基于BIM的裝配式建筑綠色施工管理研究

楊嘉睿,阮若琳

(集美大學誠毅學院，福建 廈門 361000)

0 引言

建筑業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)，在我國的經(jīng)濟發(fā)展中扮演重要角色。但同時，建筑業(yè)的能源消耗約占全部能源消耗的1/4，居各行業(yè)之首。目前傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方式仍存在生產(chǎn)效率低下、建設(shè)周期長、資源浪費較嚴重、環(huán)境影響大等問題，已經(jīng)很難滿足建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級和實現(xiàn)綠色環(huán)保的訴求迫在眉睫。2017年3月，住建部印發(fā)《“十三五”裝配式建筑行動方案》，要求各省市、自治區(qū)有關(guān)單位全面推進裝配式建筑發(fā)展。發(fā)文中明確提出截止2020年，全國裝配式建筑占新建建筑的比例要達到15%以上。裝配式建筑以其生產(chǎn)效率高、建設(shè)周期短、建筑質(zhì)量高、綠色環(huán)保的優(yōu)點得到了各地政府部門的認可。目前，全國已經(jīng)有多個省市出臺了關(guān)于裝配式建筑及建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導意見，并制定一系列相關(guān)配套措施和優(yōu)惠政策，其中北京、杭州、廣州、廈門等地更是對建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提出了明確目標。發(fā)展裝配式建筑，推動綠色施工，是實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

1 裝配式建筑、BIM與綠色施工

1.1 裝配式建筑

裝配式建筑指的是建筑構(gòu)配件通過加工廠預(yù)先加工生產(chǎn)，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，在施工現(xiàn)場完成吊裝裝配而形成的建筑[1]。從整體上來說，裝配式建筑的施工大致可以劃分為三個過程：第一個過程是加工生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)配件，預(yù)制構(gòu)件廠按照設(shè)計單位提供的設(shè)計圖紙和標準化的構(gòu)件要求來生產(chǎn)建筑所需的各類預(yù)制構(gòu)件；第二個過程是預(yù)制構(gòu)件的運輸，將構(gòu)件從預(yù)制構(gòu)件廠運輸?shù)焦こ添椖渴┕がF(xiàn)場；第三個過程是施工現(xiàn)場預(yù)制構(gòu)件的安裝和裝配，根據(jù)現(xiàn)場施工進度計劃和施工安排來進行預(yù)制構(gòu)件的吊裝與組裝。

1.2 BIM技術(shù)

BIM(Building Information Model)技術(shù)，即建筑信息模型，是通過信息化技術(shù)及三維可視化的效果展示建筑實體，模擬建筑工程實施情況，建立建筑工程完整的信息資源庫的技術(shù)平臺[2]。建立建筑信息模型，可將建筑以三維立體的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來。通過BIM技術(shù)，可以將工程施工過程中的工程材料、施工進度、成本信息等融入三維立體結(jié)構(gòu)的建筑模型中，從而更好地實現(xiàn)建筑綠色施工的管理目的。

1.3 綠色施工

綠色施工指的是在遵循綠色理念的前提下，在施工過程中，采用綠色施工技術(shù)，最大限度地實現(xiàn)四節(jié)一環(huán)保，即：節(jié)能、節(jié)點、節(jié)水、節(jié)材、保護環(huán)境和減少污染，推進建筑施工可持續(xù)發(fā)展。此外，綠色施工也可以理解為在施工過程中，合理應(yīng)用整體化的思維方式，選擇具有針對性的方法措施，推動綠色施工組織設(shè)計的科學合理化、促進施工管理模式的高效性，使綠色施工能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的目標，為建設(shè)項目帶來經(jīng)濟價值與環(huán)境效益的提升[3]。

