基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑施工模擬研究

楊博倫 楊自強(qiáng) 蔣 琪 孔 陽(yáng)

相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆式整體建筑，裝配式建筑施工周期短、建筑垃圾少、綠色環(huán)保性好，但裝配式施工技術(shù)尚不成熟。裝配式建筑可能存在預(yù)制板拼縫及板帶處漏漿、疊合板與混凝土交接處較多或預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆混凝土發(fā)生疊合等問(wèn)題，產(chǎn)生各種隱蔽缺陷，導(dǎo)致后期修補(bǔ)費(fèi)用較高，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重破損。在裝配式建筑中建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)是一種新興的建筑技術(shù)，因其應(yīng)用較晚，在施工模擬上可參考的項(xiàng)目不多[1]。于是，研究BIM 技術(shù)在裝配式建筑施工模擬中的應(yīng)用十分必要。

1 裝配式建筑施工應(yīng)用BIM 技術(shù)的價(jià)值

1.1 BIM平臺(tái)選擇

在建筑工程領(lǐng)域，Autodesk 平臺(tái)和Bentley 平臺(tái)是比較完善的2 個(gè)BIM平臺(tái)[2]，關(guān)于兩者的詳細(xì)對(duì)比如表1所示。在裝配式建筑施工過(guò)程中，需多專業(yè)、多部門(mén)的相互協(xié)調(diào)，故而對(duì)數(shù)據(jù)交互能力的要求非常高，建議采用Autodesk 平臺(tái)上的Revit MEP 軟件、Navisworks 軟件和施工現(xiàn)場(chǎng)布置軟件進(jìn)行施工模擬。

表1 BIM 平臺(tái)對(duì)比

1.2 BIM技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

BIM 技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性和可出圖性等特點(diǎn)，能夠建立裝配式建筑的3D 模型，并模擬施工流程，從而有效提高裝配式建筑的施工質(zhì)量[3]。BIM 技術(shù)在裝配式建筑施工過(guò)程中的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在以下方面。

1.2.1 解決施工組織問(wèn)題

如果施工場(chǎng)地受限，可利用BIM的可視化功能模擬預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、進(jìn)場(chǎng)、驗(yàn)收、堆放和吊裝等施工環(huán)節(jié)，直觀展示施工重點(diǎn)。還可以借助BIM技術(shù)合理安排施工組織計(jì)劃。

1.2.2 提高施工單位的管控能力

應(yīng)用BIM 軟件對(duì)裝配式建筑的管線、梁柱和墻體等構(gòu)件進(jìn)行碰撞檢查，以便在施工前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免在施工期間出現(xiàn)較大變更，從而影響施工進(jìn)度和成本控制效果。

1.2.3 協(xié)同性好

在傳統(tǒng)的施工模式下，不同技術(shù)人員對(duì)接以紙質(zhì)或電子文件為主，溝通實(shí)時(shí)性差。利用BIM 技術(shù)可以構(gòu)建協(xié)同管理平臺(tái)，并賦予技術(shù)人員權(quán)限，使他們能夠?qū)崟r(shí)查詢建筑物的施工信息，從而更好地協(xié)同作業(yè)。同時(shí)，技術(shù)人員可以將裝配式建筑施工過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題詳細(xì)記錄在BIM 模型中，并且可實(shí)時(shí)更新，以免出現(xiàn)互相推諉的現(xiàn)象。

2 BIM 技術(shù)裝配式建筑中的施工模擬要點(diǎn)

2.1 工程概況

龍德井片區(qū)危舊房改造項(xiàng)目—酒店工程，位于福建省莆田市城廂區(qū)鳳凰山街道，東臨勝利南街。該項(xiàng)目屬于單棟建筑，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限為50 年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)耐火等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7 度。

該建筑項(xiàng)目的總建筑面積為35081.22 m2，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.50 m，非標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.85 ～4.10 m。酒店地上部分共20 層，建筑面積為27866.11 m2，主要作為辦公室、旅館和設(shè)備用房使用。地下共2 層，建筑面積為7215.11 m2，包括機(jī)動(dòng)車(chē)庫(kù)、消防水池泵房、生活水池泵房和配套設(shè)備用房等。該項(xiàng)目最大的創(chuàng)新點(diǎn)為“全專業(yè)協(xié)同BIM 設(shè)計(jì)、BIM 技術(shù)模擬施工”。

2.2 建立預(yù)制構(gòu)件庫(kù)

預(yù)制構(gòu)件是裝配式建筑施工模擬的基礎(chǔ)。構(gòu)件庫(kù)既要具備通用性和可擴(kuò)展性，還要有獨(dú)立性。雖然Revit 軟件未內(nèi)置專門(mén)的裝配式建筑構(gòu)件族庫(kù)，但可以利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、融合和放樣等命令自定義族庫(kù)。

