基于BIM技術的模架工程精細化管理應用研究

郝懿

內蒙古科技大學土木工程學院 內蒙古包頭 014017

隨著建筑工程逐漸向生產項目復雜化、施工技術專業化及工程管理精細化方向發展[1]。模板腳手架工程作為混凝土結構施工的基礎部分，是影響工程總工期的關鍵工序之一，其現場施工管理尤為重要。傳統模架設計方案和施工管理日益顯出一些問題，主要有方案選型難、安全計算難、施工圖繪制繁、方案展示不直觀、投標措施無依據、材料采購靠估算、亂拿亂放難管理、隨意切割浪費多、結算少依據等。因此，對模架工程管理精細化十分迫切。BIM技術對模板腳手架設計、施工、安全管理提供數字化、精細化的信息展示，通過統一的模型為預判、決策提供數據支持。但目前BIM技術在模架這類專項工程中的應用還存在一定局限性，需管理人員詳細了解并在施工應用中合理規避和調整。

1 BIM技術在工程管理中的應用

1.1 數據協同

對于某些十分龐大的建設項目，要求相關人員對過程把控更精準，基于BIM技術建立協同平臺可大大增加及時的數據傳輸效率和數據的準確性，可以快速查詢相關數據，減少冗余的流程[2]。

1.2 施工協同

利用BIM技術將施工數字化、模塊化，協同施工方、監理方和業主等多方對施工進行全面協調評估，建立健全管理體制，規范施工過程，減少施工現場的不利因素[3]。

1.3 精細化管理

精細化管理重點為管理的精準和規范，通過制訂科學有效的管理方案，實現解決管理的目的。[4]。

基于BIM技術在工程項目建設的不同階段進行的精細化管理主要包括：設計階段精細化管理、施工階段精細化管理和運營維護階段精細化管理。

在工程項目建設的設計階段，通過BIM技術建立三維設計模型，多方通過云端審圖(依據錄入標準規范的系統驗證審圖和傳統人工審圖相結合)，形成評估報告及審核意見反饋，實現虛擬設計和智能設計。各專業系統可從信息模型中獲取所需的設計參數和相關信息，當模型發生變化時，與之關聯的圖表和文檔將自動更新，避免數據冗余、歧義和錯誤，可有效縮短設計時間。

在工程項目建設的施工階段，基于BIM技術將建筑物及施工現場3D模型與施工進度相鏈接，并與施工資源和場地布置信息集成一體，實現動態、集成和可視化的5D施工精細化管理及施工過程的可視化模擬。對工程項目的功能及可建造性等潛在問題進行預測，保證施工過程中資源的合理分配以及建設項目的成本精細化管理。

在工程項目的運營維護階段，建立項目運維平臺并與BIM模型結合，充分發揮空間定位和數據記錄的優勢，通過數字化系統快速、準確地對發生故障的區域進行標記和提示，方便進行檢修。對用戶水、電、天然氣等資源的能耗情況進行跟蹤記錄[5]，分析不合理的資源使用情況并進行處理整合，為后續資源節約措施提供數據支撐。還可以結合現場環境影響，模擬災害發生時人員疏散、救援的措施，針對結構損傷、材料劣化及災害破壞進行建筑結構安全性、耐久性分析與預測。

目前，基于BIM技術的精細化管理已應用在工程項目的各個領域，尤其針對大型化、復雜化綜合化的工程項目施工管理優勢更加凸顯。對模板腳手架這類專項工程的施工管理利用BIM技術解決其存在的問題是很有價值的。

2 BIM技術在模架工程精細化管理中的價值

2.1 BIM技術在模架方案設計階段精細化管理的價值

模架方案設計階段BIM技術的應用價值主要有以下幾點：

(1)模架選型。第一部分是了解工程的實際需求，通過前期的結構模型及工程量等數據，對比市場中能夠供應的材料，從質量、規格、價格等多方面考慮，對模架規格進行初篩，選擇認為較合適的2～3種模架按照市場公布的參數規格在軟件中進行預搭，并對導出的材料量表進行匯總及估算對比。第二部分是對于所選用材料的參數可借助模架BIM軟件來模擬分析。通過腳手架與連接各部分的依賴關系，圍繞腳手架的采購材料數據進行模擬，包括架體長度的設置、布設等具體數據，來分析該材質與施工建筑本身是否存在沖突關系和不安全因素。綜合成本、安全等因素選擇最為適宜的模架類型。如圖1所示。

