基于BIM 虛擬建模的裝配式建筑施工效率管理研究

陳先軍

（阜陽職業技術學院，安徽 阜陽 236031）

中國當前的建筑行業仍然主要為傳統的建筑方式，嚴重浪費了建筑材料和人力資源，且對環境的污染也非常嚴重，阻礙了中國的長期可持續發展［1］。為推動經濟和資源的良性發展，中國正在推行環保的裝配式建筑，目前裝配式建筑已經成為中國“十三五”期間的重要戰略之一［2］。裝配式建筑材料在生產過程中，會受到生產工人能力的影響，造成各個廠家生產的質量各不相同，從而影響到整個建筑的質量；同時，裝配式建筑存在施工機械化程度高、吊裝工藝難、構件拆分復雜、施工管理能力差等問題，這些問題也影響著裝配式建筑的發展［3］。目前，BIM 虛擬建模技術在國內逐漸被應用，通過BIM 構建裝配式建筑的3D 模型，在此基礎上進行裝配式建筑的拆分和優化設計［4］。但怎樣才能將BIM 技術有效協調裝配式建筑施工過程，提升施工效率，已成為建筑領域中一大熱點話題。本研究對裝配式建筑施工效率管理問題，介紹了BIM 技術在裝配式建筑過程中各個階段中的應用，旨在為裝配式建筑施工提供一定借鑒和參考。

1 BIM 在建筑施工中的應用

1.1 BIM 在施工平面布置中的應用

在布置施工現場時，要以實際施工區域的情況作為基礎，通過BIM 模擬方法構建科學合理的平面布置模型方案。有效利用區域內能夠利用的空間，如構件的運輸路線、存放位置、現場設備的調動，以防止重復運輸，一次性滿足現場的施工要求［5］。通過BIM 技術對3D 立體規劃方案進行構建，能夠有效體現出施工現場的實際情況，從而進行科學的布局，避免吊裝碰撞等事故的發生。施工平面布置需要遵循原則：一是合理布置場地中設施，以滿足施工現場實際所需，合理調配勞動力、設備和施工材料；二是統籌優化生活區、施工區布置；三是合理規劃現場路線，滿足PC 構件施工特點；四是合理布局塔吊。結合BIM 技術和平面圖，構建出施工區域的地形、設備、建筑、材料放置區域、臨時水電、臨時道路以及生活辦公區域的建模，充分考慮設備的布置，避免塔吊等設備發生碰撞，具體的施工平面布置的流程見圖1。

圖1 BIM 技術應用于施工平面布置的流程圖

傳統的CAD 場地布置圖無法展現出完整的模擬效果，施工中存在的不當之處也難以被發現［6］。應用BIM 虛擬建模技術能夠直觀展示各個區域之間存在的關系，同時也能顯示施工材料在各時間段的運輸路線與存放區域，有效防止塔吊等設備之間的碰撞，提升現場施工的效率。

1.2 BIM 技術應用于施工質量、安全質量及進度的管理

1.2.1 施工質量管理

在施工質量管理中，BIM 能夠根據施工的流程、工序轉換、質量缺陷以及驗收等要求，將工程現場情況和模型進行對比，及時找出施工中存在質量及安全隱患問題，并提出質量管控措施，提升施工質量管理效率，完成施工質量管理目標［7］。傳統的圖紙會審只會對圖紙中發現的問題來研究，而應用BIM 可以發現圖紙中存在的問題，進一步提升圖紙會審的準確度。各個專業方向的人員根據圖紙構建相關的BIM 模型，最后再整合所有的模型，找出設計各個方向的圖紙中的矛盾之處，同時提出修改意見，達到了提升工作效率的目的。BIM 虛擬建模使得施工技術交底形式突破了傳統僅依靠平面圖紙交底的形式，使得工作人員能夠通過模型直觀地了解施工節點的要求，防止因交流問題而造成交底不清的問題出現，有效提升了交底工作的效率。在構件生產之前，應用BIM 技術找出項目中存在的質量隱患，并改進預制構件的轉配流程，自行構建廠家生產的BIM 模型，確保構件規格尺寸和質量符合施工要求；在構件生產過程中，應用BIM 技術放置構件的RFID 標簽，并在BIM 模型中輸入標簽信息，幫助現場工作人員了解進場PC 構件的質量。

