基于BIM技術的裝配式建筑實踐教學探索

姚健 陳志華 馬榮 陜婷婷 丁滸 喬一鑫

摘? 要：裝配式建筑是近幾年建筑行業全力推廣應用的一種綠色建筑生產建設模式，目前已經在國內各省份進行裝配式建筑施工工藝的推廣和使用。其中絕大多數此類項目均是依托BIM技術的信息共享平臺實現全過程項目管理，較傳統的工程項目管理手段與流程有著較大的區別。目前各高校已經針對裝配式建筑項目的工程管理實踐進行內容的補充與調整，但并未構成項目全生命周期的完整實踐訓練過程。該文在整合現有實踐內容的基礎上，探討由裝配式項目的結構設計過程入手，延伸到成本與質量控制、進度模擬等環節的實踐內容。同時也對基于GIS-BIM技術的數據融合實踐教學內容——從城市尺度下的建筑群落設計與規劃角度進行設置。最后，對依托實踐教學改革基礎上所產生的學生培養成果進行展示，旨在對學生就業、科研能力的提升等方面進行有效推動，同時也為應用型本科高校相關專業的人才培養路徑提供參考與啟發。

關鍵詞：裝配式建筑；GIS-BIM；全生命周期；實踐拓展；工程管理專業

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）28-0114-06

Abstract： Prefabricated construction is a green structure production and construction mode which is fully promoted in the construction industry in recent years. The majority of these projects rely on the information sharing platform of BIM technology to carry out the whole process of engineering management. Compared with management methods and processes of traditional engineering project， there are great differences. At recent， colleges and universities have supplemented and adjusted the contents of the practice of engineering management of prefabricated construction projects， but it cannot constitute a complete practical training process in the whole life cycle of the project. On the basis of integrating the existing practice content， this paper discusses the framework of practice content designed from the structural design process to cost and quality control process， schedule simulation and so on. At the same time， the teaching content of data fusion practice based on GIS-BIM technology is also set from the perspective of the building community design and planning at the urban scale. Finally， the results of student training based on the reform of practical teaching are displayed， aiming at effectively promoting the employment of students and the improvement of scientific research ability， and at the same time to provide reference and inspiration for the talents training path of relevant majors in application-oriented universities.

Keywords： prefabricated construction; GIS-BIM; project life cycle; practice expansion; engineering management major

裝配式建筑是將建筑生產建設過程中所需要的部件、結構體、材料等進行預制后，將其運送到施工現場進行匹配對接安裝，然后通過漿錨或進行混凝土澆筑等方式進行固定，連接成為完整的建筑產品[1]。相較于傳統的建筑施工方式，其優勢在于工期較短，同時現場勞動量較少，危險性較低。由于較多構件是預制而來，充分滿足技術參數要求，故建筑質量在一定程度上有所提升[2]。基于此，國家相關部門等機構在大力推廣裝配式建筑工藝的使用，來保證裝配式建筑的有效推廣與實踐[3]。國外發達國家，由于其工業化起步早，標準制定嚴格，建筑類型標準化等原因，裝配式建筑的發展起步要早于國內，尤其是在制定裝配式建筑建造的安全標準、工藝與工法、建筑材料和預制構件的標準體系等方面，對我國發展裝配式建筑提供了大量的參考[4]。隨著國內裝配式建筑的推廣，對房屋建筑施工技術、建筑結構設計、建筑材料的更新迭代、預制構件的加工與生產等各個環節，都提出了新的要求[5]。為了能夠更好地完善裝配式建筑技術的標準體系與技術細則，急需提升相關專業技術人員對裝配式建筑的研究與開發能力及工程項目生命周期的全過程管理等，從而更好地滿足建筑市場化加速發展的需求。

一? 工程管理專業的實踐教學現狀分析

工程管理專業是工程施工技術與管理學交叉的綜合學科，面向項目建設運行的全過程管理。針對傳統施工項目，工程管理人才可以滿足科學決策要求，而裝配式建筑在施工工藝及流程上，與傳統施工工藝有著較大的區別[6]，為了實現培養應用型人才的目標，同時依托山西應用科技學院“管理科學與工程”省級重點建設學科的建設目標與要求，擬對工程管理專業的實踐教學進行改革。

