基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工場地布置及評估

崔維華

(中鐵十四局集團第五工程有限公司 山東濟寧 272100)

1 引言

建筑信息模型(BIM)技術(shù)通過對裝配式構(gòu)件的數(shù)字表達，協(xié)調(diào)各相關(guān)方工作及信息共享，實現(xiàn)施工過程的數(shù)字化和信息化，在項目全生命周期中輔助工程人員作出決策。施工場地的現(xiàn)場布置通常隨著時間的推進動態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)項目施工的具體需要[1－2]?；诮ㄖ畔⒛Ｐ?BIM)技術(shù)信息集成的數(shù)據(jù)共享理念，利用豐富的參數(shù)化數(shù)據(jù)信息模型、動態(tài)模擬、碰撞檢測等功能為施工場地的優(yōu)化布置決策提供有益的數(shù)據(jù)支持[3]。

相比于傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，裝配式建筑的施工過程集中在預(yù)制構(gòu)件的吊裝，強調(diào)塔吊布置、交通道路規(guī)劃及堆場布置。預(yù)制構(gòu)件的吊裝過程精度高、關(guān)聯(lián)性密切，從施工現(xiàn)場場地管理的角度出發(fā)，在時間控制和空間布置上都需要更為精準的控制和更為嚴苛的要求[4]。施工場地是施工過程中物資資源集中調(diào)配的中心，傳統(tǒng)二維模式的場地布置通?；趫D紙作出規(guī)劃，缺乏可視化的碰撞檢測和集成施工過程信息的數(shù)字模型，對布置的合理性和科學性缺乏定量的評判指標，因此造成施工工序沖突、資源調(diào)配混亂，以致于影響施工進度和工期[5－6]。

自從2010年以來，中國逐漸大力推廣綠色裝配化施工，國內(nèi)學者相繼提出了BIM技術(shù)和裝配式建筑的適應(yīng)性問題。王愛領(lǐng)等[7]基于預(yù)制裝配式建筑在我國的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景，指出裝配式建筑中應(yīng)用BIM技術(shù)可以有效提高其施工效率；李亞萍等[8]基于BIM技術(shù)研究了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)業(yè)化施工中應(yīng)用，并在裝配式工程實際中進行了有益嘗試；張建平等[9]研發(fā)了4D建筑施工現(xiàn)場管理系統(tǒng)4D-CSMS，實時演示施工過程和場地狀況，實現(xiàn)了三維施工場地布置，提供了更為精細的施工設(shè)施的動態(tài)管理；楊彬等[10]基于BIM信息模型，考慮了施工場地的動態(tài)布置，對空間沖突指標進行了量化分析，并結(jié)合其他指標提出了布置方案的評選方法。

目前，BIM應(yīng)用在裝配式建筑主要涉及到深化設(shè)計及施工過程的應(yīng)用，而對于施工場地的布置問題缺乏足夠的重視，對優(yōu)化評價指標及方法的研究較少[11－12]。相關(guān)場地布置的研究從靜態(tài)發(fā)展到動態(tài)優(yōu)化評估，但目前缺乏更加合理完善的評價優(yōu)化指標，現(xiàn)階段施工場地的優(yōu)化布置研究，缺乏能夠支持量化的、動態(tài)的施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息[13]?；趪鴥?nèi)外研究進展，本文依托中國鐵建海語城C地塊裝配式建筑工程，應(yīng)用BIM技術(shù)動態(tài)地對裝配式建筑施工場地優(yōu)化布置的控制因素進行定量的分析，以確定最優(yōu)的場地布置方案。

2 工程概況

中國鐵建海語城(紅島)C地塊項目位于青島市城陽區(qū)紅島街道田海路三支路與聚賢橋路的交匯處。C地塊建筑面積40 479.18 m2，地上面積27 280.44 m2，地下面積13 198.74 m2。其中包含2類高層區(qū)共4棟主樓，即C1棟和C3棟為地上16層，地下1層，建筑高度為47.95 m；C2棟和C5棟為地上18層，地下2層，建筑高度為53.85 m。結(jié)構(gòu)類型為剪力墻。地上結(jié)構(gòu)形式均為裝配式。

