BIM技術在裝配式建筑施工過程中的應用研究

文／徐松 安徽南巽建設項目管理投資有限公司 安徽合肥 230011

引言：

為了節約能源、減少施工污染、提升勞動生產效率和質量安全，國家對裝配式建筑行業的發展要求非常明確。隨著政府的強力推廣、構件技術的不斷成熟以及裝配式建筑管理水平的不斷提高，裝配式建筑在新建建筑中的比例會不斷提高。裝配式建筑是指在異地建廠，將需要的構件廠內生產后搬運至現場進行組裝，將各部件拼接成一個整體。如預制結構裝配式建筑，就是在工廠內把重要部件都生產完成，然后運至現場吊裝拼裝。與原有的木模傳統體系相比，預制結構裝配式建筑精度高，現場施工誤差小，方便裝飾裝修和成套設備的安裝;但對大型構件的運輸，以及現場預制安裝技能都需要較高的要求。住房和城鄉建設部發布GB/T51129-2017 裝配式建筑評價標準。“管線分離技術”為獨立得分項，并且評價分值權重更大，達到6 分，而包含了“管線分離技術”的“室內裝修集成技術”在舊標準中的評價分值僅為3 分。可見管線分離技術研究對于裝配式建筑有重要的技術支撐，也是裝配式建筑的發展重點之一。

1.BIM技術在施工過程中的優勢

裝配式建筑在工程建設應用過程有諸多優點，其中以下幾個方面尤為突出：（1）有效提高勞動生產效率和減少勞動力投入。現階段建筑行業勞動力短缺已是制約整個行業高效發展的突出問題，同時勞動力年齡高，專業技術人員不足、成本高等矛盾突出。而裝配式建筑很大程度上提高了整個建筑業的機械化水平和技術水平，不僅提高勞動生產率還能減少勞動力投入，節約人力成本投入，減少安全風險的發生。（2）綠色環保、降低環境污染。眾所周知，建筑業一直是公認的高耗能、高污染行業，建筑行業占所有行業能耗的30%還多。通過采用工廠預制的裝配式生產形式，將現場煩瑣復雜的濕作業形式轉化成工廠預制加工的生產方式，做到低能耗的同時還能夠減少現場噪音、揚塵、垃圾污染的發生。（3）提高效率、縮短建設周期。相比傳統施工工藝，需要進行鋼筋、模板施工驗收合格后，方可進入混凝土澆筑施工作業，施工工序繁雜，生產效率低下，通過工廠模數化生產，將以上施工作業過程全部壓縮至工廠加工生產。尤其是工程結構施工過程中的復雜細部處理工作，其優點更加明顯。傳統現場澆筑作業，一般需要進行混凝土的養護等作業，此項工作正常需要7d 左右的時間，因裝配式為運至現場的預制構件，僅僅需要吊裝安裝拼接工作，這在一定范圍上也節約了工期。（4）保障工程施工安全質量可控。相比傳統施工而言，現場施工作業工序繁雜、溝通交流不暢，質量驗收問題較多，通過裝配式生產可以通過工廠的信息化、詳細參數控制，有效控制預制構配件的施工質量，避免現場作業、高空作業帶來的生產安全隱患等。

2.BIM技術在裝配式建筑施工過程中的應用

2.1 管線分離技術

管線分離技術，即將設備管線與結構層、裝飾基層分離，使設備管線脫離被主體結構、裝飾剛性墊層基層掩蓋和填埋所導致的不可追溯、不可改造、不可檢視等狀態，使設備管線獨立存在，使住宅具備結構耐久性的同時，保證設備管線具有可追溯性、可檢視性、可更新性的優點。按GB/T51129-2017 裝配式建筑評價標準要求，對于裸露于室內空間以及敷設在地面架空層、非承重墻體空腔和吊頂內的管線可認定為管線分離;而對于埋置在結構構件內部(不含橫穿)或敷設在濕式作業地面墊層內的管線應認定為管線未分離。目前市場上主流的管線分離方式是基于SI 內裝體系，在SI 內裝系統中，管線可以在戶內的天花、地面、側墻(隔板內)脫開結構或墻體獨立敷設。脫開結構明敷管線，需增設天花吊頂、架空地板、填充墻板來遮蔽管線，以此保證使用性和美觀，但是相應也會影響室內凈高（設置天花吊頂、架空地板時）及住宅實際使用面積（設置填充墻板時）。

