基于BIM技術的裝配式建筑全壽命周期安全管理研究

文/王宇佳 姚爽

一、引言

隨著我國人才社區保障性住房建設速度加快，裝配式建筑已經成為建筑工業化的主要發展方向。住建部在《“十四五”裝配式建筑行動方案》中明確規定，到2025年裝配式建筑在新建建筑面積中所占比例要達到30%。在這一目標基礎上，住建部與發改委發布了《城鄉建設領域碳達峰實施方案》，提出到2030年，裝配式建筑在當年城鎮新建建筑面積中所占比例要達到40%。裝配式建筑存在構件生產、物流運輸、現場裝配等多種新型施工作業。相較于傳統的建筑施工活動而言，其施工技術更復雜、工業化程度更高。然而，由于我國的裝配式建筑發展相對緩慢，實際施工經驗及實踐技術研究相對缺乏，因此現階段裝配式建筑還存在較大的安全管理風險?！丁笆奈濉毖b配式建筑行動方案》提出，要推進BIM技術在裝配式建筑中的應用，通過建立模擬三維模型，將裝配式建筑進行數字化表達。BIM技術作為數字化應用與信息化管理工具，其影響的不僅僅是工程人員的操作方法，還有整個企業的生產、經營、管理的方式，甚至可以優化行業產業鏈結構。因此，推進BIM技術在裝配式建筑中的應用具有十分積極的作用。

二、裝配式建筑施工危險源分析

裝配式建筑已經逐漸成為我國建筑業發展的主要方向。不同于傳統建筑業施工的程序進度，裝配式建筑的構配件是在工廠內預制加工后運輸到現場組裝的。這種標準化預制構件的加工模式省略了現場澆筑、養護的時間，減少了揚塵及噪音的污染，符合新時代綠色低碳可持續的建造理念。在大力推進建筑工業化的同時，也要注意裝配式建筑中的機械裝拆、物料運輸、構件吊裝、人機協調等問題。

（一）施工方案編制模糊

在分部分項工程施工前，需要編制施工方案。施工方案可指導施工，是讓各分部工程按施工工藝順利完成的前提保證，對工程的進度、質量、成本、安全都有著較大的影響。然而，許多項目的施工方案編制不清晰、不明確，項目經理對此不夠重視，導致各責任主體互相推脫，現場管理人員無法清晰傳達工序內容，施工工人無法準確操作，可能埋下較大的安全隱患。

（二）吊裝作業安全隱患

塔吊設備是裝配式建筑最常見的施工器具，它承擔了絕大部分的構件起吊工作。正因如此，吊裝作業相較傳統施工而言，存在更多的安全隱患，如吊臂機械故障、塔吊操作失誤、塔吊指揮不當、吊鉤與吊具滑脫等。這些問題都可能導致嚴重的安全事故，威脅現場人員生命及財產安全。

（三）場地布局不合理

施工現場的布局不僅關系到場地內原材料運輸最優化，也關系到施工安全及吊裝安全等。由于裝配式建筑的特殊性，其構件統一由工廠預制后再運輸到施工現場組裝，場地布局不合理會導致生活區與施工區布置混亂，影響工人施工安全。

（四）預制工藝結構沖突

裝配式建筑的工藝比較特殊，被稱為預制工藝，即在施工前按照設計圖紙預先制造構件，運輸到現場后，按工序進行搭接組裝。裝配式建筑的難點在于安裝的精確性及結構穩定性。然而，在安裝過程中，可能會出現因結構尺寸上的誤差導致安裝沖突出現，甚至影響荷載能力；逐漸累加的結構誤差或許會導致結構發生偏位移，從而影響整體的穩定性，甚至造成坍塌墜落，引發重大安全事故。

三、引入BIM技術管理裝配式建筑的優勢

（一）技術優勢

裝配式建筑的標準化設計圍繞著“少規格、多組合”的目標，其設計基礎是構件的模塊化設計，模塊則是由工廠批量化生產的柱梁墻板、水電管線、安裝零件等組成的基本構件?；緲嫾哂型ㄓ眯?、搭接性等特點。BIM技術在裝配式建筑中的應用主要有施工場地管理、動態成本管理及可視化交底?；贐IM技術的施工場地管理是在施工前通過計算機建模，仿真施工場地的布置。

（二）進度優勢

BIM技術將各構配件模型數據集成在一個主模型上，配合可視化進度管理軟件使用，使項目施工人員及現場管理人員通過三維可視化的方式掌握與控制項目各階段的進度情況。通過模擬驗證方案設計是否滿足設計要求，達到優化方案設計的目的；通過對施工進度進行模擬，協調各構件安裝之間的沖突，避免構件碰撞，使管理模式更加信息化與精細化；通過對數據信息的分析與處理，向管理者提供及時、準確、全面的數據信息支持，提高工作效率與管理水平，從而達到縮短施工工期的目的。