以建立的裝配式剪力墻混凝土結(jié)構(gòu)工程為例，見圖1所示，模型長度約為33 m，寬度約為16 m。本工程考慮4棟單體裝配式建筑同時進行吊裝，采用儲存吊裝法，按照場地儲存1～2層的構(gòu)配件容量考慮。外墻設(shè)計為預(yù)制剪力墻，采用套筒灌漿方式連接，內(nèi)墻、梁、樓板、樓梯及陽臺板也均為預(yù)制，連接節(jié)點采用現(xiàn)澆。標準層完整周期從N-1層樓板鋼筋、模板工程及樓板混凝土澆筑開始，到N層的預(yù)制疊合板吊裝完成為止，包括混凝土澆筑、預(yù)制剪力墻吊裝、預(yù)制梁吊裝、預(yù)制樓梯吊裝、疊合板吊裝、預(yù)制陽臺板吊裝、鋼筋模板工程及澆筑工程等主要工序。

圖1 剪力墻結(jié)構(gòu)BIM模型

3 施工場地布置動態(tài)BIM模型建立

BIM技術(shù)的三維可視化布置使得施工現(xiàn)場的布置更加直觀，從裝配式建筑構(gòu)件族庫中載入相關(guān)的族，以及鏈接創(chuàng)建好的建筑單體Revit模型，集成各專業(yè)模型并形成施工場地模型。針對預(yù)制裝配化建筑施工的精細化特點，施工場地布置按照工序依次布置[14]:塔式起重機的位置確定、預(yù)制構(gòu)件及臨時設(shè)施分類布置、配套輔助設(shè)施布置、場內(nèi)交通道路規(guī)劃，在全面動態(tài)過程的裝配式施工場地BIM模型信息基礎(chǔ)上，進一步地定量分析、計算及方案比選。

3.1 建筑施工場地的創(chuàng)建

依賴BIM軟件強大的可視化功能，導(dǎo)入施工場區(qū)的GIS地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)中的坐標點和高程點，創(chuàng)建平面和曲面地形，以模擬真實狀態(tài)下的場地地形，隨后導(dǎo)入Revit軟件創(chuàng)建的建筑物模型，在場地中策劃各個建筑物的布置和展示。

3.2 垂直運輸機械的合理選用、定位

起重設(shè)備對施工效率的影響大，租賃費用高，因此，在施工前應(yīng)充分考慮其型號及安裝位置。在預(yù)制裝配式建筑施工過程中，預(yù)制墻、板、梁、柱等結(jié)構(gòu)，自重較大、尺寸各異，需要選擇適當?shù)拇怪边\輸機械才能保證構(gòu)件的運輸和安裝。按照建筑物體形、空間尺寸確定吊裝機械的類別、起重機的數(shù)量、起吊幅度和吊鉤高度；進一步地，根據(jù)對預(yù)制構(gòu)件及輔助機械設(shè)備的統(tǒng)計分析確定塔式起重機的起重量和起重力矩，最終從族中選擇塔式起重機型號。

由于塔式起重機的起重能力大，因此需要采用較深和較大的基礎(chǔ)確保其穩(wěn)固。為避免與地下室的施工造成矛盾，在塔式起重機布置時，應(yīng)保證其基礎(chǔ)與地下室外邊線有一定的富余距離。此外，場地存在多臺塔式起重機時，應(yīng)保證相互之間工作時不存在干擾和交叉，與周邊建筑在立面和平面上都存在安全距離。

3.3 預(yù)制構(gòu)件及臨時構(gòu)配件布置

預(yù)制構(gòu)件及臨時構(gòu)配件通常按照1～2層的原則堆放，堆放區(qū)的布置要點如下:

(1)盡量縮短預(yù)制構(gòu)件堆放點與主體建筑間的距離，同時保證預(yù)制構(gòu)件便于運輸，將其放置于臨時道路一側(cè)。

(2)對于數(shù)量多、大尺度及重型構(gòu)件的堆放區(qū)宜根據(jù)塔吊位置就近布置確定，如墻板、樓板、樓梯等；屋面板、陽臺、空調(diào)板及預(yù)制構(gòu)件輔助安裝設(shè)備等，一般沿建筑物堆放在偏外側(cè)的區(qū)域。