PC 構建的優化設計方案是基于BIM 技術的立體可視化的演示，并對3D 信息模型進行了構建，模擬構件的安裝過程，及時發現潛在的問題并更正，提出的構件的優化設計方案必須滿足項目的安裝要求［8］。本研究的控制點優化設計方案包括了構件運輸優化、構件吊裝順序、構件節點、洞口預留、預埋件的優化設計，以達到施工便利的目的。見表1。

表1 構件的優化設計方案

1.2.2 安全質量管理

在裝配式建筑項目安全質量管理中引入BIM技術，并比較施工模型與施工信息。在裝配式安全管控中，采用BIM 技術構建施工安全風險控制點、危險施工部位以及關鍵環節的模型，可有效防止事故的發生，同時應用3D 模型來提前展示各施工環節的安全隱患［9］。隨著施工進度的推進，實時展現可能存在的風險并及時進行調整。由于裝配式施工中的安全隱患多且分散，施工方可通過BIM 可視化模擬，找出工程中存在的諸多安全隱患，如基坑坍塌、高空跌落、吊裝碰撞等一系列的風險因素，并過段采用有效的安全措施來應對各種潛在風險。

構建了BIM 安全模型后，還需要對安全設施族庫進行構建，實例參數選擇為安全參數，并實現施工現場安全設施的可視化展示，具體的流程為：新建→選擇族樣板→設定族參數及類別→載入嵌套族→構建族類型參數→創建實體→增加參數信息。本研究以鋼筋加工防護棚為例，將通用族選擇為鋼筋加工防護棚族，其中防護棚主要包含了防護棚頂、基座以及鋼架，主要的參數有尺寸標注、材質、裝飾以及標識數據，應用BIM 軟件修改優化各個參數。優化后的安全設施模型，見圖2。

圖2 安全設施模型圖

各個參建單位可通過BIM 技術直觀地看到項目的風險控制點，并根據風險程度來確定風險等級，并按照風險等級采取相應的措施指導現場施工，主要流程為：現場危險源識別→組織風險評估→確定風險等級→風險預防與控制。

1.2.3 施工進度管理

在BIM 中進行施工進度管理，進度計劃編制最為便捷直觀的方法為Project，Naviswork 軟件中Timeliner 方法是能夠更好地模擬現場進度［10］。BIM 技術可以有效整合模型，防控工期影響因素，把控施工進度。編制基于BIM 的施工進度計劃的流程為：首先工程人員應用Project 對進度計劃（BIM 格式）進行編制，通過Naviswork 軟件把編制好的文件導入BIM，將模型集合至各個構件上，在運行BIM 模型模擬工程的進度情況。最終的交付成果包含BIM 模型、模擬視頻、進度計劃、協調資料等，進度計劃與模型關聯如圖3 所示。

圖3 進度計劃與模型關聯

2 BIM 虛擬建模技術在裝配式建筑施工中實例分析

2.1 裝配式建筑項目概況及BIM 虛擬建模

本研究以某樓盤開發為實例，該樓盤屬于裝配式產業化高層住宅樓，為城市典型住宅樓建筑群。工程共包括了20 個單元，建筑面積約257326 m2，5F 以下和以上分別為現澆結構層和裝配式結構標準層。PC 構件包括疊合梁板、預制內隔墻、預制剪力墻。防火分類為高層I 類，等級為一級防火；使用年限設計為50 年；人防工程類別為甲類；抗力級別為核六級人防。項目存在難點較多，一是各專業之間較差施工，協調難度大；二是機電系統復雜，吊裝施工、管線優化難度大；三是PC 構件安裝精度、套筒節點注漿要求過高；四是需要嚴格把控BIM 模擬的準確度；五是項目工程規模大，工期非常緊張；六是工管理協調存在非常大的難度。

通過以上分析，本研究應用BIM 技術進行項目的過程控制與優化。首先應用Revit 構建族庫，按照構建的實際尺寸建立PC 族類，并依據設計參數建立PC 構件的構件庫。通常，裝配式構件類型較多，包括疊合板、疊合梁、外墻板、內墻板、剪力墻版等。通過設計圖紙的參數在Revit 軟件中構建BIM 模型，見圖4。