2.2.1 構(gòu)件編碼信息

為方便裝配式建筑構(gòu)件的選擇和拼裝，要制訂構(gòu)件庫(kù)編碼原則。將裝配式建筑劃分為基礎(chǔ)工程A、外封閉工程B、內(nèi)部結(jié)構(gòu)C、配套設(shè)施D 和建筑場(chǎng)地E 等部分，并采用UNIFORMATⅡ體系進(jìn)行分級(jí)編碼[4]。因?yàn)槊總€(gè)構(gòu)件所包含的幾何信息不同，且因使用者的需求也各不相同不同，其對(duì)構(gòu)件信息的深度等級(jí)要求也有區(qū)別，如表2 所示。

表2 構(gòu)件信息及深度等級(jí)需求

2.2.2 構(gòu)件入庫(kù)管理

裝配式建筑構(gòu)件自定義完成后，要檢查每個(gè)構(gòu)件的信息，檢查無(wú)誤后才能入庫(kù)。構(gòu)件入庫(kù)后，要賦予不同級(jí)別管理人員不同的權(quán)限。如普通員工只能查詢構(gòu)件的基本信息，而管理人員能夠增加、刪除和修改構(gòu)件。

2.3 構(gòu)件碰撞檢測(cè)

2.3.1 碰撞檢測(cè)的流程和內(nèi)容

在施工前，可利用BIM 技術(shù)對(duì)建筑物的不同構(gòu)件進(jìn)行碰撞檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工工序銜接問(wèn)題，提前編寫(xiě)解決方案[5]，具體為：第1，將Revit 軟件建立的三維模型導(dǎo)入Navisworks 軟件，并在“Clash Detective”模塊中添加檢測(cè)對(duì)象，設(shè)置檢測(cè)類型等參數(shù)。第2，進(jìn)行構(gòu)件碰撞檢測(cè)，自動(dòng)生成構(gòu)件的碰撞檢測(cè)報(bào)告。第3，技術(shù)人員根據(jù)碰撞點(diǎn)的位置和距離等相關(guān)信息，查明碰撞原因，并修改建筑模型。第4，再次進(jìn)行碰撞檢測(cè)，直至模型無(wú)碰撞點(diǎn)。在施工階段無(wú)法處理的碰撞點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)上報(bào)建設(shè)方或監(jiān)理，并移交設(shè)計(jì)單位修改。

裝配式建筑的碰撞檢測(cè)包含構(gòu)件內(nèi)部的碰撞檢測(cè)和構(gòu)件之間的碰撞檢測(cè)：第1，預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部的碰撞檢測(cè)內(nèi)容包括鋼筋與預(yù)理件的碰撞、鋼筋和灌漿套筒的碰撞、預(yù)制柱體頂出筋與套筒空隙的碰撞以及預(yù)制梁側(cè)面出筋與套筒空隙的碰撞等；第2，預(yù)制構(gòu)件之間的碰撞檢測(cè)內(nèi)容包括不同梁體、柱體、板體及給排水管道之間的碰撞[6]。

2.3.2 碰撞檢測(cè)結(jié)果

對(duì)該酒店建筑進(jìn)行碰撞檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)了3 處碰撞點(diǎn)，即2 處預(yù)制梁側(cè)出筋的碰撞，1處預(yù)制柱頂出筋的碰撞。立刻修改模型，將隱患和問(wèn)題解決在施工前。

2.4 構(gòu)件施工過(guò)程模擬

2.4.1 構(gòu)件生產(chǎn)

在裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)期間，生產(chǎn)人員可以通過(guò)Revit 軟件建立的三維模型了解設(shè)計(jì)意圖，并可自動(dòng)提取建筑模型中各個(gè)構(gòu)件的幾何信息，這樣有利于控制預(yù)制構(gòu)件尺寸[7]。

2.4.2 構(gòu)件堆放和裝卸

施工場(chǎng)地隨意堆放材料的現(xiàn)象，使材料裝卸過(guò)程存在安全隱患。為解決這一問(wèn)題，可以利用施工現(xiàn)場(chǎng)布置軟件來(lái)模擬預(yù)制構(gòu)件的堆放，以便提高場(chǎng)地利用率，避免預(yù)制構(gòu)件的二次倒運(yùn)。

同時(shí)，在BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)中增加“材料管理”模塊，能夠?qū)崟r(shí)更新材料的消耗量、剩余量、堆放位置及堆放高度等參數(shù)。施工技術(shù)人員可以在移動(dòng)端實(shí)時(shí)查詢相關(guān)信息，避免材料裝卸沖突。

2.4.3 構(gòu)件運(yùn)輸

在裝配式建筑施工場(chǎng)地中，大量機(jī)械設(shè)備混雜，在BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)中增加“機(jī)械管理”模塊，輸入機(jī)械設(shè)備的型號(hào)、數(shù)量、用途以及當(dāng)前使用情況等信息，合理布置機(jī)械設(shè)備位置，按需分配機(jī)械設(shè)備資源[8]。同時(shí)，BIM模型還可以結(jié)合全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）技術(shù)，動(dòng)態(tài)跟蹤機(jī)械設(shè)備的位置，模擬預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸路線。

