裝配式建筑中BIM技術應用效果的分析和評價

馬學聰 （甘肅榮鋮建設工程有限公司，甘肅 蘭州 730300）

隨著我國人口增多，社會經濟的發展，近些年，國內建筑業發展迅速，并且由于建筑業有著產值高、收益顯著、發展速度快等特點，行業從業者也呈現出爆發式的增長。由于施工過程的不規范、管理制度不健全，導致施工安全事故頻頻發生，且部分施工場地存在較多安全隱患，對我國建筑行業的發展造成了嚴重的影響，同時也阻礙了社會經濟的前進。裝配式建筑作為一種環境污染小、無須現場澆筑構件、施工速度快的施工方式，能夠有效減少建筑物碳排放[1-3]。但裝配式建筑也有著管理困難、各建造專業協調困難以及成本難以控制的缺點，限制了其進一步的發展。而隨著科技的進步，BIM 技術應運而生[4-5]，此技術給建筑工程施工管理、前期規劃等提供了技術支持，其貫穿項目的整個周期（設計圖紙、組織施工、后期修改和運營等），可以將建筑物的配套設施、施工流程和結構體系直觀清晰地展現出來，使施工管理過程更加容易，增強了項目的管理質量和效率，故相關學者對BIM 技術在建筑工程的應用展開了研究。蘭登輝[6]針對裝配式建筑中的諸多問題，分析了BIM 技術在裝配式施工過程中的應用效果。李玉宏[7]根據BIM技術，分析了其在裝配式建筑成本控制和計算中的效果，反響較好。

基于此，為了克服裝配式建筑施工管理難，成本控制難、各參建專業協調溝通難等問題，將BIM技術和裝配式建筑進行了結合。通過全周期評價法，對比了不同建造方式的節能減排效果，給相關工程提供了指導和借鑒。

1 項目概況

此次研究對4 個住宅BIM 技術節能減排應用效果進行了對比分析，項目概況分別為：項目A，裝配式住宅，占地面積43602.8m2，總建筑面積145321.63m2，項目采用了BIM 技術，項目包括8 棟高層住宅，地下室結構類型為混凝土框架，扁鋼管混凝土柱為其上部結構類型，樓梯、樓板等選擇預制PC構件，裝配率為61%。項目B，裝配式住宅，占地面積73942.6m2，總建筑面積171862m2，項目沒有采用BIM 技術，項目包括5 棟高層住宅，剪力墻結構為其結構類型，內墻版、樓梯等選擇預制PC 構件，裝配率為32%。項目C，現澆式住宅，占地面積56511m2，總建筑面積155641.26m2，項目采用了BIM 技術，項目包括7 棟高層住宅。項目D，現澆式住宅，總建筑面積149143.22m2，項目選擇了傳統建造方式，未采用BIM技術，包括5棟高層住宅。

減排評價指標選擇了垃圾和污水，節能評價指標選擇了電、混凝土量、木材、用水量和鋼材量。表1為各建造方式的污染物排放情況和具體資源消耗情況。

表1 各項目的污染物排放情況和具體資源消耗情況

2 裝配式住宅中BIM技術的應用效果

2.1 設計圖紙及施工優化

分別對項目D 和項目C、項目B 和項目A 進行對比，建造方式相同時，選擇BIM 技術的項目能耗較低。通過在Tekla軟件構建BIM模型的構件信息庫，能夠深化設計二維圖紙中的梁、板、柱等節點。同時優化工程所用的預制模板，合并預制構件的種類，以此增大模具的使用率。

在優化項目A和項目C的管線時，機電專業工作人員對BIM 模型開展碰撞檢查，發現了220 個碰撞點，各個專業參考碰撞報告進行協調修改，解決了機電專業存在的157處問題，減少了121萬元的工程成本。指導現場施工方面BIM 技術的表現同樣出色，其能夠避免很多因設計圖紙相互矛盾、沖突而引起的簽證改變、工程變更等問題，將一系列問題前置，同時能夠建立詳細索引圖來協助施工安裝，在很大程度上增加了出圖質量和效率。項目A 的BIM 設計費為122 萬元，而通過BIM技術減少的管理費和工程成本達到了434萬元，其效果顯然易見。

2.2 結合BIM技術的裝配式住宅節能減排分析

從表1 中能夠看出，對于消耗的木材，項目A 的消耗量為0.72m3/m2，項目C的消耗量為223.53m3/m2，可見前者木材消耗量遠比后者小。這是因為項目A主體結構建造時無須支模澆筑混凝土，大大減少了木方和木模的使用量，降低了木材的消耗，使得造價減少了近60萬元。對于消耗的鋼材，對項目A 和項目C 進行比較，裝配式結構和現澆鋼混結構的鋼材消耗量分別為149.46kg/m2和191.3kg/m2，能夠看出前者遠小于后者，這是因為薄壁鋼管和熱軋型鋼為裝配式結構的主要承重構件，其質量比鋼筋混凝土結構小了近33%；除此之外，項目A 的大部分鋼材均在廠內統一加工好后再運輸到現場進行施工，很大程度上降低了鋼筋在現場的損耗。對于消耗的混凝土，項目C和項目A的混凝土消耗量分別為538.3kg/m2和89.26kg/m2，項目A 混凝土用量如此之少的原因是，此項目結構體系減少了現場澆筑的工作量，通過BIM 技術對混凝土所用量進行了精確計算，降低了混凝土的浪費量，使混凝土成本減小近30萬元。對于消耗的電量，和項目C相比，項目A用電量明顯較少，這是因為大部分構件在工廠制成，使得現場制作構件的耗電量大大減少，并且整個項目工期縮短了近1/3，用電量節省了近23萬kW·h，所耗電費降低了近14 萬。對于節地情況，項目A 大部分構件的制作是在工廠內完成，減少了現場材料的儲存和堆放用地，臨時設施占用面積的有效利用率高達90%，用地節省效果較好。對于用水量消耗，項目A和項目C的水消耗量分別為0.9m3/m2和156.38m3/m2，能夠看出項目C用水量約為項目A的160倍，這是因為項目A大部分構件的制作是在工廠內完成，無須進行混凝土澆筑和澆水養護，水資源投入降低了近5.6 萬m3，所用水費減少了近16 萬元。對于排污量，項目A 中84%的施工廢物都能夠進行回收利用，很大程度上降低了施工對附近環境的影響和污染。