圖1 基于BIM的模架方案設計流程圖

(2)深化設計。一是基于BIM技術對建筑結構整體理解與分析。不同的建筑結構，腳手架設計方案有所不同，其搭設方式關系著支撐體系整體的穩定性和安全性。二是在設計方案中，通過模架BIM軟件模擬模架搭建與拆除的過程，動態查看布設情況，了解各實施步驟中的安全風險與隱患，提前排除或制定相關措施，完善模架工程施工部署。

(3)安全計算。一是可以借助模架BIM軟件，對模板腳手架的受力情況進行反復計算，包括高支模區域中對于材料規格及可能產生的力學參數，通過多種情況的數據分析，來判斷不同的支撐體系能夠滿足的受力要求。二是通過3D模型能清晰地顯示出模板腳手架施工中各個部件施工的技術特點，并自動識別危大及超危大構件部分，預判關鍵部位和存在安全隱患的部位，在施工前就能進行有針對性的技術交底，著重進行管理。三是彌補施工人員對于規范要求的熟悉度不夠、結構力學、材料力學屬性了解深度不夠，通過模架BIM軟件內嵌的算法協同規范形成的參數約束條件，進行合理性分析并生成安全計算書(如圖2所示)。

2.2 BIM技術在模架工程現場施工階段精細化管理的價值

模架現場施工階段BIM技術的應用價值主要有以下幾點：

(1)配模設計。一是由于每根梁和柱子或者樓板所需要的模板不是恰好合適，需要對整塊模板進行切割。在切割前必須統一計算、統一管理，優化拼模配置，增加整板利用率減少切割次數，這樣才更利于標準化周轉。二是為每根梁柱以及樓板的模板出具平面拼接圖，這樣方便作業人員施工及模板協調配置。三是對于成品模板，精細化的配模有利于工廠化加工，其運輸和堆放也可以參照具體的施工進度進場，避免二次搬運。

(2)可視化方案交底。一是BIM模架軟件支持整棟、整層或任意剖切三維模型，可以直觀顯示和輸出剖切部位的高清圖片，用于成果展示和進度匯報。二是支持模板支架的平面、立面、剖面以及不同位置詳細節點二維圖紙輸出，可直接用于現場放樣。并且與三維模型關聯性強，可以相互轉化。三是可視化設計成果通過動畫加工，進行模架安拆工藝模擬，可直接應用于專家論證和現場工人交底。

(3)材料用量統計。一是可根據結構構件類型、流水段等不同劃分標準，輸出相應區域的材料用量，包括不同類型的構件、不同長度的鋼管數量、配模后不同尺寸的模板數量等。將用料量與進度計劃掛接，實現材料進出庫精細化管理。二是根據用料表通過精細化計算生成模板腳手架施工經濟可行性報告，按照推薦用量采購和租賃模架材料，形成材料采購計劃表。如果施工時方案調整，只需改動計算參數，布設位置、計劃表均會聯動調整，無須重復計算，避免人工計算出現誤差。

(4)安全管理。一是通過BIM+VR進行崗前沉浸式安全教育，身臨其境感受高空墜落、高空物體打擊、模架坍塌等場景，使作業人員從內心進行安全教育，明白模架工程安全事故的嚴重后果及進行安全管理的重要性，規范施工作業安全。二是將監測設備模型及其ID信息也添加到模架BIM模型中，便于實現可視化對準與聯動。管理人員不僅可以直觀查看現場安全狀態，預測支撐體系變化趨勢，設定安全預警值，通過積累的數據信息，方便事故追溯調查(如圖2所示)。

圖2 模架安全管理模式圖

(5)外腳手架布設。一是通過BIM模架軟件的三維仿真和計算功能確定外腳手架形式，并對施工便利度和工程的質量進行評價，制訂最為科學、合理的外架布設方案。二是積累大量的外架搭設模型，逐漸形成企業甚至行業的3D標準，有利于施工單位建設安全文明工地。

3 BIM技術在模架工程精細化管理中的局限性

BIM作為技術工具，為工程精細化管理提供基礎數據，使后期深化有據可循，但施工項目精細化管理十分復雜，不僅需要有完整的基礎數據支持，而且與現場業務管理深入程度有很大的關系。BIM軟件作為BIM技術應用的重點工具，在工程中成本管控、可視化的價值已獲得大家認可。目前由于BIM技術及相關軟件開發仍處于發展上升階段，且精細化管理控制因素較多，兩者在模架工程實際應用中也存在一定的局限性。