2.2 建筑各層面的設計

2.2.1 戶型設計

建筑工程結構的戶型要保證和功能是完全匹配的，確保各個功能區都可以分配到各個建筑區域內。為了滿足這一要求，要做好如下工作。（1）結合別墅業主對于功能性要求，根據需要進行不同樓層功能區的設置，明確不同功能的位置。（2）確定功能區分部和戶型分部是否匹配，如果發生不匹配的情況，應該結合實際情況做出調整。（3）詳細計算確定構件受力條件，確定沒有設備發生碰撞的情況。根據國家標準作為指導，保證戶型設計滿足要求。（4）戶型內要合理進行功能性劃分，根據BIM技術實現各個功能有效配合應用，形成整體結構，各個功能區獨立運行，也存在著一定的聯系，保證建筑的整體性與和諧性。

2.2.2 標準層設計

裝配式建筑在應用中，標準層的設計人員在設計戶型圖之前，需要設置必要的附件以形成特定的層次，這種設計方案應用BIM技術完成，實現模塊化水平的提升，促進總體設計質量的提升，具體從下述幾個方面出發。（1）采集相關標準層的數據信息，比如尺寸；將數據信息傳輸到BIM 軟件內，利用軟件進行數據的處理，可以完成標準層的設計，為施工提供參考意見。（2）如果施工環節發生數據變化，應該及時更新BIM 系統內各個數據，保證數據有效利用，讓項目可以順利的進行。

2.3 埋件設計

建筑工程項目內，在預制構件的埋設施工環節，根據需要進行必要的設計和控制，比如梁柱預埋施工環節，包含多個部件，比如內嵌梁柱，但是梁柱、模板的鋼筋吊鉤形式比較多，這是因為不同建筑物的結構形式相差很大，造成建筑結構無法達到要求，所以需要做出必要的調整，保證埋件設計符合要求，從而可以符合工程的使用需要。此外，預制構件埋設施工環節，在現場設置必要的預制柱的結構，首先需要進行安裝處理，墻和柱的連接要布置規定強度要求的鋼板，技術參數符合要求，且模型設計環節，應該及時做出結構的調整，保證技術參數滿足要求，可以切實提升工程的施工效果，全面落實管理和控制措施，不會存在違規作業的情況。總之，對于裝配式建筑來說，BIM技術的優勢比較明顯，應用范圍比較大，要從結構設計以及鋼筋設計方面出發，保證埋件結構達到科學性、合理性的要求。基于此，BIM技術是裝配式建筑設計的主要方式，切實提升模型精確性的要求，符合建筑工程的施工需要，為后續的建設施工提供良好基礎。所以建筑工程單位對于BIM技術的應用要提起足夠的重視，嚴格落實到實踐中，保障項目順利實施，提高施工效率和質量，實現項目綜合效益的提升。

2.4 裝配式建筑及全生命周期管理

預制裝配式混凝土建筑施工是應用工業化產品的生產方式，在工廠將建筑結構分成柱體、梁體、墻體、樓梯、陽臺等構件進行預制，隨后運輸至現場按照設計圖紙進行吊裝拼接，連接方式有套筒灌漿連接、現澆連接等方式，達到“等同現澆”的效果，以形成整體的建筑結構。由于裝配式建筑的生產、安裝以及運維均是在不同的時空條件下發生，各個階段的工作復雜而精細，需要一體化的構件設計、制造和運輸、安裝和維護的精細化全生命周期管理，避免了信息流、物流和現金流在決策、建設和運維階段的碎片化管理，創建了全過程的建筑工程信息模型，從而將管理貫穿于建筑的全生命周期。裝配式建筑按照一定的規則，比如梁、板、柱或墻面等，將建筑進行拆解，實現了構件在工廠工業化以及流水化生產，BIM技術通過建立虛擬三維數值模型，實現了建筑物建造的信息化，兩者的結合將有力地推動建筑工業的轉型升級，也有利于對裝配式建筑全生命周期穿透式管理。

