通過應用BIM技術進行場地布置，可對照軟件內置的安全文明檢查項信息進行優化，做到科學高效、分區合理、設施齊全、定位準確，滿足安全文明施工的要求，打造智慧工地，并最終輸出三維場地布置圖、設施清單及規格表、臨時設施定位圖，指導現場安全文明施工，是打造智慧工地的有效工具。

2.BIM安裝模擬及技術交底

裝配式建筑在施工階段存在預制構件數量多、安裝精度高、工序交叉密、吊裝銜接緊、施工機械復雜等難點。項目針對以上問題，對整個吊裝流程及構造復雜的節點位置，制作模擬安裝動畫。演示動畫還可用來進行可視化技術交底及安全教育，并在施工現場電子顯示屏循環播放以鞏固交底效果。BIM安裝模擬讓技術交底變得清晰具體、一目了然，加強了工人對施工工藝的理解，加強安全教育效果，減少因施工錯誤而返工的問題，從而節約材料成本、人工成本、時間成本。此外，BIM模擬安裝能快速準確選出符合高度及半徑要求的吊裝機械，進而制定合理吊裝方案，提升預制構件安裝與現場施工的銜接配合度，降低了事故發生概率并有效進行大型機械設備的資源統籌安排。可以說，BIM技術應用在施工模擬中優化了施工環節，解決了二維圖紙難理解、現場吊裝混亂、技術交底不夠清晰等問題，提高了施工效率和工程質量，增強了安全管理效果，是實現智慧建造的有效手段。

3.BIM5D智慧管理

BIM5D即在3D模型上融入時間和成本信息，運用BIM5D技術是實現項目智慧化管理的有效途徑。導入時間信息后可先在5D軟件上動態模擬進度控制，之后搭載成本信息，通過比較實際成本收入與目標值的差距，采取有效控制成本的措施。

由于本工程施工難度大且工期較緊張，為按期交付，項目部管理人員采用BIM5D軟件對整個項目進行進度管控，制定專項施工進度保障措施。開工前利用平臺的模擬功能對進度計劃、勞動力分布、物資計劃及大型設備進出場安排進行方案優化，做到合理分布、緊湊銜接、物資均衡。項目開工后及時在平臺上對比實際進度與計劃進度的狀態，查看是否有未按照計劃完成的目標任務，如有工期滯后的單項，管理人員可根據施工情況對進度計劃進行調整，平臺也會同步更新進度，安排方便施工人員查看，以便在周工作例會上安排任務并及時按照新的進度安排指導施工。基于BIM技術強大的可視性、模擬性，進行BIM5D虛擬建造，合理劃分施工流水段制定進度計劃，根據圖 4 所示的工程完成進度情況統計表，可以看到B1層第二個施工段的任務完成時間有所延誤，需采取調整后續施工段進度的措施，逐步將延誤的工期追趕上來。以此應用BIM5D的實時監控系統實現進度智慧化動態管理，該項目施工速度提高1/3。

項目的物資管控也十分不易，因為整個項目集聚了種類眾多、數量龐大的土工材料、建筑設備、保障措施。傳統的物資管控僅依據二維CAD圖紙及平面進度計劃，統籌物資使用量的工作量龐大、費時費力，易造成物資調配不及時、不合理，導致物資浪費、影響施工節奏。鑒于此，該項目利用BIM5D平臺的進度信息可按每天、每周、每月提取物資需求量，制訂資源投入計劃，還可以詳細記錄材料進出場時間，及時動態調整物資計劃，充分運用現場工作面，有效避免物資配置不合理而導致的工期延誤。

使用BIM5D還有益于實現成本精細化管控，模型關聯項目清單計價文件后，可按照進度對比實際成本與目標成本的差異，及時采取措施實施成本控制。如圖5所示，項目管理人員在平臺中能夠選擇時間、樓層、流水段等參數，快速導出構件或清單工程量，依靠軟件可快速編制資金計劃，高效精準；生成計劃、實際、實際—計劃3種資金曲線，利于把控資金流向；可與構件工程量、實際工程量進行對比，最終進行設計概算、施工圖預算、竣工決算的“三算”對比，優化成本控制的路徑，從而實現精細化的成本管控。

（四）BIM技術在運維階段應用

在運維階段，BIM搭載物聯網技術，形成構件信息集成中心，方便快捷查找構件詳細信息，形成全過程追溯模式，實現預制構件現代化生產與管理。而對于建筑內部無法進行肉眼觀測的隱蔽工程，通過調取信息平臺模型，可直觀了解各隱蔽處的詳細圖像，快速維修定位。BIM與VR技術的結合，開展火災疏散等緊急演練的虛擬仿真模擬，降低運營管理過程中存在的潛在風險，提高運營單位的應急處置能力。

二、存在問題及建議

雖然BIM技術在設計、施工、管理階段的運用取得很多效果，但是成本偏高是最受關注也是制約裝配式建筑發展的關鍵問題。而構成這一結果的因素主要包括：地方政策不能因地制宜、現行BIM設計標準不夠統一、構件廠構件生產和運輸管理不夠精細等。該項目在應用BIM技術過程中也遇到諸如BIM模型通用性低、預制廠信息溝通不對等、BIM模型搭載其他軟件的轉換精度有待提高等問題，針對以上問題進行分析，提出以下建議，以期為成本增量的合理壓縮提供思路。

（一）實施地方差異化政策

地方政府應因地制宜制定推廣政策，如綜合技術政策、需求導向政策、財政支持政策、稅收政策、金融政策、規劃政策、土地政策和綠色建造理念引導政策等，多政策并舉，實行和地方政策相輔相成的舉措，完善利于裝配式建筑高質量發展的政策體系。

（二）完善相關標準制定

在現行設計規范和標準基礎上，加快推進相關標準的制定和實施，根據結構特點、地方政策等完善不同地方區域的結構體系、圍護體系、管線分離、裝修體系的標準。引領裝配式產業的科技成果轉換，推進示范引領項目及其成套的關鍵技術成果形成標準，以此完善裝配式建筑的標準體系。

（三）提高預制廠管理水平

搭建施工方與構件廠信息共享平臺，提高構件生產運輸過程中信息交互性及協同性，借助BIM平臺結合進度計劃及物資需求量制定合理的生產、運輸計劃，避免發生構件庫存過多堆積或者構件供不應求影響施工進度的狀況，實現對生產運輸階段的質量監控，打造精益的生產供應鏈。

三、結論

本文研究探討了BIM技術應用到裝配式鋼結構建造全過程的方法，結果表明，BIM技術的可視性、模擬性、信息集成性、交互協同性，能有效提升裝配式鋼結構建造設計、結構深化設計、機電碰撞管線綜合優化、施工組織管理優化水平，提高了現場信息化精益管理程度，助力綠色設計、綠色施工、智慧管理，是實現智慧建造的有效手段。針對目前應用所遇到問題，可以通過推行地方化差異政策、制定相關標準、提高預制廠管理水平等措施進一步提升裝配式建筑智慧建造水平。