（三）經濟優勢

現階段裝配式建筑相比傳統建筑造價較高，這是由于設計方案的改進導致構件尚不能批量工廠化生產。同時，運輸路線、吊裝過程中可能會由于外在因素而增加施工成本。隨著建造技術信息智能化水平提升，在項目設計階段初期引入BIM技術，可通過BIM技術設計構件的形狀及尺寸，盡可能使之成為標準化構件以便工廠批量生產。同時，合理布置構件堆放庫的位置，優化施工平面場地布置，減少二次運輸及吊裝，從而有效減少因碰撞造成的返工及構件浪費。

（四）安全優勢

在裝配式建筑建模初始，可通過BIM技術構建安全信息模型，對施工方案展開全方位模擬。在施工前，對預制構件從進場堆放到起吊安裝的全過程進行仿真模擬，并在重點部位多次展開碰撞監測實驗，使安全隱患在施工模擬中顯現，從而為選擇施工最優方案提供依據。之后，持續改進預制構件從設計到吊裝的施工方案，使最終的施工方案具有最大的安全優勢。在每個工序施工前，利用BIM技術進行可視化交底，結合現場施工實際情況，將各工序的施工工藝仿真展示，尤其是對施工的新工藝、新技術以及構件節點進行三維展示，防止個人主觀因素造成的錯誤理解，使交底更直觀、更通透，從而提升安全管理效率，減少安全事故。

四、將BIM技術應用于裝配式建筑全壽命周期的安全管理

（一）設計階段

1.創建預制構件庫。創建預制構件庫可以有效地提高建模效率。通過建筑數字建?；?，協調預制構件之間的位置、尺寸，減少構件或組合件的尺寸類型，創建標準化構件，如圖1所示。標準化構件不僅可以簡化設計、生產環節，還可以降低安裝環節的復雜程度。通過創建預制構件庫，土建、機電、裝修專業的構件基本可以實現工廠批量化制造，并能針對預制構件的基本組成要素計算合理布置數據，在完成各個專業的建模后，利用碰撞檢測技術對各個模塊進行優化，達到各模塊之間的協調，從而完成多層模塊最優化布置，最終實現整個建筑群的協調。針對裝配式建筑的BIM構件進行標準化管理，需要分專業及時更新、收集與整理，由技術人員提交的構件需要經專業工程師審核后才能顯示，然后才會出現在構件庫中，供專業設計人員使用。

圖1 創建預制構件庫

圖2 利用Planbar軟件進行整體拼接

圖3 智慧消防管理云平臺

2.三維可視化協同設計。BIM的三維可視化技術在設計階段可對預留洞、鋼筋彎折搭接、設備位置結構沖突、管線排布空間碰撞、結構空間位置綜合排布進行優化設計，從而在施工階段減少因錯誤排布而導致的返工，避免工期延誤與成本浪費。通過BIM技術模擬現場加工、運輸、施工的全過程，可以審查施工計劃布置及資源調用安排的合理性，對不合理的現場情況及時進行調整，提出解決預案，并依據解決預案在BIM中重新設置參數，模擬至問題消除為止。

3.預制構件深化設計。在深化設計階段，存在圖紙數量多、細節設計繁雜、鋼筋繪制麻煩等情況，可利用裝配式BIM協同系列軟件Planbar，利用參數化的方式創建智能構件進行整體拼裝，提高建模效率，保證二維圖紙與三維模型的雙向聯動，提升深化設計工作的質量與效率。Planbar軟件還可以進行鋼筋與預埋件之間的碰撞檢查，以發現設計中存在的問題并及時解決，最大限度避免項目的安全問題。

（二）施工階段

1.預制構件的堆放及運輸。在施工準備階段，可以將預制構件等臨時設施載入場地模型中進行動態模擬演示，使施工現場的平面布置達到最優使用狀態。BIM技術三維可視化模擬構件堆放以及大型吊裝機械設備、道路設施的布置，在運輸線路上盡量避開吊裝作業工作區，通過計算發現最優路徑。

2.預制構件的吊裝作業。傳統裝配式建筑施工難以對危險源作模擬分析。然而，利用BIM軟件，可在施工前將項目進度、工藝流程輸入系統并模擬吊裝作業的進展情況，通過計算安全荷載及精確分析實際施工情況，對吊裝作業的危險源進行及時預警、精準定位，并結合目前應用較廣泛的RFID芯片技術，對每一重要構件進行編號，實時追蹤，使現場工程師及時控制各設備及構件，防止在實際吊裝作業中出現安全問題。此外，利用BIM軟件還可三維可視化模擬現場施工條件，避免由于不了解項目當地氣候而引發吊裝事故，實現全方位動態監控。

3.三維場地模擬應用。將圖紙中的地形標高尺寸導入EXCEL軟件中，將其導至REVIT軟件中，利用地形表面功能讀取地形標高數據并生成原始地貌，這樣可以更好地完成施工平面圖的布置，提升場地利用率。同時，場地模擬還可以用于模擬安全疏散逃生路線，在危險發生時避免人員踩踏等次生事故，減少人員傷亡。此外，引入Pathfinder應急疏散模擬軟件，導入建好的BIM模型，可以模擬施工現場的全景路線，計算人員的疏散路徑、時間，對施工現場進行疏散場景的動態化模擬，對疏散路徑、疏散點分布等進行直觀觀察，從而對已有的應急疏散方案展開有針對性的調整與改進，最終得出最優的應急疏散方案。