對于大多數應用型本科高校，目前工程管理專業實踐教學內容基本還保持著傳統施工背景下相關內容，主要包含土木工程技術實踐、工程造價與成本控制、信息及資料管理、工程測繪及工程制圖等。具體開設內容及實踐方式見表1、表2。

可以看出，工程管理專業相關課程的實踐內容主要是基于傳統的工程項目基本流程及施工工藝等進行安排和設置。而針對基于裝配式建筑導向的相關實踐內容較少或者基本沒有開設。雖然部分高校的工程管理專業已經開設了基于BIM技術的實踐課程，但其所涉及的內容還是結合傳統施工工藝、設計方法等進行訓練，更多的實踐內容集中在實體模型的創建等。

二? 基于BIM技術的裝配式建筑全過程實踐教學

BIM技術的最大特點是數據流與信息流的高度整合，是基于工程項目全過程生命周期的項目決策、設計、施工和造價的技術支持方案，提供了可視化、協同性、模擬性和優化性為特點的協調管理平臺[7]。從國內外大量的項目施工案例可以得知，BIM技術可以解決信息的傳遞和共享，降低溝通成本，規避高成本的返工、高誤差等問題[8-9]。而裝配式建筑的施工流程相對明確，技術和工藝要求更高，稍有不慎，就會對項目的成本、進度和質量等產生不良影響[10]。因此，在實踐教學內容設置過程中，除了傳統建模技術等，還要開設基于BIM技術的以裝配式建筑全過程維護與管理為導向的相關實踐內容。為了更好地滿足項目全過程管理的需求，此次實踐內容的拓展擬從項目的設計、選材、構件預制和施工全過程等方面的技術應用入手。

（一）? 建筑結構設計階段的BIM實踐內容

目前，裝配式建筑的結構設計方法均以現澆結構的設計標準為參考，首先對建筑結構進行確認，分析建筑整體結構，進而拆分構件和設計節點[11]。基于BIM技術的裝配式建筑結構設計主要是將標準構件進行整合，形成標準化與通用化的預制構件數據庫[12]。預制構件數據庫內的所有構件，均具備統一標準與相關技術參數，可以方便調用和補充各類構件。在此基礎上，在BIM平臺上進行構件調用，并按照結構要求進行組合與裝配。為了保證設計精度與要求，同時需要對所構建模型進行分析復核，并利用相關平臺軟件進行碰撞檢查對BIM模型進行調整優化。經過上述過程后，模型信息則能夠避免疏漏和冗雜等問題，才能指導施工生產過程。在建筑結構設計過程中，擬安排以下實踐內容進行設置，具體見表3。

根據表3內容，在裝配式建筑結構設計環節，擬開展四方面的實踐教學過程。

1? 預制構件庫的建立

本項實踐依托Revit軟件平臺進行BIM模型的創建，具體包含構件主體模型構建、構件的幾何信息、構件安裝參數等各方面內容。

2? 碰撞檢測與優化

傳統結構設計圖紙在匯總時，難免會發生沖突和碰撞等，應用BIM技術可進行碰撞檢查并出具相關報告，使得設計人員進行修改和優化[13]。本實踐過程依托Revit、BIM5D軟件平臺進行碰撞檢測。上述軟件平臺除了具備三維模型的實時漫游，還可以進行時空角度下的多種三維模型的碰撞校核，實現不同專業間的碰撞檢查。在裝配式建筑中，構件的安裝過程，需要滿足較為精細的尺寸要求，從而保證預制構件的順利拼裝。碰撞檢測可以準確尋找和定位設計缺陷與錯誤，進而對模型進行優化和改進，可以快速提升后期施工效率。

3? BIM模型算量

傳統招投標中的工程量計算往往耗費較多時間，尤其是如今建筑結構的復雜化，人工計算工程量是具有一定難度的工作。依托BIM軟件進行預制構件、所需部件和產品在類型和數量上的統計和各類材料的自動化統計是非常準確與方便的[14]。

