火神山、雷神山項(xiàng)目中“BIM+裝配式”應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

滿吉芳 （遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

新冠肺炎疫情肆虐武漢之時(shí)，在全國(guó)千萬(wàn)“云監(jiān)工”的注視下，火神山、雷神山醫(yī)院飛快地“拔節(jié)生長(zhǎng)”。短短13天建成2所醫(yī)院，這令世人驚嘆的“中國(guó)速度”背后，不僅有數(shù)千名建設(shè)者的日夜鏖戰(zhàn)，更有強(qiáng)有力的技術(shù)保障——BIM+裝配式。BIM與裝配式建筑相輔相成，雙劍合璧，發(fā)揮了“1+1＞2”的效果，最終確保了“兩山”醫(yī)院的按期交付。

1 火神山、雷神山項(xiàng)目建設(shè)困境分析

1.1 常規(guī)設(shè)計(jì)有壁壘，無(wú)法按“料”出圖

設(shè)計(jì)單位與項(xiàng)目參建其他各方相互獨(dú)立，缺乏溝通交流，無(wú)法根據(jù)資源供給狀況開(kāi)展設(shè)計(jì)。而“兩山”醫(yī)院項(xiàng)目工期極端緊張，物資設(shè)備需求量極大，卻又恰逢春節(jié)假期，大批工廠放假停工，物資設(shè)備供求關(guān)系嚴(yán)重失衡。為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)院必須根據(jù)物資設(shè)備采購(gòu)情況，做到有的放矢，實(shí)現(xiàn)按“料”出圖。

1.2 生產(chǎn)流程顯弊端，不易節(jié)“時(shí)”?！皽?zhǔn)”

裝配式建筑構(gòu)件常規(guī)加工流程：人工統(tǒng)計(jì)構(gòu)件數(shù)量和規(guī)格—深化加工圖—人工加工構(gòu)件。對(duì)于“與死神競(jìng)速”的“兩山”項(xiàng)目而言，該流程存在兩大弊端：一是人工構(gòu)件統(tǒng)計(jì)和加工圖深化耗時(shí)長(zhǎng)，影響施工工期；二是人工構(gòu)件加工存在誤差，無(wú)法保證裝配精度，甚至導(dǎo)致裝配失敗。

1.3 項(xiàng)目管理存短板，難以聯(lián)動(dòng)作戰(zhàn)

“兩山”項(xiàng)目參建單位眾多，形成“由中建三局牽頭，聯(lián)合武漢市政等多家單位參與，上百家各類專業(yè)分包單位配合”的格局。而當(dāng)前項(xiàng)目管理信息化程度不高，組織協(xié)調(diào)難度極大，很難實(shí)現(xiàn)各單位高效聯(lián)動(dòng)作戰(zhàn)，各工序無(wú)縫銜接。

2 BIM技術(shù)在火神山、雷神山項(xiàng)目中的應(yīng)用情況

2.1 BIM技術(shù)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1.1 BIM深化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)按“料”出圖

為實(shí)現(xiàn)快速建造，“兩山”醫(yī)院均采用鋼結(jié)構(gòu)箱式房裝配化施工，即對(duì)鋼結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝配式施工，而對(duì)集裝箱式活動(dòng)板房進(jìn)行模塊化拼接。建筑設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)模塊平面尺寸為3000mm×6000mm，而集裝箱的平面尺寸為2990mm×6055mm。若直接按“兩橫+一豎”的原則布置，即病房位置橫向布置2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊+走道位置縱向布置1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，如圖1所示，將產(chǎn)生拼裝誤差75mm（6055-2×2990=75mm），遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)模塊拼裝間隙10～12mm。

圖1 “兩橫+一豎”單元布置（圖片來(lái)源：作者自繪）

為此，設(shè)計(jì)人員開(kāi)展了集裝箱BIM深化設(shè)計(jì)，以走道箱體尺寸為總控，以密拼的方式（縫寬為10～12mm）連接走道箱體。病房箱體間穿過(guò)位置仍為密拼（縫寬為10～12mm），而標(biāo)準(zhǔn)模塊間分戶墻（雙墻）位置設(shè)有寬縫，最終將拼裝誤差消除在3個(gè)走道箱體（1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組）范圍內(nèi)，如圖2所示。通過(guò)深化設(shè)計(jì)，將集裝箱科學(xué)有效地拼裝在一起，完美解決了“集裝箱型號(hào)規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)不符”這一問(wèn)題，完成了精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)了按“料”出圖。