3 分析各建造方式的節能減排效果

3.1 評價節能減排的方法

此次研究選擇生命周期法來對各建造方式節能減排效果進行評價，此評價方法包括了產品生命周期整個過程，比較客觀和全面，其主要包括三個步驟，分別為：目標邊界的認定、清單分析、評價結果。

3.2 認定目標邊界

此次選擇了四種代表性建造方式來對比分析節能減排效果，分別為傳統建筑、裝配式+BIM建筑、裝配式建筑、傳統現澆+BIM 建筑，對四種建造方式的生命周期進行劃分，分別為設計、施工、運營以及回收階段。

3.3 分析清單和評價矩陣

在設計階段投入指標選擇土地占用與可研設計；施工階段投入指標有施工現場與構件廠生產形成的能耗排放；回收階段投入指標和產出指標分別為處置和回收率；運維階段的產出指標與投入指標分別為得房率和使用運維消耗。投入和產出分別為正向指標與負向指標，前者數值越大，節能減排效果就越好，后者數值越小就越好，在分析時統一將投入指標的量變換為1tce，百分率為產出指標的單位。通過上述分析構建各建造方式下的全生命周期節能減排效果評價矩陣，結合數據計算分析后得出具體結果見表2。

表2 各建造方式下的全生命周期節能減排效果

由表2可以看出，各項目的投入指標表現為線性趨勢，在設計階段的工作主要包括可研和設計，存在人力物力的消耗，但能耗排放比較低；施工階段能耗排放最高，占比超過66%；其次是運營階段。同時能夠得出，傳統現澆建造方式的能耗遠遠超過了裝配式，這表示這裝配式建造方式在節能減排方面效果較好。除此之外，能夠看出不論是現澆+BIM還是裝配式+BIM的施工方式，各階段的投入量均小于單純的現澆、裝配式的施工方式，且各階段的產出率也都大于單純的現澆、裝配式的施工方式，這表示通過BIM 技術能夠明顯降低施工過程中的各項能耗，增加項目的產出率，做到降本增效。裝配式建筑主要通過工業化制造構件、使用節能環保設備和材料、模塊化裝配的方式來實現工程的節能減排。過去粗放式的現澆混凝土建筑建設方式通過工業化生產進行了升級優化，大大提高了生產資源的利用率。在施工現場進行模塊化裝配能夠降低污水、建筑垃圾、粉塵的產生，能夠高質量達到節地、節水、節材、節電的目的。

各建造方式的正向指標里最大的是裝配式+BIM，這表示此建造方式的節能減排效益是最好的。通過引入BIM 技術，其出色的施工指導和裝配方式在很大程度上降低了施工階段的能耗，降低幅度遠遠超過了在設計階段所增大的能耗，由此能夠看出BIM 技術優秀的經濟價值和社會價值。結合了BIM技術的建筑建造方式，將建筑模型進行了可視化，將其建造過程以三維的方式更加直觀地展現在技術人員面前，提高了各專業間的協調效率和質量，在檢查管線碰撞、深化結構設計等方面發揮了關鍵作用。也正是這樣，通過BIM 技術能夠達到精細化施工，最大限度降低了人力和材料的浪費，降低污水、粉塵的產生，增強工程的節能減排效果。在對項目負向指標、正向指標綜合考慮分析后能夠得出，在全生命周期情況下，在裝配式建筑中引入BIM技術擁有顯著的節能減排效果。

4 結語

為了對比分析BIM技術在裝配式建筑中的應用效果，通過全生命周期法對比了各建造方式的節能減排效果，主要得出以下結論。

（1）裝配式建筑與傳統建筑相比，在木材消耗量、鋼材消耗量、混凝土量、電量、節地情況、水量消耗量、排污量方面降低明顯，且在分別對項目D 和項目C、項目B 和項目A 對比后發現，建造方式相同時，選擇BIM技術的項目能耗較低；其中項目A的BIM設計費為122萬元，而通過BIM 技術減少的管理費和工程成本達到了434萬元，其效果顯然易見。

（2）各項目的投入指標表現為線性趨勢，施工階段能耗排放最高；各建造方式中裝配式+BIM的正向指標最高，這表示此建造方式的節能減排效益最好；結合了BIM技術的建筑建造方式將建筑模型進行了可視化，提高了各專業間的協調效率和質量，在檢查管線碰撞、深化結構設計等方面發揮了關鍵作用。