BIM 技術在裝配式建筑中的應用探索

李英姬，秦茂軒，賈子彤，丁 寧

（1.上海應用技術大學 城市建設與安全工程學院,上海 201418；2.上海建工一建集團有限公司,上海 201100）

在碳中和背景下，我國近年來加快了推進新型建筑工業化的步伐，其中裝配式建筑因其節能環保、節材減耗等特點，也迎來了高速發展機遇[1]。但目前裝配式建筑受傳統的部門分割及封閉的組織模式影響，各專業之間缺乏協同合作，設計、生產、施工過程中存在信息傳遞閉塞、脫節[2]的問題，嚴重影響建筑產業轉型升級。而建筑信息模型（building information modeling，BIM）技術是一種建筑信息模型化的技術手段[3]，融合BIM 技術的裝配式建筑管理可以改善上述弊病。模型化后的建筑實物信息和建設過程信息，可以運用于裝配式建筑全生命周期的設計、建造和運營一體化工程管理中，可以實現所有相關方共享信息資源。BIM 平臺可以將裝配式建筑工程設計、生產供應、施工安裝、運營維護全產業鏈數據打通，進行裝配式建筑的協同信息管理，推動裝配式建筑組織實施方式和工程項目管理模式創新，有助于全面提高裝配式建筑的管理和經濟效益，加快裝配式建筑的應用推廣[4]。

1 BIM 技術與裝配式建筑中的研究現狀

自2002 年以來，國際建筑行業興起了圍繞BIM 的建筑信息化研究。信息化是BIM 技術的核心[5]，在裝配式建筑的全生命周期內，通過BIM 模型為基礎的信息集成化管理平臺，可以實現裝配式建筑各參與方信息共享與交換[6]。

國內外學者對BIM 技術在裝配式建筑中的應用展開了各種探索和嘗試。O’Grady 等[7]將使用循環型經濟（circular economy，CE）理念設計的BIM 建筑模型和虛擬現實（virtual reality，VR）技術相結合，提出了VR 技術在裝配式建筑循環型經濟中的應用方法，并利用CE 大樓模型，進行VR技術的具體應用研究。Bataglin 等[8]提出基于BIM 模型的精益生產（engineer-to-order，ETO）理念管理模式，以“拉動式生產”和“減少可變性”原則的方法，探索ETO 模式與BIM 技術的協同效應。顧浩聲等[9]介紹了裝配式建筑BIM 正向設計的概念及優點，以實際裝配式宿舍樓項目為例，從各專業協同設計、構件深化設計、施工指導等幾個方面探討BIM 正向設計的應用價值。渠立朋[10]以某裝配式學生公寓為例，介紹了BIM 技術在裝配式建筑設計和施工階段的具體應用，并進行了基于BIM 技術的裝配式建筑設計-施工協同管理應用平臺原型設計。孫國忠[11]結合裝配式建筑技術與建筑施工管理現狀及存在問題，提出基于BIM 的裝配式建筑總承包管理模式，并基于實際工程項目，驗證了其有效性。

要實現裝配式建筑的轉型升級，既要提高施工技術，又要充分發揮工程總承包管理的資源整合優勢。基于工程總承包管理的BIM 技術應用[1，6]，對裝配式建筑全產業鏈系統進行集成化管理，是進一步發展裝配式建筑的關鍵所在。

2 BIM 技術在裝配式建筑中的應用

2.1 工程概況

本項目為上海某科技智慧城商辦項目，總用地面積約為5.86 萬 m2，由8 棟塔樓和4 棟附屬樓房組成，地上總建筑面積約18.58 萬 m2，地下總建筑面積約10.74 萬 m2，建筑性質為商業、辦公。其中多層商業、辦公建筑均采用裝配整體式框架結構。采用設計-施工總承包管理模式，本項目的創新點是 “全專業協同BIM 設計，利用 BIM 技術指導生產施工”。