2 裝配式建筑、BIM技術(shù)與綠色施工的關(guān)系

裝配式建筑、BIM與綠色施工三者相輔相成，緊密相連[4]，三者關(guān)系圖1所示。第一，裝配式建筑與 BIM 技術(shù)有很多相通之處，將兩者結(jié)合起來能夠互相促進，給彼此帶來較大提升。在 BIM 技術(shù)下，三維可視化被用于預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計。拆分模型能夠提取出基本的構(gòu)件，構(gòu)件的標準規(guī)格尺寸、所用材料等信息也能在BIM模型中體現(xiàn)，可以用來建立并實現(xiàn)基于BIM的預(yù)制構(gòu)件庫。第二，建筑工業(yè)化與綠色建筑之間是相互影響、相互推動的。綠色施工的理念于施工方法應(yīng)該在預(yù)制裝配式建筑的設(shè)計施工中得到落實，這也是完成綠色建筑過程中尤為重要的一個環(huán)節(jié)。建筑工業(yè)化的發(fā)展實際上將建筑生產(chǎn)從傳統(tǒng)現(xiàn)澆的方式轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在組裝的方式，因此整個施工過程中避免能施工現(xiàn)場環(huán)境的污染以及能源資源的浪費，真正落實到綠色施工。第三，BIM 技術(shù)作為一種強大的建筑設(shè)計、施工預(yù)模擬的信息化技術(shù)，對綠色施工的落地提供強大的助力。BIM 技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑的綠色施工，可以通過BIM5D實現(xiàn)施工現(xiàn)場場布模擬和施工過程模擬，對施工進度控制、成本節(jié)約、質(zhì)量管理等方面提供有力支持。

3 基于BIM的裝配式建筑綠色施工管理應(yīng)用

3.1 場布管理

利用現(xiàn)場虛擬施工和場布模擬，可以對施工現(xiàn)場平面進行科學合理的區(qū)域劃分和安排，解決施工區(qū)域可能出現(xiàn)的重疊碰撞或浪費場地等問題，實現(xiàn)施工現(xiàn)場土地資源的有效利用。通過BIM技術(shù)，可以實現(xiàn)施工現(xiàn)場中原有建筑、擬建建筑、材料堆場、加工場地、生活辦公區(qū)域等的預(yù)先進行模擬布置，優(yōu)化場內(nèi)交通路線，減少施工現(xiàn)場的二次搬運，不僅對場地有限的建筑工程施工有很大的幫助，也對指導優(yōu)化實際施工過程具有重要意義[5]。

3.2 進度管理

應(yīng)用 BIM 技術(shù)對施工項目進行進度管理時，可以按照進度目標編排進度計劃，并將分解的進度計劃與BIM模型中的各實施過程相關(guān)聯(lián)，在三維模型加入時間軸，通過模型預(yù)先模擬出工程項目建設(shè)進展情況。根據(jù)直觀形象的預(yù)先模擬，工程項目管理者可以更清晰地發(fā)現(xiàn)施工過程中可能存在的問題，并且對此作出相應(yīng)的計劃調(diào)整，使得在施工部署、施工進度方面可以得到合理的安排與優(yōu)化。同時還可以將項目進度計劃與構(gòu)配件廠的生產(chǎn)運輸計劃相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)整體供應(yīng)鏈的精益化。

3.3 成本管理

在建設(shè)項目開工前施工單位可以根據(jù)所建立的BIM模型，對工程量統(tǒng)計匯總計算，導出項目計劃工程量，關(guān)聯(lián)預(yù)算價格信息，生成建設(shè)項目成本，為施工過程中的成本管控提供有力幫助。在項目施工過程中，可以根據(jù)實際工程的變更情況，在BIM模型中作出一定的修改后即可自動生成相關(guān)工程量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計事情，使得工程變更能夠及時量化，以便能夠及時實現(xiàn)工程價款的調(diào)整和工程造價的控制。在工程造價管理過程中，可以將構(gòu)配件管理與工程材料管理作為管理對象。實施分析構(gòu)配件的運輸倉儲情況，以及工程材料的使用與損耗情況，將兩者的計劃量與實際量進行對比分析，當材料用量或損耗過多時進行預(yù)警，形成對構(gòu)配件和材料的精細化管理，實現(xiàn)限額領(lǐng)料、消耗控制提供有效支撐，避免造成構(gòu)配件的二次搬運與材料的浪費大大減少了資源、物流和倉儲環(huán)節(jié)的浪費，降低工程建設(shè)成本。