2.4.1 項目規劃設計階段

裝配式建筑在規劃設計階段的工作內容眾多，包含規劃選址、場地分析、模型建立、圖紙繪制、設計沖突圖檢查、工程量統計及造價管理。BIM技術可以結合VR 技術或者GIS 技術，利用其自身的三維可視化特點，在規劃階段可以實現規劃選址和場地分析。通過BIM技術建立場地邊界條件以及地形空間信息模型，可以為決策者提供直觀的場地建設條件分析，進而創建合理的建設方案，避免了傳統工程項目規劃的無標注和無規程。BIM技術也可以整合多專業進行協同規劃方案的比選，模擬規劃建造過程，對建設場地內的建筑物布置、結構的幾何形狀及選型、日照分析等內容進行分析，實現規劃前期階段的全專業融合。在設計階段，BIM技術可以對裝配式構件建立參數化模型，通過對模型的屬性和尺寸進行定義，依據BIM 模型中的參數化功能實現模型之間的相互關聯，結構的參數只要發生變動，其余相互關聯的參數就會發生相應的修改，避免了傳統設計中采用CAD 圖形平面設計時的煩瑣改圖，大大節約了設計成本，加速了設計周期，特別是對于構件幾何尺寸復雜、新技術應用節點等，可以達到良好的設計效率；其次，BIM技術可以實現設計的碰撞檢查，在裝配式建筑中，涉及的構件數量非常之多，傳統的建筑設計往往依賴于二維圖紙，無法實現可視化和碰撞檢測，只有到施工階段才能發現建筑的碰撞問題，導致了諸多的施工變更和工期延遲，而BIM技術可通過三維數字模型的建立，對設備和管道這類構件實現碰撞監測，達到及時修改的目的。

2.4.2 施工階段的應用

首先是施工過程模擬。通過BIM技術，可以對裝配式建筑結構進行全過程仿真，使工作人員能夠及時發現問題，并參考工程的具體要求進行科學的調整，從而降低施工中的危險事故，合理調配資源和資金。在構件吊裝仿真過程中，要充分考慮到各個節點之間的相互關系，并進行相應的調整和銜接，以保證仿真過程的流暢。在施工現場，遇到結構復雜、施工要求高的節點時，利用BIM技術實現節點的可視化顯示，便于施工人員根據三維模型進行節點的銜接，提高施工的精確度。其次是材料管理。在實際應用BIM技術時，必須對整個施工過程進行全面計算、分析，并以此為依據，科學、合理地安排施工材料、施工進度，以保證施工的質量，保證材料的供給不會受到影響。另外，為了科學、高效地判定材料的損失，還需要運用BIM技術，及時發現材料損失的異常情況，以便對施工過程和方案進行改進和優化，確保工程的科學性和經濟性。此外，運用BIM技術，可以對物料的進場時間進行規劃、計算，并能靈活地對物料進行加工，避免物料長期積壓。然后是碰撞檢測。通過BIM技術，可以在深化設計階段就進行碰撞檢測，檢驗圖紙的設計內容，確定結構位置是否合理，管線布置是否合理，并能做到水平和垂直方向的檢驗，降低矛盾的發生，增強結構的連貫性。通過碰撞檢測，可以科學地評估圖紙的設計內容，避免在實際操作中出現的碰撞問題，實現多個專業的協作，減少返工費用，大大提高了工作效率。接下來是BIM技術下的裝配式建筑進度管理。Microsoft Project 軟件是負責實施項目管理的重要軟件，特別是在進度管理過程中，應用該軟件能夠取得良好的管理效果，避免出現進度延誤的問題，可以跟蹤進度變化情況，對施工資源進行合理配置。相關人員可以將施工過程中的進度數據輸入到軟件中，可以自動形成施工進度安排，計劃利用圖表的模式將其展現給管理者，能夠有效提高進度管理的效率和合理性。在施工時還可以將施工進度的具體參數輸入到系統中和原有的進度計劃進行對比，從而分析出引發進度延誤的主要原因，采取合理措施進行控制，對人力資源、物力資源的分配情況進行調整，提升進度管理質量。最后是BIM技術在成本管理過程中的應用。在成本管控過程中涉及的數據較多，如果一直利用人工的方式進行成本管控工作，會增加工作人員的壓力，也容易出現成本管控數據計算錯誤的現象。特別是裝配式建筑涉及的構件規模較大，不同構件的尺寸不同，價格也會有所差異，會增加成本管控的難度，必須要選擇合適的方式進行成本管控。BIM技術在成本管理過程中有著較高的應用價值，能夠針對建筑過程中的工程量進行及時提取。BIM技術會構建3D立體建筑模型，利用該模型可以提取不同施工區域的工程量，讓成本管理人員更加直接了解準確的材料數據，能夠為成本核算工作的開展提供重要基礎。BIM 軟件所提供的工程構件使用量數據是極為準確的，成本管理人員可以更快地算出成本量，提升了成本核算效率。同時，成本管理人員也可以在模型中替換相應的構件，選擇不同材質，能夠對比出不同情況下成本的多少，有利于選擇更加合適的成本超支應對方案。通過BIM技術，根據材料的市場價格波動情況制定出材料替換方案，保證管理活動的開展。