4? 導出優化的施工圖

由于施工圖紙的不可替代性，施工期間建筑企業一線工人需要應用施工圖紙指導施工，故將優化過的模型進行二維圖紙出圖則顯得十分必要，學生需要掌握三維模型導出二維圖紙的基本方法與相關操作。

（二）? 建筑施工過程的BIM實踐內容

裝配式建筑工程在施工項目管理過程中，BIM技術一般可集中應用在四個時間段內，分別是設計深度優化階段、建設準備階段、建設階段和竣工驗收階段[15]。由于結構設計模型的深度優化需要具備較強的結構設計理論與大量的實踐經驗依托，故本部分的實踐內容主要從項目的建設準備階段、建設階段和竣工后期驗收階段進行實踐內容編排，具體見表4。

根據表4內容，裝配式建筑的建設施工全過程，擬安排6項相關實踐過程。

1? 裝配施工現場布設

即傳統的施工現場的平面布設，由于施工過程的參與方眾多，不同工種與專業施工相互交叉運行，合理的平面優化布設能夠在一定程度上提升施工效率、提升施工安全系數等。本實踐內容是基于Revit軟件的場地建模模塊，將已建模好的模型對施工平面組織、材料的堆放位置、臨建位置和運輸通道等進行模擬，調整建筑機械的位置等安排，實現各分區間的空間位置關系，保障施工流程的正常進行，如圖1所示。

為了積極響應國家“綠色建筑”的重要舉措，裝配現場的布設要考慮基于綠色施工的現場管理，從節水、節能、節約材料和運輸路線合理等方面，綜合考慮現場布設格局等。學生通過完成本實踐相關內容，可以掌握平面布置的相關邏輯與方法，為今后進入項目管理崗位奠定良好基礎。

2? 關鍵工藝展示

針對工程施工的一些關鍵部位的施工流程，尤其是相對復雜的構件安裝等，傳統的施工流程是在實際施工過程中進行推敲和確認，往往效率較低，且伴有一定的施工風險。利用BIM技術可以實現在計算機平臺進行動態模擬演示，建筑工人可以很好地掌握相關技術動作與方法，對各單位設計施工方案等提供虛擬現實信息進行整合協調。這種三維信息的施工交底可以很好地避免施工效率低下、施工風險等問題，即使出現施工問題，也可以對模型進行修改，再行制定施工方案。本實踐內容可以使學生充分了解關鍵節點的施工方案制定的依據等，掌握如何優化施工方案等。如圖2所示。

3? 可視化施工進度模擬

本實踐內容旨在優化進度計劃，傳統的進度計劃的制定往往采用圖表形式，表達方式不夠直觀。利用BIM-Revit軟件平臺，進行進度計劃的編制，將進度計劃和模型鏈接，生成構件的運動路徑與時間規劃，設置演示動畫輸出施工模擬動畫。該實踐過程可以幫助學生加深對進度計劃制定方法的理解，能夠更好地將計劃內容進行演示，讓參建各方利用可視化信息充分掌握工程項目的施工全生命周期的進度安排，如圖3所示。

4? 成本計劃控制

成本管理是工程項目建造過程中一項非常重要的工作內容，其目的是對項目所需費用開支進行系統預測、計劃、控制等，其難度在于如何將實際費用控制在預定計劃成本范圍之內[16]。BIM技術平臺可以對工程量進行精細化測算，避免傳統二維圖紙算量難度高、效率較低、易出錯，尤其是在設計變更后進行工程量的二次計算等。BIM技術可以與變更保持同步，在設計出現調整時，其工程量、材料數量等自動更新，減少了技術變更導致的二次計算工作量。學生通過本實踐過程，可以更好地理解如何利用BIM技術實現成本的精確計算與變更的快速響應過程。

5? 施工質量控制

在工程施工過程中，由于施工人員的專業性不足、材料使用不規范、沒有依照設計要求和規范進行施工、各施工隊伍之間的專業交叉與相互影響等，均會對施工質量管理和控制產生阻力。學生應用BIM技術為依托的管理方式，通過模型模擬技術實現可視化管理路徑，實現計算機自動化檢驗、機動調整設計方案等各方面操作，可以提升對施工質量管理的理解和掌握管理方法。