圖2 集裝箱誤差消除方案（圖片來(lái)源：作者自繪）

2.1.2 可視化協(xié)同設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)精度

“兩山”醫(yī)院為呼吸系統(tǒng)傳染病醫(yī)院，建設(shè)中涉及基礎(chǔ)工程、土建工程、污水處理、凈化工程等多個(gè)不同專業(yè)。為從根本上解決碰撞問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員依托BIM協(xié)同平臺(tái)，開(kāi)展基于同一BIM模型的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)進(jìn)行不同專業(yè)BIM模型的協(xié)調(diào)審查和碰撞檢查，有效避免了信息壁壘帶來(lái)的錯(cuò)、漏、碰、缺等問(wèn)題，大幅提高了設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，為項(xiàng)目按期交付提供了保障。

2.1.3 3D場(chǎng)景漫游，優(yōu)化空間布局

為有效避免交叉感染，最大程度地實(shí)現(xiàn)“醫(yī)患分區(qū)，潔污分流”，“兩山”醫(yī)院按“三區(qū)兩通道”的原則進(jìn)行內(nèi)部布局，呈中軸對(duì)稱的魚(yú)骨狀形式，如圖3所示。為直觀分析醫(yī)院內(nèi)部布局的合理性與實(shí)用性，設(shè)計(jì)人員利用BIM技術(shù)的3D漫游功能，多角度觀察整個(gè)醫(yī)院內(nèi)部布局，全方位分析其合理性，并根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)內(nèi)部空間布局進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，優(yōu)化后的雷神山醫(yī)院內(nèi)部格局如圖4所示。

圖3 “三區(qū)兩通道”內(nèi)部布局（圖片來(lái)源：全球知識(shí)雷鋒）

圖4 雷神山醫(yī)院內(nèi)部布局（圖片來(lái)源：中國(guó)暖通空調(diào)網(wǎng)）

2.1.4 BIM正向設(shè)計(jì)，縮短建設(shè)工期

為滿足醫(yī)療建設(shè)相關(guān)規(guī)范對(duì)醫(yī)技樓開(kāi)間大小和凈高尺寸的要求，“兩山”項(xiàng)目中醫(yī)技樓均采用了鋼框架結(jié)構(gòu)。鋼框架結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)建設(shè)流程：基于二維圖紙的設(shè)計(jì)—翻模分析計(jì)算—繪制施工圖—施工單位繪制加工詳圖—設(shè)計(jì)院認(rèn)可—工廠加工—現(xiàn)場(chǎng)拼裝。顯然，該模式不適用于“與時(shí)間賽跑”的“兩山”項(xiàng)目。為此，設(shè)計(jì)人員對(duì)醫(yī)技樓進(jìn)行了BIM正向設(shè)計(jì)，優(yōu)化了其建設(shè)流程。通過(guò)TAKLA建模（選擇該軟件的原因：一是該軟件搭建的模型可直接導(dǎo)入MIDAS等有限元分析計(jì)算軟件；二是該軟件可直接導(dǎo)出構(gòu)件加工詳圖），將建設(shè)流程優(yōu)化為：TAKLA建?！狹IDAS結(jié)構(gòu)驗(yàn)算—導(dǎo)出施工圖—導(dǎo)出加工詳圖—工廠加工—現(xiàn)場(chǎng)拼裝。不僅實(shí)現(xiàn)了“先建模，后出圖”的目標(biāo)，保證了模型與圖紙的一致性，而且加強(qiáng)了設(shè)計(jì)、施工及構(gòu)件生產(chǎn)三方的協(xié)作，幾乎同步完成了結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、施工圖導(dǎo)出和加工詳圖導(dǎo)出工作，大幅縮短了建設(shè)工期，為項(xiàng)目如期交付提供了保障。