本文以該項目5 號辦公樓為例進行BIM 技術應用探討。5 號辦公樓地上建筑總面積為11 683.63 m2，建筑高度為23.465 m，預制率為30.2%，預制構件包括預制疊合梁、預制疊合板、預制柱等。因場地有限，PC 構件運輸及堆放均在250 mm 厚地下室結構頂板上。

2.2 BIM 應用總體策劃

為了更好地實施BIM 技術應用[12-13]，裝配式建筑工程總承包項目部在組織機構中，需要增設設計管理部和BIM 工作部。本項目是在技術質量部下面專門配備了駐場BIM 負責人（見圖1），全面負責本工程BIM 系統的建立、運用和管理，協調總控項目BIM 應用，并負責編制 “BIM 實施工作計劃”，經建設單位批準后作為BIM 實施工作的指導性文件和依據。“BIM 實施工作計劃”主要內容包括：整體BIM 實施方案、BIM 團隊及組織架構、BIM 工作進度、模型精細度LOD（level of development）要求、BIM 建模標準流程、各參與方BIM 提交成果要求及保障措施等。按照圖2 所示的BIM 建模流程建立各專業BIM 模型，根據項目BIM 應用階段確定構件需要包含的屬性信息，要求模型信息輕量化，避免過度建模。

圖1 項目組織架構Fig. 1 Project organization chart

圖2 BIM 建模流程Fig. 2 BIM modeling process

2.3 裝配式建筑設計階段應用

設計階段中的深化設計是裝配式建筑實現過程中的重要一環，起到承上啟下的作用。裝配式建筑深化設計是根據合同的技術要求[14]、施工規范[15-17]，綜合考慮構件外觀、生產加工、運輸安全、施工可實施和便捷、設備預埋的一項綜合設計。

基于BIM 的裝配式建筑全過程設計管理，貫穿整個設計過程，對建筑全過程各個階段進行技術集成和專業整合，實現設計標準化。裝配式建筑設計應充分考慮建筑結構與建筑內部裝飾體的協同性，內裝與機電深化設計必須前置。

2.3.1 各專業BIM 模型深化設計

在深化設計階段利用Revit 軟件建立建筑、結構、機電設備等專業BIM 模型，進行構件拆分、節點深化設計。優化預制構件種類和規格，疊合板的拆分盡可能采用模數化尺寸做到了“少規格、多組合”，構件拆分時充分考慮了最重預制構件的（預制梁最重9.4 t，預制柱最重8.1 t）吊裝、運輸、施工安全的要求。BIM 建模流程最終形成施工圖設計階段的全專業BIM 模型如圖3 所示。

圖3 深化設計模型圖Fig. 3 Detailed design model drawing

2.3.2 碰撞檢查和凈高分析

利用魯班s 軟件把各專業BIM 模型進行合并碰撞，檢查PC 構件、管線之間的碰撞點（見圖4），校核預留洞口與預埋件位置，對構件和管線進行優化布置。通過碰撞檢查，發現常規設計各專業間錯漏碰的問題共47 項，對因二維圖紙造成的問題進行提前預警，第一時間發現和解決設計問題，避免工期延誤、節約安裝成本，提高了工程質量。

圖4 管線碰撞檢查Fig. 4 pipeline collision check

2.3.3 BIM 技術設計階段應用總結

本項目采用的是現階段主流的“圖紙+BIM 模型”的并用模式，即在二維CAD 施工圖基礎上，利用Revit 軟件建立各專業三維模型，后期采用鏈接的形式進行模型整合和應用，此方法增加了建立BIM 模型的工作量，設計工作效率相對較低。考慮到深化設計工作內容繁雜和一次成優，采用BIM技術正向設計。運用Revit 或Tekla 軟件2 次開發系統直接建模、施工圖繪制，即 “先建模，后出圖”的設計流程，在同一個設計平臺完成PC 方案設計、構件加工圖設計、模板設計等各項設計，實現全專業、全過程三維協同設計，不同的設計人員可以在一個模型上進行實時協作，施工零變更成為可能性。