6? 竣工模型驗收

竣工交付過程，主要是檢驗建筑是否按照設計進行建造。本實踐環節是通過對前期學習所積累的模型數據、進度數據、成本數據和設備參數等有關資料的整合，獲取完整的建筑信息，為后期建筑運營使用過程提供有力依據。其實踐的主要目的是將設計信息、成本信息、施工技術信息等多元信息與BIM模型進行整合，實現可視化竣工交付與驗收，如圖4、圖5所示。

三? 基于GIS-BIM技術集成的實踐教學內容設置

建筑工程全過程管理需要工程管理專業人才不僅能夠對單一建筑的建設管理提供服務，同時要考慮為城市建筑群落設計與規劃等方面進行科學布局，以更好滿足我國智慧城市理念的推廣。依托信息融合技術是解決該問題的重要手段，尤其是為了提高城市建筑規劃的質量與效率，諸多學者[17-18]利用宏觀空間信息數據為依托的GIS平臺結合微觀領域的BIM信息模型數據進行相互作用，可以在GIS平臺實現真實地理環境數據展示和建筑群落外觀及周邊地理位置信息等。將GIS平臺與BIM技術在信息數據融合的基礎上，可以更加科學、客觀、高效地為工程管理，乃至城市規劃和室內導航等諸多領域提供技術支持與服務[19]。鑒于此，本文將提出一種綜合性實踐教學內容，以培養學生綜合管理與規劃能力為目的。其中，包括多元信息數據的轉換與融合實踐，旨在培養學生掌握BIM數據與GIS平臺的融合對接；其次是建筑模型與地理信息模型的景觀數據融合，學生可以通過學習GIS平臺下3D數據編輯器的相關操作，使得建筑模型融合區域地理及景觀格局背景，實現平臺數據在可視化層面的深度融合；利用GIS平臺地理信息測量模塊，培養學生具備單體建筑信息量測、建筑群落空間測量、區域面積和土方體積測量等操作，相關實踐內容見表5。

四? 實踐教學探索成果

針對信息建模與信息融合技術的綜合應用等方面的實踐教學內容已經逐步滲透到山西應用科技學院建工學院工程管理專業學生日常技能培養工作中。在為期兩學年的教學改革推廣過程中，依托“管理科學與工程”省級重點學科建設目標與要求，學院增設了基于BIM技術的若干實訓課程的同時，建立了校內BIM實訓基地與科學研究中心，同時與山西省第二建筑工程公司進行深度合作，成立了企業專家在校個人工作室，旨在一方面更好提升教師技術應用能力，同時快速引導學生與企業技術對接等。在此基礎上，開設了工程造價數字化應用、裝配式建筑構件制作與安裝、建設工程質量檢測等若干實訓基地，滿足應用型高校產教融合，校企合作的人才培養模式。與此同時，學院打造了基于“1+X”專業社團試點單位，其中“1”為學歷證書，“X”為若干技能證書，目前在學生培養工作中已經取得了較為可喜的成績，具體包括國家級技能創新與應用大賽獲獎，在校學生獲得相關企業與創新研究機構的BIM能力等級認證證書。同時，在近年來工程管理專業的畢業生中，進行BIM技術建模與應用為主題的校級優秀畢業設計選拔等工作。部分成果展示見表6。

基于BIM技術的實踐教學探索與改革具備了推動相關行業發展與深度應用，在培養學生的過程中，以服務地方經濟轉型發展為目的，為學生科研創新、技術創新提供了持續支持和動力。