3.4 質(zhì)量管理

在項目開工前，技術(shù)人員通過BIM模型，可以實現(xiàn)裝配式項目的全真模擬施工。通過模擬環(huán)節(jié)，更為清晰地暴露出現(xiàn)場施工中可能存在的質(zhì)量安全隱患，便可以通過事先采取預(yù)防措來做到事前控制。在技術(shù)交底時，動態(tài)展示的三維施工過程，有助于現(xiàn)場人員掌握施工技術(shù)要點，減少因通過平面二維圖紙進行技術(shù)交底而造成的質(zhì)量問題。其次，在施工現(xiàn)場的構(gòu)配件可以通過內(nèi)置芯片的方式，將安裝位置、技術(shù)要求、質(zhì)量要求等信息加載到各個構(gòu)配件中，使得一線施工人員可以通過掃描二維碼的方式，了解該構(gòu)配件的具體情況。此外，若現(xiàn)場存在某些質(zhì)量問題，質(zhì)量管理人員可以應(yīng)用手機移動端，通過拍照、錄制視頻等方式，并與文字描述相結(jié)合，將現(xiàn)場情況反饋到 BIM 模型中，進行分析處理，并通過 BIM 技術(shù)對遇到的質(zhì)量問題進行分類匯總、統(tǒng)計存檔，以便對可能發(fā)生的類似質(zhì)量問題進行預(yù)判，做到針對性預(yù)防，減少在后期施工過程中出錯。

4 基于BIM的裝配式建筑綠色施工管理模式

4.1 實施流程

基于BIM的裝配式建筑綠色施工管理的實施流程主要包括五個步驟，如圖2所示。第一步，在項目實施管理的初期，施工單位BIM中心應(yīng)根據(jù)設(shè)計單位所交付的二維圖紙，利用軟件建模，轉(zhuǎn)換為三維模型，通過碰撞檢查等方式優(yōu)化工程設(shè)計，為施工階段減少返工的概率[7]。第二步，將施工過程中的實時數(shù)據(jù)信息加載到三維BIM模型，形成多維BIM模型，便于施工管理人員與現(xiàn)場人員可以通過BIM技術(shù)平臺，隨時隨地了解、掌握工程相關(guān)信息，對出現(xiàn)的問題及時作出反應(yīng)與處理。第三步，建筑裝配現(xiàn)場的施工組織方案與構(gòu)配件制造工廠的生產(chǎn)計劃通過BIM模型進行整合，優(yōu)化施工方案合理化，并提供給施工管理各方用于指導實際施工、生產(chǎn)活動。第四步，可以通過BIM模型，中模擬出實際的裝配過程，為施工現(xiàn)場平面布置、施工進度計劃、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)計劃、運輸物流管理、施工現(xiàn)場材料庫存管理、施工工程量統(tǒng)計與成本控制等提供科學的指導依據(jù)。第五步，根據(jù)施工現(xiàn)場反饋的實時數(shù)據(jù)整合分析，調(diào)整計劃，加強管理，提升管理水平和效率，實現(xiàn)項目現(xiàn)場進度、成本、質(zhì)量、安全等管理目標。