2.2 BIM技術(shù)在構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用

“兩山”醫(yī)院建設(shè)期間，千萬(wàn)“云監(jiān)工”看到的是施工現(xiàn)場(chǎng)忙碌的身影，看不到的是構(gòu)件生產(chǎn)廠的日夜奮戰(zhàn)。為加快施工進(jìn)度，需在工廠加工完成鋼結(jié)構(gòu)主體、集裝箱式活動(dòng)板房等相關(guān)構(gòu)件后，直接運(yùn)往施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配施工。而時(shí)值春節(jié)假期，大批工廠放假，工人返鄉(xiāng)，構(gòu)件加工成為了項(xiàng)目建設(shè)中的一個(gè)“攔路虎”。

為成功消滅這一“攔路虎”，實(shí)現(xiàn)“用有限的工人加工大量的構(gòu)件”的目標(biāo)，構(gòu)件生產(chǎn)單位將BIM技術(shù)與數(shù)字化加工集成起來(lái)。調(diào)用BIM模型后先將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字模型，再根據(jù)該數(shù)字模型進(jìn)行數(shù)字化加工。BIM與數(shù)字化加工“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手”，提高了生產(chǎn)效率，縮短了構(gòu)件生產(chǎn)時(shí)間。同時(shí)，構(gòu)件生產(chǎn)單位直接通過(guò)BIM模型導(dǎo)出構(gòu)件明細(xì)表，并據(jù)此進(jìn)行科學(xué)排產(chǎn)，深入挖掘自身潛力，優(yōu)化制約整體產(chǎn)能釋放的關(guān)鍵工序，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，最大幅度地縮短構(gòu)件生產(chǎn)加工時(shí)間，為“兩山”應(yīng)急項(xiàng)目的按期交付提供保障。

2.3 BIM技術(shù)在裝配施工中的應(yīng)用

2.3.1 BIM全過(guò)程優(yōu)化，縮短施工工期

“兩山”醫(yī)院建設(shè)中，首先通過(guò)BIM施工模擬，對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)裝配順序、集裝箱式活動(dòng)板房吊裝次序以及施工機(jī)械走行路線的合理性進(jìn)行了分析驗(yàn)證，確保了施工技術(shù)的可行性和合理性。此外，通過(guò)基于BIM技術(shù)的虛擬漫游，對(duì)挖掘機(jī)、推土機(jī)、起重機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備的布置情況進(jìn)行了分析，優(yōu)化了施工現(xiàn)場(chǎng)平面布置，最大程度地減少了因大型機(jī)械設(shè)備安置不合理而造成的現(xiàn)場(chǎng)擁堵、窩工等問(wèn)題。最后，利用BIM技術(shù)進(jìn)行可視化交底，通過(guò)三維模型將施工技術(shù)有效地傳遞給施工人員，使施工人員直觀、清晰地了解施工要點(diǎn)，從而確保裝配施工中無(wú)差錯(cuò)、無(wú)返工。BIM全過(guò)程模擬，優(yōu)化了施工方案，改善了交底效果，縮短了施工工期。

2.3.2 BIM深化設(shè)計(jì)，輔助施工優(yōu)化

①BIM管網(wǎng)優(yōu)化，輔助“跳倉(cāng)法”施工

雷神山醫(yī)院原設(shè)計(jì)方案中每個(gè)病區(qū)之間均布設(shè)有雨、污、廢管線，若按該方案施工，不僅需要場(chǎng)內(nèi)大面積開(kāi)挖，而且嚴(yán)重干擾集裝箱式房吊裝工作，降低施工效率。為此，通過(guò)BIM深化設(shè)計(jì)，按“隔一設(shè)一”的原則優(yōu)化管道布設(shè)，合并多余管道（圖5），輔助室外管網(wǎng)“跳倉(cāng)法”施工。最終，為箱式房吊裝作業(yè)提供了足夠的工作場(chǎng)地，減少了現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖工作量，降低了施工機(jī)械投入。

圖5 室外管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖片來(lái)源：作者自繪）

②BIM基礎(chǔ)優(yōu)化，加快施工進(jìn)度

為簡(jiǎn)化施工工藝，加快施工進(jìn)度，雷神山醫(yī)院還進(jìn)行了BIM基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化，將原設(shè)計(jì)方案中的混凝土基礎(chǔ)優(yōu)化為“混凝土條基+鋼結(jié)構(gòu)”組合式基礎(chǔ)，即外部采用混凝土條基、內(nèi)部采用梅花形布置H型鋼基礎(chǔ)。通過(guò)基礎(chǔ)形式優(yōu)化，不僅提高了施工速度，而且減少了工程量，降低了施工成本，此項(xiàng)共減少混凝土條基22576m（共計(jì)3387m3混凝土），減少管道穿孔1036個(gè)，減少勞動(dòng)力投入約200人。