五? 結束語

由于裝配式建筑在項目施工全過程中與傳統建筑的不同，BIM技術可以很好地構建裝配式建筑所需的技術、管理、運營等全過程的信息共享平臺。裝配式建筑在未來的建筑行業中將會進一步被推廣應用，將BIM技術應用到裝配式建筑項目的相關實踐中是順應建筑行業發展規律和技術進步的一項重要舉措。將BIM技術的應用引入到應用型本科背景下的工程管理及土木工程等相關專業則是大勢所趨。在智慧城市、區域三維數字底座等理念的引領作用下，BIM數據與GIS等多元數據的融合應用，是未來城市規劃、區域地物及景觀設計，大跨度下的線路工程設計等領域的重要研究與應用方向，需要不斷地進行深入研究，建立成熟的技術應用方案。基于BIM技術的實踐內容的拓展，旨在使學生能夠全方位掌握裝配式建筑全生命周期、全時效狀態下的BIM技術綜合應用，以期更好地滿足智慧城市、智慧建筑等領域對信息模型技術的需要。

參考文獻：

[1] 吳反反，孫文靜，汪德江，等.BIM技術在裝配式建筑中的應用[J].實驗室研究與探索，2020，39（6）：219-222.

[2] 王振.我國預制裝配式建筑的現狀與發展[J].工程技術，2016（10）：288.

[3] 劉東衛，蔣洪彪，于磊.中國住宅工業化發展及其技術演進[J].建筑學報，2012（4）：10-18.

[4] 齊寶庫，張陽.裝配式建筑發展瓶頸與對策研究[J].沈陽建筑大學學報（社會科學版），2015，17（2）：156-159.

[5] 郭松海，王全良.住宅部品標準化[J].城市住宅，2009（11）：18-20.

[6] 江珊.我國裝配式建筑推廣實施的制約因素及對策研究[D].北京：北京建筑大學，2019.

[7] 渠立朋.BIM技術在裝配式建筑設計及施工管理中的應用探索[D].徐州：中國礦業大學，2019.

[8] 王淑嬙，周啟慧，田東方.工程總承包背景下BIM技術在裝配式建筑工程中的應用研究[J].工程管理學報，2017，31（6）：39-44.

[9] 羅嵐，吳霞，黃偉.基于FCM的裝配式建筑成本影響因素分析[J].建筑經濟，2020，41（S2）：77-82.

[10] 丁曉欣，劉凱.基于軟間隔支持向量機的裝配式建筑構件質量控制研究[J].建筑經濟，2020，41（S2）：62-67.

[11] 楊亞麗，劉可心，李彥婕.BIM技術在裝配式建筑中的應用研究綜述[J].黑龍江科技信息，2017（5）：258-259.

[12] 桂榮.基于BIM的建設工程造價精益管理研究[J].中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2017（3）：34.

[13] 于龍飛，張家春.基于BIM的裝配式建筑集成建造系統[J].土木工程與管理學報，2015，32（4）：73-78.

[14] 謝思聰，陳小波，梁玉美.基于BIM與裝配式建筑的新型工程量清單[J].工程管理學報，2017，31（3）：130-135.

[15] 劉晨晨.工程總承包方視角下裝配式建筑施工進度風險管理研究[D].徐州：中國礦業大學，2019.

[16] 常春光，吳飛飛.基于BIM和RFID技術的裝配式建筑施工過程管理[J].沈陽建筑大學學報（社會科學版），2015，17（2）：170-174.

[17] 王玲莉，戴晨光，馬瑞.GIS與BIM集成在城市建筑規劃中的應用研究[J].地理空間信息，2016，14（6）：75-78.

[18] 武鵬飛，劉玉身，譚毅，等.GIS與BIM融合的研究進展與發展趨勢[J].測繪與空間地理信息，2019，42（1）：1-6.

[19] 盧勇東，杜思宏，莊典，等.數字和智慧時代BIM與GIS集成的研究進展：方法、應用、挑戰[J].建筑科學，2021，37（4）：126-134.

基金項目：國家自然科學基金項目“深度特征融合的黃土微地貌精細化提取模型研究”（42001329）”；山西省教育廳教學改革創新項目“基于信息技術模型運用的綜合實踐教學改革——以應用型本科高校土建專業為例”（J2021895）；山西省高等學校哲學社會科學研究項目“基于創新驅動與綠色制造理念的山西省裝配式建筑激勵策略研究”（2019W230）

第一作者簡介：姚健（1989-），男，漢族，山西太原人，碩士，副教授。研究方向為測繪信息建模與應用。