圖2 實施流程

4.2 管理內(nèi)容

基于BIM的裝配式建筑綠色施工管理包含多項管理內(nèi)容，存在于項目的整個生產(chǎn)階段。包括施工準備階段、生產(chǎn)制造階段、物流運輸階段及現(xiàn)場裝配階段。在整個過程中，利用BIM技術(shù)，尤其是在施工準備階段顯得尤為重要，可以進行BIM模型構(gòu)建、圖紙優(yōu)化，管線綜合檢測；設(shè)計施工方案、安排進度計劃、模擬施工過程；工程量統(tǒng)計、多算對比及限額領(lǐng)料。生產(chǎn)制造階段實現(xiàn)物料管理、生產(chǎn)流程管理、庫存管理與全過程質(zhì)量管理。物流運輸階段用于編排運輸計劃、實現(xiàn)運輸時間、路線規(guī)劃、裝車布局管理與運輸車輛管理。最后在現(xiàn)場施工裝配階段，進行構(gòu)件進場管理，場地存儲管理、構(gòu)件吊裝規(guī)劃、構(gòu)件施工流程規(guī)劃及現(xiàn)場質(zhì)量安全管理。在整個過程中，通過建立的BIM管理體系，利用信息所傳遞的信息制定管理計劃，并及時繼續(xù)信息的反饋工作，及時地調(diào)整優(yōu)化各項計劃，達到一個最有的組織計劃系統(tǒng)[8]。

4.3 組織架構(gòu)與職責

傳統(tǒng)的工程項目管理組織模式將建設(shè)單位定為整個管理架構(gòu)的中心，考慮到本研究主要針對現(xiàn)場施工管理，且由施工單位組建BIM中心，技術(shù)銜接較容易，且信息反應(yīng)更及時，有利用提高組織效率。因此，根據(jù)現(xiàn)階段裝配式建筑的實際施工情況，本研究設(shè)計以施工單位中心主導的，基于BIM的裝配式建筑組織架構(gòu)，如圖3所示。建設(shè)單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位、材料設(shè)備供應(yīng)單位等項目參與方以施工單位項目BIM中心為核心，緊密圍繞并展開配合各項工作。借助于BIM 技術(shù)強大的數(shù)據(jù)收集能力、信息整合能力為管理決策提供服務(wù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)將工程信息從項目現(xiàn)場到施工單位再到項目各參與方的及時傳遞，使得項目參與方可以及時掌握施工現(xiàn)場的情況，并采取有效的措施進行控制為各方項目管理等提供決策依據(jù)。有利于整體提高組織的信息傳遞效率，優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)，提升組織管理水平。

(1)建設(shè)單位

建設(shè)單位作為項目發(fā)起方首先應(yīng)明確整個轉(zhuǎn)配式項目中的信息化與綠色節(jié)能等要求，計劃預(yù)留專項資金用于項目此方面建設(shè)，推動項目的信息化進程。在施工過程中，可以借助BIM信息化平臺的實時數(shù)據(jù)，及時準確了解到施工現(xiàn)場的情況。對于現(xiàn)場施工人員與監(jiān)理人員報告的有關(guān)工程進度情況，物資調(diào)配情況、質(zhì)量安全問題等，建設(shè)單位應(yīng)及時利用BIM信息化平臺作出處理和指示。把握裝配式項目實施的總體情況，提升項目決策速度和決策水平，監(jiān)督把控項目的實施不偏離建設(shè)單位項目管理目標。建設(shè)單位應(yīng)配備信息專員，統(tǒng)籌BIM平臺建設(shè)資金，配合施工單位BIM中心工作，完成本單位的系統(tǒng)維護與數(shù)據(jù)處理。

(2)施工單位

施工單位作為整個裝配式項目管理組織核心與技術(shù)核心。應(yīng)配備專門技術(shù)人員組建BIM中心，確定BIM總負責。以BIM項目管理為核心，依據(jù)項目決策，制定BIM工作計劃，組織協(xié)調(diào)各方參與并跟進參與情況。利用BIM模型優(yōu)化資源配置，組織推動BIM良性發(fā)展并實時監(jiān)控實時查看BIM系統(tǒng)當中現(xiàn)場反饋的問題，總協(xié)調(diào)及解決現(xiàn)場BIM實施出現(xiàn)的問題做到對整個BIM模型的準確性和時效性負責，保證參與各方能夠在搭建的BIM技術(shù)平臺中高效、及時溝通交流，提升管理水平。此外，施工單位的項目管理人員全員包括項目經(jīng)理、項目技術(shù)負責人、施工員、質(zhì)量員、安全員、預(yù)算員、資料員等全員熟悉并掌握BIM平臺操作要領(lǐng)，能夠隨時隨地通過技術(shù)平臺上傳、整理、反饋、調(diào)用、分析、施工項目現(xiàn)場數(shù)據(jù)，獲取能服務(wù)于各自管理工具的相關(guān)信息，為管理工作提供數(shù)據(jù)支撐與決策依據(jù)[8]。