（三）運維階段

在施工階段完成后，要進行后期運行維護。傳統的建筑運維階段需要維修工程師與業主方溝通后再進行，效率低下、流程繁雜、容易遺漏，而裝配式建筑結合BIM軟件，在設計、生產及施工階段已經對各構配件、機械設備與生活空間進行了信息化處理，具備智能化建筑的基本功能，因此，在運維階段可結合AI智能技術、可視化門禁實現PC端、移動端、監控端多屏協同控制，從而實時監測各樓層的使用情況，分析空間規劃、人流分布及構件承重情況，對裝配式建筑的運行維護實施動態監控。將物聯網技術與存儲的BIM信息相結合，可以實現設備監測與報修、網絡自動診斷、消防安全管理、防盜自動報警及耗能數據統計等多項功能。同時，引入智慧消防管理云平臺，可借助BIM軟件中已搭建好的模型得到最優逃生路線，并通過對消防聯動控制設備的識別、感知、定位實現智能預警，實現火災風險多級自動報警功能。通過實時監測，多級提醒、跟蹤處置，可及時消除消防安全隱患，減少火災事故發生，實現“人防+技防+物防”多層次管理。

五、BIM技術應用案例分析

上海國際航運中心位于上海市黃浦江畔，是一個綜合性商務區與金融中心。該項目采用了裝配式建筑法，在其全壽命周期都應用了BIM技術進行安全管理。

（一）設計階段

在項目初期，設計團隊利用BIM軟件創建了整個大樓的三維模型。借助BIM模型，設計團隊能夠更好地協調不同專業系統之間的關系，準確把握每個構件的位置、尺寸與功能要求，并利用BIM模型進行空間沖突檢測，發現并解決不同系統之間的干涉問題，避免了后期施工過程中的沖突與延誤，有效預防了因設計階段盲目搭接及碰撞沖突而造成的安全問題。

（二）施工階段

大樓的鋼結構框架與預制混凝土構件采用了裝配式建筑方法。基于BIM模型，制造商可以精確制作預制構件，并在工廠內進行組裝與質量控制。這樣可以提升施工速度與質量，減少現場加工的需求。BIM模型在施工過程中起到了重要的指導作用，施工人員可以使用移動設備加載BIM模型，并通過增強現實技術將虛擬的構件與實際場地進行對比。這有助于施工人員理解設計意圖，準確安裝每個構件，并及時發現與解決潛在的問題。

通過搭建BIM模型，項目團隊可以制訂詳細的施工進度計劃，并與實際施工情況進行對比。這有助于監控施工進展、識別延誤因素，并可采取相應的調整措施。BIM技術還被用于項目管理與協調工作。借助BIM模型，各個參與方可以實時共享建筑信息，包括設計變更、進度計劃、材料采購等。這有助于提高溝通效率，減少誤解與錯誤，確保整個項目按時完成。

（三）運營階段

在運營階段，已搭建的BIM模型中包含了大樓內各設備的位置、型號、搭接方式等信息。這些信息可以幫助人們進行設備管理、維護與更新，從而及時、便捷地進行設備檢修，提升設備的可靠性與效率，保證其運行的安全穩定。BIM模型還可以用于建筑主體的維護管理。通過添加設備傳感器與數據連接，實現對建筑主體各個系統的遠程監測與故障診斷，提高維護效率，加快響應速度。

總體而言，上海國際航運中心項目充分利用BIM技術，實現了從設計到運營的全壽命周期的數字化管理。這不僅提升了項目的協調性與效率，還為后續的運營與維護提供了便利。這一經驗對于推動上海乃至全國范圍內裝配式建筑與數字化建造的發展具有十分重要的意義。

六、結論

裝配式建筑作為國民經濟中的一個新興發展方向，能夠帶動許多上下游產業協調發展。BIM技術的引入為裝配式建筑的發展提供了一種全新的思路。BIM數字化模型作為工程數據、信息的載體，可以對各個階段的任務信息進行整合與傳遞，從而使各參建方之間的合作變得更加高效。BIM技術與各種技術的集成應用，為裝配式建筑的發展提供了動力，既可以有效控制施工進度，減少成本損耗，又可以保證施工質量，保障施工安全水平，提升裝配式建筑的經濟性。同時，以BIM為基礎構建的安全防范機制，可以更好地實現裝配式建筑安全生產標準的制定，促進人、機、料、環的持續優化與最優運行，進而促進裝配式建筑安全生產標準化。引入BIM技術使裝配式建筑的安全管理不再是“紙上談兵”，而是實際提升了安全管理的智能性，降低了安全風險事故的發生率，使裝配式建筑的建設趨近于最優的管控模式。