2.4.3 項目運營維護階段

在項目運營維護階段，BIM技術可與裝配式建筑的實體相互聯系，建立裝配式建筑構架、建筑設備、建筑管線與虛擬三維BIM 模型的映射關系，并通過現場的監測傳感器對裝配式建筑的運行情況進行實時監測，判別結構構件的健康狀況、建筑設備的運行情況等，能夠實現建筑構件的監控，對擴建拆除以及翻新改造等進行管理，實現物業管理的無縫對接。以運營階段的開擴建設為例，BIM技術依據結構受力傳感器對建筑物的承載性能、變形性能、耐久性能進行監測和數據采集，并可通過外部接口，使監測數據具有機器學習的能力，提供對結構健康狀況的判別，以輔助人工做出是否維修的決策。

3.提高BIM技術在裝配式建筑施工過程中應用的措施

3.1 加強政策層面的支持

在推進裝配式建筑的不斷發展中，政策上的鼓勵與指導具有一定的積極影響。為促進我國裝配式建筑在建筑業中的不斷融入，國家需要對其進行宏觀調控。（1）可以成立專門的領導組織，其成員一般由市建委、財務局、土建局等領導單位組成，其職責范圍包括調整裝配式建筑政策以及標準完善、項目評估、技術論證等方面的指導和服務工作。對于每個辦公室，需要明確工作范圍和職責，以確保相互之間能夠打好配合。（2）加強裝配式建筑相關評價方法的引入，實現對裝配式建筑的科學合理評價，促進裝配式建筑更健康、更穩定的發展，這對發展建筑產業是必要的。有關部門可以成立考核工作組，在市、區開發區管委會開展目標責任考核，并在每季度進行定期定量考核，年終進行綜合考核和評獎。另外，需要明確，合理確定裝配式建筑構件的生產能力可以進一步促進裝配式建筑發展的同時，還能為國家發展提供一定的經濟效益。

3.2 提高技術水平

技術支撐裝配式建筑的發展，要穩步推進裝配式建筑的發展進程，首先需要保障其技術水平能夠滿足發展需求，所以，企業研發部門應該不斷加強對裝配式建筑的科研，加大科研投入。技術支持體系需要根據裝配式建筑的實際發展不斷完善和優化。其中，技術支持體系包括裝配式建筑的定型化設計、裝配工作、質量和安全、檢驗和驗收。只有保證裝配式建筑各個環節的技術水平，才能為建筑業的發展提供一定的助力。此外，可以設立裝配式建筑審查委員會，進一步加快裝配式建筑的發展，其中，審查委員會負責批準、評估和批準裝配式建筑項目。這種科學的監督管理保證了裝配式建筑的質量。另外，要提高裝配式建筑發展的技術水平，不僅要加強相關技術的科學研究，還要加強專家的培養。只有增加從事裝配式建筑的工程師的知識與技能儲備，才能促進裝配式建筑的長期穩定發展。

結語：

采用BIM技術提高了裝配式建筑的生產效率，縮短施工周期、減少現場安全問題的發生，質量控制較好。同時還能最大限度節約勞動力資源，是一種新型的環境友好型的建筑生產管理模式。應用BIM 信息化手段結合射頻技術為實現建筑業工廠工業化生產，也將會給為整個建筑業帶來生產方式的重大變革。