BIM技術在模板腳手架工程精細化管理的局限性，主要從以下幾點說明：

(1)實用性。一是在我國傳統建設行為依然占據主導，BIM技術并沒有全線推動，還缺乏相對應的研究與分析，施工中專項工程類BIM軟件沒有得到推廣使用。二是縱觀當下建筑行業市場，對于BIM技術人才的需求缺口是非常大，專業技術人員及軟件操作人員能參與到實際項目中還需要較長時間。三是相比傳統人工計算模架工程量，BIM軟件使計算錯誤率大大降低，統計工程量較為公開，成本透明度較高，使施工單位利潤率降低[5]。四是BIM技術指導屬于先行，相關BIM軟硬件需要購買或租賃，在前期還未看到效益時就支出這筆費用，也讓很多項目經理望而卻步。

(2)數據信息誤差性。一是BIM軟件國內外供應商較多，有些建模軟件的二次開發接口并未開放，一些有能力的企業，無法自主編寫算法與工程特點相適應。二是軟件之間的交換規則也并未完全明確，模型互導時構件不能完全轉換，會出現信息丟失等狀況，不能完全實現“一模多用”，增加了人工檢查的工作量。三是雖然各地政府及主管部門出臺了很多推進BIM技術的措施和政策，但是像利用BIM技術輔助模板腳手架工程的設計標準、計量計價標準等，整個國內建筑市場并沒有形成統一的標準規范，導致BIM相關產業市場接受程度不同，上下游產業關聯的公司在核對數量、價格等數據時較為困難。

(3)工程范圍適用性。一是目前的BIM模板腳手架設計軟件中，模板品類單一、模架類型對于適應日益復雜的工程項目支持度明顯不夠，不能適應發展越來越快的模架技術。住建部發布的《建筑業10項新技術(2017版)》[6]中提到的整體爬升模架、附著式升降腳手架、管廊模板、箱梁模板等，均無法通過相關模架軟件全方位模擬和應用。二是目前的模架軟件雖然支持模擬組合式鋼模板拼模方案，但是僅限于導出拼模圖和主模板材料用量。類似U型卡、山型件等模板附屬構件用量則無法精確統計。三是常規類BIM模架設計軟件對墻、梁、板、柱等常規類構件均適用，卻無法對樓梯、墊層、導墻等結構構件或異形程度較大的結構進行精確拼模，需模糊估算或人工換算，但換算規則還需通過大量實際項目積累經驗。

(4)技術指導性。一是BIM模板腳手架設計軟件在進行編寫拼模算法時，只考慮了減少模板剪裁，增加整板利用率，對于現場施工可能出現的問題考慮不夠周全，且不同模板類型和不同作業隊施工操作方法也并不統一。通過軟件導出的二維拼模圖與模架材料規格表在模板裁剪及拼裝指導中有限制性。二是軟件設置成品模架拼模方案參數時，只能設置單一主模規格，其他部位只能由軟件自動匹配生成。但在生成的材料表中所匹配的規格并不符合市場主流的標準規格，給項目部在采購等方面造成影響。

(5)行業標準性。一是BIM模板腳手架軟件內置標準不夠全面，不能完全滿足各地工程項目使用要求。二是相關BIM軟件供應商不能第一時間更新最新規范，軟件迭代時間較長。三是模板腳手架設計軟件行業屬性鮮明，而專業的算法工程師一般不具備建筑行業的背景，一方面要提高軟件算法對規范標準內容轉化的編寫與開發，另一方面則需要以更多工程項目作為對象進行分析驗證，不斷優化軟件算法。

結語

綜上所述，BIM技術數據化、可視化和協同化特點在模架工程的方案設計階段和現場施工階段均提供了有價值的幫助，為模架工程精細化管理提供了新的思路和模式。然而BIM技術在工程實際應用中還存在著一些局限性，需要加強BIM技術與項目管理各主體的融合。針對BIM技術本身系統性誤差和基于BIM技術的軟件載體存在的模型的模擬過程缺陷，需對項目管理的具體對象進行相關技術調整，以使模擬效果達到最佳。

隨著科學技術高速發展，BIM技術發展也更多元化。工程項目管理人員應多參考國外先進BIM技術案例，靈活運用BIM模型，將BIM技術合理地融入工程項目精細化管理進程中，摸索創新更多專項工程的管理模式。