2.4 預制構件和部品生產階段應用

信息傳遞的準確性和時效性是BIM 在預制構件生產階段的最大優勢[2-6]。預制構件生產過程中包括技術工藝管理、質量管理、成品管理等宜應用BIM 技術，可提高數據交換的精確性，降低生產成本，提高生產效率。裝配式預制構件生產階段BIM 應用交付成果宜包括：部品部件加工模型、加工圖、裝配圖、以及相關的技術參數和安裝要求等。

2.4.1 預制構件圖紙深化

預制廠在構件加工階段根據設計階段的施工圖紙進行預制構件深化設計。讀取BIM 模型預制構件的幾何及材料屬性信息，根據設計劃分的構件單元，結合工廠生產設備及現場施工情況進行構配件部品的生產拆分，形成生產階段專用構件加工三維模型。對于柱，嚴格控制出筋定位精度和伸出長度，確保套筒連接準確可靠。在進行預制梁深化設計時，預留支模用連接螺栓，保證模板與預制構件的裝配可靠性，方便現場施工安裝。

利用BIM 參數化設計，精確進行構件的外輪廓及節點鋼筋的優化設計、水電預埋設計、吊點設計、施工預埋設計等，確保設計與生產加工的協同對接，有效減少了預制構件的生產周期。

2.4.2 模具制作與拼裝

模具設計應兼顧周轉使用次數和經濟性原則，模具構造保證拆卸方便，并應滿足預制構件質量、生產工藝和周轉次數等要求。

模具的精度決定預制構件生產質量，基于BIM 信息模型的預制構件模具設計，提高PC 構件模具加工精度降低生產成本。BIM 三維模型加工圖便于工人識圖，并可仿真模擬加工工藝流程圖，為工人提供全新的技術培訓場景，提高預制構件產品質量。

2.4.3 建立PC 構件信息模型

在預制構件信息模型基礎上，添加運輸所需的信息，建立材料、鋼筋和預埋件定位、管線、窗框位置、構件編碼等重要信息，并在構件生產和質量驗收階段形成構件生產的進度信息、成本信息和質量追溯信息。預制配件、部品部件生產、制作的階段信息及時反饋到構件加工模型中，保證模型信息的準確性和及時性。所有預制加工產品的物流運輸和安裝等信息宜附加或關聯到模型中，方便規劃運輸路線、預制構件倉儲、現場施工進度安排。

2.5 建筑施工實施階段應用

根據設計、生產制造階段的建筑信息模型進行施工階段深化設計，結合施工組織進度計劃實時更新BIM 模型，并進行專項施工方案模擬。

施工過程中逐步完善建筑信息模型的安裝信息，最終整合建筑物空間信息、設備信息、施工信息和質檢信息形成竣工模型。竣工模型集成了項目施工階段的管理過程信息，為電子化竣工交付和運維階段BIM 應用提供數據基礎。

2.5.1 場地平面布置BIM 應用

在裝配式建筑施工過程中，安全、高效地布置塔吊，可有效提高塔吊的使用效率和場地利用率，避免預制構件的二次倒運現象，加快建筑整體施工效率。

二維平面施工場地布置圖，不能直觀地體現施工進度計劃。利用魯班軟件進行三維場地模擬和場地優化，對整個施工現場生產區和構件堆場以及塔吊位置生成三維效果圖，便于施工技術交底和場地布置優化。利用 Navisworks 軟件仿真模擬運輸路線，優化預制構件運輸平板車和商業混凝土運輸車行駛道路和轉彎半徑，并對群塔進行碰撞檢查，優化塔吊布置，指導現場施工。圖5 為不同工況下的場地及塔吊位置三維示意圖。