(3)設(shè)計單位

設(shè)計單位首先要負責保證所設(shè)計的圖紙質(zhì)量可靠，能夠滿足施工的要求，并且在提交圖紙的及時性上符合項目整體進度。在圖紙交付以后后，應(yīng)派相應(yīng)的設(shè)計人員參與施工單位的圖紙交底和圖紙會審工作，對發(fā)現(xiàn)的問題及時修改，尤其是對于施工單位BIM中心的建模工作應(yīng)給予技術(shù)支持和配合。通過對施工單位在翻模過程中所發(fā)現(xiàn)的圖紙錯誤整合分析，分類處理，與施工單位BIM小組一同優(yōu)化設(shè)計圖紙(如碰撞檢測和管線綜合檢查)。

(4)監(jiān)理單位

監(jiān)理單位履行第三方監(jiān)督職責，在施工過程中主要負責跟駐施工現(xiàn)場，對現(xiàn)場工程量統(tǒng)計、工程開展情況，質(zhì)量安全情況等進行及時跟進和上報?，F(xiàn)場監(jiān)理人員可以通過BIM手持客戶端，將現(xiàn)場信息和數(shù)據(jù)隨時隨地上傳到BIM信息平臺中，同時能夠利用BIM信息平臺把問題實時反饋給相關(guān)責任方。此外，還可以通過平臺監(jiān)督責任方是否進行改進，以及改進措施是否能夠有效解決問題。最后，可以將現(xiàn)場問題匯總，編制預(yù)防手冊，實現(xiàn)事前控制。

(5)材料設(shè)備供應(yīng)單位

材料設(shè)備供應(yīng)單位尤其是裝配式構(gòu)配件廠，既要按照模型的構(gòu)件參數(shù)實現(xiàn)標準化、工業(yè)化的生產(chǎn)方式，提高生產(chǎn)效率。同時也應(yīng)利用BIM平臺中的施工單位所傳輸?shù)默F(xiàn)場工程進度、物料供應(yīng)信息，合理安排自身構(gòu)生產(chǎn)計劃及運輸計劃，并且根據(jù)BIM模型施工模擬結(jié)果，保證運輸?shù)轿?，減少施工現(xiàn)場二次搬運，對裝配式構(gòu)件及相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)供應(yīng)負責。

圖3 組織架構(gòu)與人員配備

5 提升裝配式建筑綠色施工管理的建議

5.1 更新裝配式建筑工程管理理念

由于裝配式的建造方式對我國來說仍然為一種較新的建造模式，且部分施工單位對于BIM關(guān)技術(shù)的重視程度不足，應(yīng)用大多仍停留工作表層，阻礙了裝配式建筑工程的順利發(fā)展。無論是建設(shè)單位還是施工單位，其工程項目管理人員都應(yīng)該認識到識到依托于BIM技術(shù)的信息化管理模式對工程管理及環(huán)境保護的重要意義。對于項目整個施工過程、物資調(diào)配、成本核算、質(zhì)量安全監(jiān)測等方面的內(nèi)容，都要設(shè)置專門的管理人員保證工程項目的順利開展。將傳統(tǒng)的施工單位項目現(xiàn)場管理轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾絽⑴c的、全方位信息整合的多目標綜合管理，實現(xiàn)信息的有效傳遞和交流，提升工程管理水平，真正做到綠色環(huán)保、高效可靠[9]。

