基于BIM技術(shù)的裝配式建筑智能建造技術(shù)研究

倪子淵 景玉文 司麗媛

收稿日期：2023-11-14

作者簡(jiǎn)介：倪子淵（1983—），男，山東威海人，本科，工程師，研究方向：建筑工程。

通訊作者：司麗媛（1984—），女，山東濟(jì)南人，本科，工程師，研究方向：建筑工程。

摘 要：以某裝配式住宅小區(qū)為例，從多個(gè)方面分析了BIM技術(shù)在裝配式建筑智能建造中的應(yīng)用，并通過BIM技術(shù)平臺(tái)搜集和監(jiān)測(cè)成本信息和進(jìn)度信息，分析裝配式建筑中BIM技術(shù)的應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明：基于BIM模型的裝配式工業(yè)化和信息化施工，在很大程度上提高了工程安裝的機(jī)械化，減小了人力成本，達(dá)到了精細(xì)化與可視化的施工目的以及“實(shí)模一致”的施工效果。通過BIM技術(shù)減少的工程總費(fèi)用達(dá)到472萬元，表明BIM技術(shù)在裝配式建筑的建造中有較大的應(yīng)用價(jià)值，通過BIM智能建造技術(shù)能夠優(yōu)化裝配式施工工藝，增大裝配率，減小工程成本，將工程項(xiàng)目的效益最大化。BIM技術(shù)不僅能夠降低工程成本，還能夠縮短施工工期，實(shí)現(xiàn)降本增效。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑；BIM技術(shù)；智能建造；工程成本；施工工期

中圖分類號(hào)：TU17;TU741? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2024）03-0034-03

0引言

傳統(tǒng)的建筑方式因其低效率、高能耗、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代建筑的需求[1]。近年來，建筑建造時(shí)的人工成本逐漸增加，因此發(fā)展智能化、信息化的裝配式建筑成為建筑業(yè)的主要方向[2-3]。

基于BIM技術(shù)的裝配式建筑智能建造技術(shù)能夠提高建造效率、降低成本、減少資源浪費(fèi)，為建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了新動(dòng)力[4]。何夢(mèng)瑤等[5]分析了綠色發(fā)展背景下裝配式建筑和BIM技術(shù)的結(jié)合對(duì)建筑持續(xù)可持續(xù)發(fā)展的影響。汪俊等[6]分析了裝配式建筑構(gòu)件智能生產(chǎn)中BIM技術(shù)的應(yīng)用效果，為裝配式建筑提供了方向。

本文以某裝配式住宅小區(qū)為例，從裝配式施工、裝配式構(gòu)件制作和安裝方面，分析了BIM技術(shù)在裝配式建筑智能建造中的應(yīng)用效果，為類似項(xiàng)目提供了指導(dǎo)和借鑒。

1工程概況

某裝配式住宅小區(qū)共有4棟居民樓（1～4#）和1棟商業(yè)樓（G1#），居民樓中15層高和28層高均有2棟，小區(qū)總建筑面積為52 082.93 m2，地下面積和地上面積分別為15 972.25 m2和36 131.68 m2，項(xiàng)目各建筑均為裝配式建筑，裝配率大于65%。

1～4#樓上部結(jié)構(gòu)類型均為剪力墻結(jié)構(gòu)，但1#樓基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)+天然地基，800 mm為筏板厚度；2#樓基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)+鉆孔灌注樁，900 mm為筏板厚度；3#樓基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)+鉆孔灌注樁，1 150 mm為筏板厚度。G1#商業(yè)樓上部結(jié)構(gòu)和地下室均屬于框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為獨(dú)立基礎(chǔ)。項(xiàng)目各建筑相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2項(xiàng)目難點(diǎn)裝配式建筑智能建造中BIM技術(shù)的應(yīng)用

2.1 BIM施工模型的優(yōu)勢(shì)

裝配式建筑的主體建造、設(shè)備安裝和后期管理均是在不同階段、不同時(shí)間進(jìn)行的，每部分工作要求細(xì)致且復(fù)雜。

以BIM模型為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)件、生產(chǎn)構(gòu)件、運(yùn)輸構(gòu)件等全生命周期的精細(xì)化管理，可以實(shí)現(xiàn)施工過程中現(xiàn)金流、信息流、物資流的高效管理，將碎片化的管理進(jìn)行整合。通過對(duì)BIM施工模型的可視化挖掘，能夠以最佳方式布置裝配式構(gòu)件，并協(xié)調(diào)各專業(yè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)度與施工安排。

BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了裝配式建筑施工全流程的自動(dòng)化管理，不同供應(yīng)商生產(chǎn)的構(gòu)件或設(shè)計(jì)各構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)，構(gòu)件的追蹤登記、材料使用量的計(jì)算等信息全都以BIM模型為基礎(chǔ)統(tǒng)一管理。

基于BIM施工模型，通過碰撞檢測(cè)可在施工前發(fā)現(xiàn)潛在的問題，從而減少工人現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)與調(diào)整時(shí)間并降低出錯(cuò)率，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑施工全流程的數(shù)字化、集成化與系統(tǒng)化管理，有效提升施工效率、安全、質(zhì)量和管理水平，并且為后續(xù)的檢修、維護(hù)、改造、升級(jí)等提供了重要的前期數(shù)據(jù)支持。局部管線BIM模型深化示意圖如圖1所示。

為了高效管理和排布裝配式建筑的施工進(jìn)度計(jì)劃，以BIM三維模型為基礎(chǔ)整合各施工階段的時(shí)間信息，輸出為動(dòng)態(tài)的四維可視化模型。通過施工進(jìn)度管理軟件建立施工任務(wù)、進(jìn)度計(jì)劃表，其中包括各項(xiàng)工作的起始和結(jié)束時(shí)間，輸出為詳細(xì)的進(jìn)度計(jì)劃文件，并保存為與BIM軟件接口相匹配的文件格式。將特殊格式文件輸入至BIM軟件中，與BIM模型相結(jié)合形成動(dòng)態(tài)可視化四維模型。BIM三維模型中涵蓋了建筑中各構(gòu)件的物理信息和尺寸信息，如墻體的厚度、材質(zhì)、顏色等，所用模型結(jié)合進(jìn)度計(jì)劃中的時(shí)間序列能夠真實(shí)、形象地反映出建筑的施工步驟和場(chǎng)景，具備強(qiáng)大的動(dòng)畫演示功能。

2.2 基于BIM技術(shù)的構(gòu)件制造

相比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆法施工，預(yù)制裝配式混凝土建筑施工具有施工速度快、節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量保證、設(shè)計(jì)靈活性和成本效益高等優(yōu)點(diǎn)。在裝配式建筑的設(shè)計(jì)建造過程中，構(gòu)件的制作起到關(guān)鍵性的作用，但由于裝配式建筑構(gòu)件尺寸較多、構(gòu)件種類多樣，因此制作構(gòu)件時(shí)信息的輸入和管理十分重要。

通過BIM技術(shù)，將建筑的各個(gè)部分拆解為形狀、大小均標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件，如預(yù)制板、預(yù)制梁、窗、門等。在建立BIM模型時(shí)，需要建立完善獨(dú)屬于每個(gè)構(gòu)件的信息ID，信息ID內(nèi)包括構(gòu)件的編號(hào)、尺寸信息、材質(zhì)信息、位置信息等，通過這些信息，可以有效地管理和追蹤構(gòu)件的生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝過程。

在完成BIM模型后，可以將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到生產(chǎn)設(shè)備中，進(jìn)行構(gòu)件的工業(yè)化生產(chǎn)。在這個(gè)過程中，可以借助信息化技術(shù)，如計(jì)算機(jī)等，實(shí)現(xiàn)從最初設(shè)計(jì)、工廠制作以及現(xiàn)場(chǎng)安裝的全過程信息化、智能化的管理。

2.3 結(jié)合BIM模型的構(gòu)件裝配

裝配式建筑在施工時(shí)類似于搭積木，將提前在工廠制作好的構(gòu)件運(yùn)送到施工場(chǎng)地，并根據(jù)圖紙將各個(gè)構(gòu)件連接牢固。通過BIM技術(shù)建立三維建筑模型，根據(jù)GIS地理信息系統(tǒng)以及無人機(jī)設(shè)備對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)中生產(chǎn)車間、材料存放倉(cāng)庫(kù)、機(jī)械設(shè)備等位置進(jìn)行規(guī)劃排布，結(jié)合施工進(jìn)度時(shí)間序列，達(dá)到模擬4D施工生產(chǎn)的目的。它能夠支持較為生動(dòng)直觀的動(dòng)畫交底，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑的數(shù)字化智能生產(chǎn)，達(dá)到提高管理質(zhì)量、施工速度以及降低工程成本的目的。在實(shí)際施工開始之前，通過BIM模型的虛擬裝配，可以模擬實(shí)際施工過程，提前發(fā)現(xiàn)和解決裝配中的問題，提高現(xiàn)場(chǎng)裝配的效率和成功率。