2.4.4 構(gòu)件吊裝

以外墻吊裝為例，如果吊裝點(diǎn)的位置存在偏差，會(huì)導(dǎo)致預(yù)制墻體無(wú)法吊裝至設(shè)計(jì)位置，造成工程返工，甚至掉落，威脅施工人員安全。在構(gòu)件運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)將吊裝機(jī)械設(shè)備的數(shù)量、起吊能力和構(gòu)件安放位置等參數(shù)輸入三維模型，利用BIM 技術(shù)確定最優(yōu)吊裝順序。同時(shí)，利用Navisworks 軟件對(duì)多個(gè)運(yùn)行中的塔式起重機(jī)進(jìn)行碰撞檢測(cè)，如果出現(xiàn)碰撞，則需要調(diào)整塔式起重機(jī)的位置，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)布局。

2.4.5 構(gòu)件裝配

裝配式建筑施工方式是“搭積木式”的構(gòu)件裝配過(guò)程。由于預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)期間具有唯一編碼（Identity document，ID），因此其包含了構(gòu)件詳細(xì)的幾何信息。

在三維建筑模型中，可以利用ID實(shí)時(shí)定位和追蹤每個(gè)構(gòu)件的位置，為構(gòu)件拼裝創(chuàng)造便利。同時(shí)，BIM 模型還可以與時(shí)間軸結(jié)合，實(shí)現(xiàn)4D 生產(chǎn)，為裝配式建筑提供動(dòng)畫(huà)交底功能，提升其施工效率和施工質(zhì)量。

3 基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑施工成本和進(jìn)度模擬

3.1 施工成本

在過(guò)去的裝配式建筑項(xiàng)目中，施工技術(shù)人員一般通過(guò)Microsoft Office Excel和Microsoft Office Word等軟件，統(tǒng)計(jì)各分部、分項(xiàng)工程的工程量，準(zhǔn)確性較差。對(duì)于隱蔽工程，技術(shù)人員無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)督，難以準(zhǔn)確判斷分包單位上報(bào)的工程量與實(shí)際工程量是否一致，這樣不利于控制施工成本。

借助三維模型能夠提取裝配式建筑各個(gè)構(gòu)件的具體位置、長(zhǎng)度、面積和體積等參數(shù)，并自動(dòng)導(dǎo)出工程量明細(xì)表[9]。工程量明細(xì)表可自定義字段、過(guò)濾器、排序方式和格式等內(nèi)容，如表3 所示。

表3 預(yù)制構(gòu)件工程量明細(xì)表自定義內(nèi)容

3.2 施工進(jìn)度模擬

大多數(shù)建筑項(xiàng)目的進(jìn)度模擬依賴于橫道圖或網(wǎng)絡(luò)圖，這不僅需要較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)，而且導(dǎo)致建設(shè)方對(duì)進(jìn)度管理的參與感不足。在Revit 軟件建立的三維建筑模型中關(guān)聯(lián)進(jìn)度計(jì)劃，形成4D-BIM 模型，并借助協(xié)同管理平臺(tái)，增強(qiáng)建設(shè)方的參與感。

4 施工效果評(píng)價(jià)

基于BIM 平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)龍德井片區(qū)危舊房改造項(xiàng)目—酒店工程關(guān)鍵分部分項(xiàng)工程的節(jié)省費(fèi)用和節(jié)省工期，繪制折線圖如圖1 所示，由圖可知利用BIM 技術(shù)能夠有效降低裝配式建筑的施工成本。各分部分項(xiàng)工程節(jié)省費(fèi)用排序?yàn)橥鈮Π濉⑼鈮α⒚?、疊合板、給排水管道、配電間。裝配式建筑施工期間應(yīng)用BIM 技術(shù)，為項(xiàng)目按期交付提供了保障。

圖1 裝配式建筑優(yōu)化效果（來(lái)源：作者自繪）

該酒店施工初期進(jìn)度較慢，隨著資金、人員和設(shè)備的陸續(xù)到位施工進(jìn)度快速提升，但施工末期進(jìn)度變緩。應(yīng)用BIM 技術(shù)后，外墻立面的施工工期節(jié)省了6 d；配電間和排水管道施工工期減少，不夠明顯，僅為2 d。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以龍德井片區(qū)危舊房改造項(xiàng)目—酒店工程為例，研究了BIM 技術(shù)在裝配式建筑施工模擬中的應(yīng)用。在裝配式建筑施工過(guò)程中，應(yīng)用BIM技術(shù)能有效解決施工組織問(wèn)題，提高施工單位的管控能力，實(shí)現(xiàn)技術(shù)人員的協(xié)同作業(yè)。

Revit MEP 軟 件、Navisworks 軟件和施工現(xiàn)場(chǎng)布置軟件的相互配合，可以實(shí)現(xiàn)三維模型建立、碰撞檢測(cè)和構(gòu)件庫(kù)自定義的功能，并模擬構(gòu)件的堆放、運(yùn)輸、吊裝和裝配等過(guò)程。此外，在三維模型中關(guān)聯(lián)工程量明細(xì)表和進(jìn)度計(jì)劃，能夠?qū)崿F(xiàn)成本控制和進(jìn)度模擬，有助于節(jié)約工程造價(jià)和縮短施工工期。