2.5.2 運輸與吊裝階段

構配件、部品在運輸前應基于生產階段交付的預制構件裝配圖，結合工程現場施工進度、施工方法和順序、堆放場地等，制定專項施工方案并對專項施工方案進行動態施工仿真模擬（BIM+VR）[18]，以確定構配件、部品的運輸順序和放置位置，方便施工技術交底。

預制構件的吊裝是裝配式結構工程施工中最重要的作業之一。構配件、部品在吊裝前，結合施工現場、構件的類型、機械設備的起吊能力、構件的安放位置等，進行施工吊裝虛擬仿真模擬和對比分析工作，最終確定最優的吊運方法及順序、臨時支撐設置等。

2.5.3 節點域安裝施工指導

連接節點構造是裝配式混凝土結構設計與施工的關鍵，為達到與現澆混凝土等同的效果，裝配式混凝土結構的后澆混凝土節點必須按照施工方案要求的順序進行施工。

對主梁預留支模用連接螺栓進行BIM 三維模型深化設計，確定模板預制構件的連接方式和預留連接螺栓的具體位置，有效避免了因模板無法安裝影響施工進度等問題。運用BIM 虛擬仿真技術模擬預制梁、板、柱的施工流程，并對工人進行套筒灌漿模擬培訓和安全技術交底。比如模擬預制柱安裝施工工藝流程包括：基層處理→定位測量放線→鋪設漿料→預制柱吊裝就位→定位校正和臨時固定→鋼筋套筒灌漿。對施工工藝、現場、進度、施工難點進行預判與處理，從而實現對施工過程的有效控制。

2.5.4 標準層施工工藝流程模擬

預制裝配式建筑構件吊裝方案對施工工序有很高的要求，構件吊裝順序出錯會導致大量返工，造成工期和成本的增加。根據項目的吊裝工作計劃，對PC 構件吊裝方案進行三維動態模擬，復核構件的吊裝、裝配順序，查找施工中可能存在的動態干涉，優化吊裝方案，形成構件安裝的風險防控文檔，并形成施工指導視頻。

施工過程中，將項目進度計劃和BIM 模型相關聯，產生具有時間屬性的施工進度管理BIM5D模型，可視化展示項目動態與計劃進度比對分析，對進度偏差進行調整，更新目標計劃，同時對施工組織設計的合理安排進行校核。

2.6 運營維護管理階段實施建議

運維階段是建筑全生命周期中時間最長、管理成本最高的重要階段。建議本項目業主委托BIM顧問把土建竣工模型和機電竣工模型整合為運維所需的整體竣工BIM 模型，并對這些信息數據進行審核，審核通過后模型存檔。竣工BIM 模型數據信息與設施管理平臺（facility management,FM）進行關聯，為資產設施運營管理提供信息查詢、隱蔽工程改造、設備快速定位、圖紙管理、系統維護、實時監控預警、互動場景模擬等功能，可以提高物業管理效率、物業服務質量，降低管理成本，為設施的保值增值提供可持續的解決方案，最終實現設計、生產、裝配、運維一體化的BIM 技術集成應用目標（見圖6）。

3 結語

依托上海某科技智慧城裝配整體式框架結構項目，將BIM 技術融合在裝配式建筑設計、施工、運維管理中，探討了BIM 技術在裝配式建筑中的應用價值。

（1）梳理了BIM 實施的組織與管理架構，探索裝配式建筑全過程BIM 應用流程。

（2）BIM 技術應用于工程項目設計、施工、運營維護等各階段，可實現建筑全生命期各參與方數據資源共享，為裝配式建筑工業化建造提供技術保障。

（3）BIM 技術支持對建筑質量、施工安全等方面的分析、檢查和模擬，推動工程建設組織實施方式的創新、工程項目管理模式的創新。

（4）BIM 技術支持裝配式建筑各專業協同工作、精益建造和精細化管理，實現基于互聯網的協同管理，對于實現智慧建造、低碳節能起到重要作用。