對(duì)于該裝配式住宅小區(qū)，在施工時(shí)根據(jù)建立的BIM模型對(duì)工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)相關(guān)安裝工程進(jìn)行模擬，并組建BIM綜合信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)、各階段的協(xié)同施工，集成整理大量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，對(duì)構(gòu)件的預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)的裝配、安裝以及驗(yàn)收進(jìn)行指導(dǎo)。基于BIM模型的裝配式工業(yè)化和信息化施工，在很大程度上提高了工程安裝的機(jī)械化，減少了人力成本，達(dá)到了精細(xì)化與可視化的施工目的以及“實(shí)模一致”的施工效果，為城市建筑智慧數(shù)字化建設(shè)提供示范。

3基于BIM技術(shù)的建筑智能建造效果分析

基于BIM技術(shù)的裝配式施工造價(jià)降低值如表2所示。從表2中能夠看出，通過BIM技術(shù)減少的工程總費(fèi)用達(dá)到472萬元，其中在施工裝配式建筑時(shí)通過BIM技術(shù)控制裝配率時(shí)所減少的工程成本最高，為241萬元。通過BIM技術(shù)可視化對(duì)內(nèi)外墻施工進(jìn)行優(yōu)化，所減少的工程費(fèi)用為82萬元。配電間施工部分僅減少16萬元。由此能夠得出，BIM技術(shù)在裝配式建筑的建造中有較大的應(yīng)用價(jià)值，通過BIM智能建造技術(shù)能夠優(yōu)化裝配式施工工藝，增大裝配率，減小工程成本，將工程項(xiàng)目的效益最大化。

裝配式建筑施工進(jìn)度分析結(jié)果如圖2所示。在圖2中，A、B、C曲線分別表示最早開工、最晚開工以及結(jié)合BIM技術(shù)得出的施工計(jì)劃曲線，項(xiàng)目總工期為720 d。從圖2中能夠看出，在整體上3條曲線均呈現(xiàn)為S形，項(xiàng)目施工速度呈現(xiàn)出初期緩慢，中期較快，后期緩慢收尾的趨勢(shì)。

在項(xiàng)目的前半個(gè)階段內(nèi)，結(jié)合BIM技術(shù)的施工進(jìn)度C曲線位于A、B兩曲線之間，表示該工程進(jìn)度在工期進(jìn)度要求之內(nèi)。當(dāng)在項(xiàng)目的后半個(gè)階段內(nèi)時(shí)，C曲線超過了B曲線，這表示該曲線代表的完成工作量大于計(jì)劃工作量，即表示施工進(jìn)度超前，通過BIM技術(shù)不僅能夠降低工程成本，還能夠縮短施工工期，實(shí)現(xiàn)降本增效。

4結(jié)束語

以某裝配式住宅小區(qū)為例，從裝配式施工、裝配式構(gòu)件制作和安裝方面分析了BIM技術(shù)在裝配式建筑智能建造中的應(yīng)用效果，主要得出以下3個(gè)結(jié)論。

第一，BIM三維模型中涵蓋了建筑中各構(gòu)件的物理信息和尺寸信息，結(jié)合進(jìn)度計(jì)劃中的時(shí)間序列能夠真實(shí)、形象地反映出建筑的施工步驟和場(chǎng)景，具備強(qiáng)大的動(dòng)畫演示功能。基于BIM模型的裝配式工業(yè)化和信息化施工，在很大程度上提高了工程安裝的機(jī)械化，減小了人力成本，達(dá)到了精細(xì)化與可視化的施工目的以及“實(shí)模一致”的施工效果。

第二，通過BIM技術(shù)減少的工程總費(fèi)用達(dá)到472萬元，其中通過BIM技術(shù)控制裝配率時(shí)所減少的工程成本最高，為241萬元。通過BIM技術(shù)可視化對(duì)內(nèi)外墻施工進(jìn)行優(yōu)化所減少的工程費(fèi)用為82萬元。

第三，結(jié)合BIM技術(shù)的施工進(jìn)度C曲線超過了B曲線，這表示該曲線代表的完成工作量大于計(jì)劃工作量，即表示施工進(jìn)度超前，通過BIM技術(shù)不僅能夠降低工程成本，還能夠縮短施工工期，實(shí)現(xiàn)降本增效。

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