5.2 加強BIM技術(shù)培訓工作

要實現(xiàn)裝配式項目的信息化管理手段，合理利用BIM技術(shù)、發(fā)展培養(yǎng)BIM技術(shù)相關(guān)人才顯得尤為重要。首先，應(yīng)該著力培養(yǎng)專門的BIM小組技術(shù)人員，負責BIM建模，加載整和數(shù)據(jù)信息，調(diào)動導出相關(guān)管理信息，維護BIM管理平臺。此外，施工單位與各參與方均應(yīng)安排專人進行BIM平臺操作的培訓，再將手持信息輸入，平臺數(shù)據(jù)調(diào)用等等與施工現(xiàn)場緊密相關(guān)的基本操作落實到本單位的員工，尤其是現(xiàn)場施工人員與管理人員。在每個項目完成后，管理人員應(yīng)做好BIM平臺梳理與總結(jié)工作，分享并積累更多的綠色施工管理經(jīng)驗，優(yōu)化BIM平臺，同時做好后續(xù)工程的預(yù)防措施，避免出現(xiàn)類似問題。

5.3 規(guī)范施工管理制度

裝配式建筑項目參與各方的協(xié)調(diào)工作量大，項目管理層應(yīng)更嚴格地落實施工管理工作，規(guī)范管理制度，根據(jù)前期BIM模擬可以預(yù)料到的重點難點區(qū)域制定管理方案。做到管理前置，明確項目經(jīng)理及各項目管理人員自身管理職責，全面開展施工人員培訓工作。在施工過程中，管理人員要對現(xiàn)場作業(yè)人員、設(shè)備材料及構(gòu)建件建立起一體化的管理體系，按照項目實際施工情況對各項資源進行整合調(diào)配，杜絕施工現(xiàn)場的資源浪費現(xiàn)象，并在工作中應(yīng)逐步完善設(shè)計預(yù)制裝配式建筑從設(shè)計、生產(chǎn)、施工、運營維護等流程，全部提高工程管理水平，實現(xiàn)項目綜合效益。

5.4 建立信息化的監(jiān)管考核體系

要想確切落實裝配式建筑項目綠色施工的管理模式，就應(yīng)在企業(yè)內(nèi)部應(yīng)借助BIM技術(shù)，建立信息化的監(jiān)管考核系統(tǒng)[10]。利用BIM信息平臺，對裝配式建筑項目實現(xiàn)全面的數(shù)字監(jiān)管，保障數(shù)據(jù)公開與實時共享，能夠及時發(fā)現(xiàn)各個環(huán)節(jié)中存在的問題，提高管理決策水平。對項目的不同環(huán)節(jié)、不同參與單位設(shè)置不同的管理方式，并實現(xiàn)各參與單位多端口的信息上傳、調(diào)用與反饋交流。此外，還應(yīng)該制定專門的責任體系和考核標準，將管理目標與管理職責具體明確責任到崗到人，利用具體數(shù)據(jù)指標來量化深入考察項目的管理人員，對管理水平和管理工作定期考核評價與公示。

6 結(jié)論

應(yīng)用BIM技術(shù)實現(xiàn)裝配式建筑生產(chǎn)方式已經(jīng)成為我國建筑行業(yè)的發(fā)展方向，兩者與綠色施工有著一致的訴求，也是實現(xiàn)建筑節(jié)能和環(huán)境保護的重要手段。依托于BIM技術(shù)強大的功能，以綠色施工“四節(jié)一環(huán)保”理念為基礎(chǔ)的裝配式建筑綠色施工管理模式，有利于實現(xiàn)各項目參與方全面獲取施工現(xiàn)場信息，及時溝通交流，掌握項目具體情況，提升施工現(xiàn)場場布管理、質(zhì)量安全管理、成本控制與生產(chǎn)物流管理等多方面管理水平，更有利于在配色建筑生產(chǎn)和施工綜合管理中實現(xiàn)施工綠色化，推動綠色施工向前發(fā)展。