圖4 裝配式建筑模型

2.2 施工效率管理實例分析

2.2.1 施工平面布置

應用Revit 軟件進行地形設置，對室外倒排管線、主體結構、地庫頂的標高布置垂直運輸機械；再根據施工實際情況構建出安全設施族庫，確保各族庫規格統一，加強布局效果；接著再重點關注構件的數量、重量、模板以及混凝土用量，以及材料設備的運輸情況，結合項目施工總平面圖布置圖，應用BIM 技術對圍墻、臨時道路、人貨電梯位置、塔吊布置、構件堆放地等進行3D 建模。應用啟用剖分法動態管理施工過程，如對地下車庫的構件及管線材質進行了構建，并通過Navisworks對地下車庫的結構進行瀏覽。施工總平面布置模型及BIM 動態管理圖見圖5。

圖5 施工總平面布置模型及BIM 動態管理圖

其中，本項目為確保吊裝能力，為各個單體均配置了塔吊（QTZ6518）一臺，反復檢查塔吊旋轉半徑是否能夠重疊使用。在進行PC 構件運輸路線布置時，充分考慮了周邊線路，應用專業的固定架，避免構件搖晃發生碰撞損壞等現象。通過BIM 建模后，充分分析臨時道路的轉彎半徑、坡度及寬度。

2.2.2 施工質量、安全及進度管理

應用BIM 進行項目的建模工作，及時發現項目圖紙中存在的不合理之處，及時進行優化，使得吊裝方案能夠滿足項目實際需求。接著進行了碰撞檢查，通過Revit 整合各個專業構建的模型，并由Navisworks 對模型進行碰撞試驗的檢查，找出模型之間的碰撞部位及數量。碰撞實驗內容包括了橋架與風管、疊合連梁縱筋與現澆暗柱縱向鋼筋、鋼筋與構件、管線之間的碰撞，將實驗結果反饋給設計院，再將修改后的圖紙進行建模優化，直到完全消除碰撞點為止。例如，橋架和風管的碰撞模擬圖，如圖6 所示。結果顯示，結合圖紙建模能夠更好地進行施工模擬演示，了解施工重難點，確保施工質量。

圖6 橋架和風管的碰撞模擬圖

本項目針對施工安全問題，應用BIM 技術對3D 漫游及工人進行技術交底，并在模擬環境中尋找安全隱患重點位置，并在后期的施工過程中重點關注。此外，應用成品支撐架確保墻板的穩定，應用BIM 技術模擬調整構件的垂直度，保障了構件的安裝精度，提升墻板斜支撐位置的合理性。

對施工進度的管理而言，本項目采用Project編制了mpp 進度計劃文件，并將文件導入Navisw-orks 的Timeliner 中，生成四維施工進度模型。后期隨著裝配式吊裝工程的進展，Timeliner 將自動調整模型信息，以便對項目的進度進行分析。施工進度模擬圖，如圖7 所示。

圖7 施工進度模擬圖

2.2.3 施工模擬

在Navisworks 中導入Revit 模型，并在構建的三維模型中導入時間維度得到四維模型，再加入成本參數得到五維模型。本研究通過BIM 模擬吊裝施工，并及時找出PC 構件安裝中存在的問題，并采取了相應的措施進行處理，在吊裝前進行了基于BIM 技術的3D 可視化技術交底。PC 構件安裝演示圖，見圖8。

圖8 PC 構件安裝演示圖

3 結論

研究針對裝配式建筑施工，應用了BIM 虛擬建模技術分析了裝配式建筑施工效率管理問題。結果顯示，結合圖紙建模能夠更好地進行BIM 施工模擬演示，了解施工重難點，確保施工質量；應用BIM 技術模擬調整構件的垂直度，保障了構件的安裝精度，提升了墻板斜支撐位置的合理性；四維施工進度模型方便了對項目的進度進行分析，加快了PC 構件的堆放周轉，提升了施工的效率，確保項目能夠按照計劃進行；應用BIM 進行吊裝施工模擬，能夠及時找出存在的問題，在吊裝前進行基于BIM 技術的3D 可視化技術交底，對后期的實際施工具有指導意義。