③BIM屋頂優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)快速施工

雷神山醫(yī)院項(xiàng)目原設(shè)計(jì)方案中采用鋼結(jié)構(gòu)屋頂，該類屋頂不僅存在自重大、工藝復(fù)雜、應(yīng)變性較差等一系列缺點(diǎn)，而且需要提前定制加工，施工周期較長(zhǎng)，很顯然不符合雷神山醫(yī)院“時(shí)間就是生命”項(xiàng)目要求。為此，通過(guò)BIM優(yōu)化，設(shè)計(jì)了鋼管+彩鋼瓦組合式屋頂，如圖6所示。該屋頂以鋼管（支撐架體）和槽鋼（檁條）為屋頂支撐體系，以彩鋼瓦為屋面板，并通過(guò)在四周設(shè)置纜風(fēng)繩予以加固，四措并舉，不僅滿足了屋面的功能要求，而且實(shí)現(xiàn)了快速施工的目的。

圖6 鋼管+彩鋼瓦組合式屋頂BIM設(shè)計(jì)圖（圖片來(lái)源：李文建等.武漢雷神山醫(yī)院項(xiàng)目施工階段BIM應(yīng)用［J］.第九屆“龍圖杯”全國(guó)BIM大賽獲獎(jiǎng)工程應(yīng)用文集.228-233）

2.3.3 BIM信息化施工管理，提升管理水平

“兩山”項(xiàng)目均采用了基于BIM的信息化施工管理，通過(guò)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，實(shí)現(xiàn)了高效聯(lián)動(dòng)作戰(zhàn)，確?，F(xiàn)場(chǎng)幾十道工序齊頭并進(jìn)，近千臺(tái)各種大型機(jī)械設(shè)備和幾千名工人有序作業(yè)，各道工序有序銜接、無(wú)縫對(duì)接。

①BIM-QR系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)高效建造

“兩山”項(xiàng)目中涉及大量的鋼結(jié)構(gòu)施工，施工工藝復(fù)雜，施工組織協(xié)調(diào)難度大。為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，施工單位自主研發(fā)了“BIM-QR系統(tǒng)”，其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。BIM-QR系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了原料采購(gòu)、構(gòu)件生產(chǎn)、構(gòu)件運(yùn)輸和質(zhì)量驗(yàn)收全過(guò)程信息化管理，大幅提升了精細(xì)化管理水平。

圖7 BIM-QR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

②起重荷載計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地基承載力“速算”

為確?！皟缮健表?xiàng)目按期交付，近千臺(tái)各種大型機(jī)械設(shè)備和運(yùn)輸車輛需同時(shí)進(jìn)場(chǎng)，這對(duì)地基承載力提出了很大挑戰(zhàn)。為檢核地基承載力是否滿足要求，施工單位研發(fā)了“輪式及履帶式起重機(jī)行走及起重荷載計(jì)算系統(tǒng)”，僅用1天時(shí)間就算出了汽車吊、履帶吊的行走和吊裝作業(yè)時(shí)的地基承載力，為機(jī)械能否進(jìn)場(chǎng)作業(yè)給出了明確的“答復(fù)”。

③智能化物流管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集裝箱全過(guò)程信息跟蹤管理

項(xiàng)目部針對(duì)集裝箱式房安裝環(huán)節(jié)自主研發(fā)了“基于BIM的智能化物流管理系統(tǒng)”。該系統(tǒng)以BIM技術(shù)為核心，綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，通過(guò)信息錄入、查詢管理、入庫(kù)檢查與審核、現(xiàn)場(chǎng)吊裝管理等方式，完成集裝箱式房數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、信息交互和智能分析等工作，實(shí)現(xiàn)“深化設(shè)計(jì)—下單管理—工廠生產(chǎn)—物流運(yùn)輸—入場(chǎng)跟蹤—質(zhì)量驗(yàn)收—安裝管理”全過(guò)程的信息跟蹤管理。該系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，完成了BIM技術(shù)與集裝箱調(diào)度管理的深度融合，有效促進(jìn)了集裝箱式房快速安裝，僅用72小時(shí)就將火神山醫(yī)院1832個(gè)箱式房安裝到位。同時(shí)，雷神山醫(yī)院3700余個(gè)集裝箱也在短時(shí)間內(nèi)安裝完畢。

3 “BIM+裝配式”在火神山、雷神山項(xiàng)目中的應(yīng)用效益分析

3.1 BIM技術(shù)多維度服務(wù)裝配式建筑，大幅縮短了施工工期

“兩山”醫(yī)院的迅速建成，向全世界展示了“中國(guó)速度”。而“中國(guó)速度”的背后，是BIM技術(shù)與裝配式鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)有力的支撐?！皟缮健表?xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，BIM技術(shù)“身兼數(shù)職”，從提高設(shè)計(jì)效率、加快構(gòu)件生產(chǎn)速度、提高裝配施工效率三個(gè)維度服務(wù)裝配式鋼結(jié)構(gòu)，大幅度縮短了施工工期，最終確保了項(xiàng)目的按期交付，為全國(guó)抗擊新冠肺炎疫情爭(zhēng)取了戰(zhàn)略主動(dòng)。

3.2 項(xiàng)目全過(guò)程BIM技術(shù)應(yīng)用，有效降低了建設(shè)成本

“兩山”項(xiàng)目涉及大量的資金投入，且由于工期極端緊迫，以目前的工程管理水平，很難有效地控制項(xiàng)目投資。而B(niǎo)IM技術(shù)全過(guò)程應(yīng)用，從根源上杜絕了這一問(wèn)題的出現(xiàn)。首先，基于BIM技術(shù)的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，減少了設(shè)計(jì)中表達(dá)模糊、構(gòu)件碰撞等問(wèn)題，降低了設(shè)計(jì)變更帶來(lái)的額外支出。此外，基于BIM技術(shù)的施工模擬，優(yōu)化了施工方案，確保裝配施工過(guò)程中無(wú)差錯(cuò)、無(wú)返工。第三，智能化施工管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控建設(shè)過(guò)程的每個(gè)環(huán)節(jié)，保證建筑材料性能發(fā)揮到最佳狀態(tài)，有效降低了建筑材料的損耗，提高了資金使用效率，降低了工程建設(shè)成本。

3.3 基于BIM技術(shù)的項(xiàng)目管理，實(shí)現(xiàn)建設(shè)質(zhì)量的有效管控

“兩山”醫(yī)院為應(yīng)急呼吸系統(tǒng)傳染病醫(yī)院，建設(shè)質(zhì)量絕不允許有任何問(wèn)題。為此，項(xiàng)目管理方自主研發(fā)了基于BIM技術(shù)的協(xié)同管理平臺(tái)，打通了項(xiàng)目參建各方的信息壁壘，將傳統(tǒng)“串行模式”轉(zhuǎn)變?yōu)橐訠IM模型為中心的“并行模式”。從項(xiàng)目全生命周期的角度出發(fā)，實(shí)時(shí)監(jiān)控項(xiàng)目設(shè)計(jì)信息、采購(gòu)信息和施工信息，將片面的結(jié)果控制轉(zhuǎn)變成了全方位的過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建設(shè)質(zhì)量的有效管控，有效保障了“三邊工程”（邊勘測(cè)、邊設(shè)計(jì)、邊施工）的建設(shè)質(zhì)量。

4 結(jié)論與展望

“兩山”項(xiàng)目的迅速建成，充分展現(xiàn)了“BIM+裝配式”的優(yōu)勢(shì)，裝配式建筑因“工廠化程度高”而大幅度縮短了施工工期，BIM技術(shù)則從提高設(shè)計(jì)效率、加快構(gòu)件生產(chǎn)速度、縮短裝配施工時(shí)間三個(gè)維度服務(wù)于裝配式建筑。二者相輔相成，構(gòu)成互補(bǔ)，最終確保了“三邊工程”的順利實(shí)施，創(chuàng)造了令全世界驚嘆的“中國(guó)速度”。但是，二者目前尚未達(dá)到“可產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)”的深度融合，未來(lái)，還需繼續(xù)探索促進(jìn)BIM技術(shù)與裝配式建筑深度融合的途徑，進(jìn)一步提高BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用價(jià)值，以有效助推裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。