(3)構(gòu)件、相關(guān)設(shè)備應(yīng)布置在吊裝機械有效作用半徑范圍以內(nèi)，避免吊裝機械空駛和負荷行駛。

(4)臨時材料堆放視現(xiàn)場具體情況而定，充分利用建筑物兩端空地及吊裝機械有效工作半徑范圍內(nèi)的其他空地。

3.4 道路運輸布置

施工場地四周要設(shè)置成單向進出或循環(huán)道路，一般寬約為4～6 m，路面要求平整、堅實，兩旁要設(shè)置排水溝[15]。

由主體工程工期要求、規(guī)模以及預(yù)制構(gòu)件種類、數(shù)量、最遠吊距、最大起吊重量等因素確定吊裝機械設(shè)備的型號參數(shù)，并復(fù)核場內(nèi)堆場位置是否能滿足塔吊吊裝范圍及吊裝能力。根據(jù)吊裝機械布置，準確地劃分預(yù)制構(gòu)件堆場、臨時設(shè)備及材料位置等。場地道路的運輸車輛包括預(yù)制構(gòu)件運輸車、砼車、泵車、材料運輸車，依據(jù)施工進度計劃編制的材料供給、勞動力配備、設(shè)備機械供應(yīng)等需求信息，規(guī)劃車輛的運輸路線、進出場順序、臨時停放區(qū)域，制定運輸車輛關(guān)鍵路線。場地布置BIM模型建立的一般流程如圖2所示。

圖2 BIM施工場地建模流程

4 方案評估流程與方法

4.1 方案評估流程

BIM模型提供了各個階段的建筑設(shè)施數(shù)字化數(shù)據(jù)信息，提取BIM模型的數(shù)據(jù)構(gòu)建優(yōu)化參數(shù)指標是進行方案評估的關(guān)鍵工作?；贐IM模型能快速方便地提取建筑信息模型中構(gòu)件的屬性信息數(shù)據(jù)，根據(jù)BIM中信息進行分類，并進行工程量及成本等技術(shù)指標的統(tǒng)計及計算。為了能對整個施工過程進行動態(tài)的優(yōu)化評估，針對裝配式結(jié)構(gòu)特點按照構(gòu)件安裝順序進行階段劃分，以劃分的主要控制施工工序，分階段地提取相關(guān)優(yōu)化指標。

通過對裝配式剪力墻信息模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，統(tǒng)計計算施工現(xiàn)場布置的技術(shù)指標值，并基于數(shù)據(jù)分析方法對現(xiàn)場布置提出優(yōu)化改進方案?；贐IM的裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)施工場地優(yōu)化布置方法，其步驟包括如下:

(1)施工過程動態(tài)劃分。在整個工程建設(shè)過程中，建筑場地的平面布置并非是一成不變的，而是隨著建造的進程而動態(tài)變化的。針對裝配式剪力墻建筑施工的特殊性，大致可以將其標準層的結(jié)構(gòu)吊裝過程細分為5個分項，即預(yù)制剪力墻、預(yù)制混凝土梁、預(yù)制樓梯和陽臺、預(yù)制混凝土板、鋼筋和模板工程。

(2)技術(shù)指標的確定。評估裝配式剪力墻建筑的施工場地布置的優(yōu)劣，最為主要的考核指標有6個:第一個為安全性指標，在模型中，根據(jù)安全設(shè)備、消防設(shè)施和管線排布等各個方面給出綜合安全評定分數(shù)，將安全性指標定量化；第二個為場地利用率指標，即在BIM場地平面布置模型中，統(tǒng)計出施工設(shè)施占用面積和施工用地凈面積，計算兩者的比值進行量化場地利用率；第三個為施工成本指標，主要考慮勞動力費用、材料費用、設(shè)備費用和二次轉(zhuǎn)運費用等，可以通過施工場地模型導(dǎo)入造價定額，采用BIM模型的自動化工程量統(tǒng)計，將各種費用進行成本核算；第四個為施工效率指標，主要考慮構(gòu)件的吊裝時間和吊裝距離，可以通過施工場地模型中起重設(shè)備的工作性能參數(shù)、起吊點與起吊高度、轉(zhuǎn)運距離等信息，關(guān)聯(lián)Project的施工時間得到；第五個為二次轉(zhuǎn)運次數(shù)指標，主要考慮塔吊工作半徑之外材料及設(shè)備的二次搬運；第六個為空間沖突指標，考慮現(xiàn)場塔吊、移動車輛及設(shè)備之間的空間位置碰撞沖突和空間安全沖突檢測。

(3)基于BIM模型的技術(shù)指標提取。依靠應(yīng)用接口對BIM模型中的數(shù)據(jù)進行提取和統(tǒng)計，包括元素ID、坐標值及幾何參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的提取包含了裝配式建筑各個構(gòu)件的參數(shù)化信息、工程量明細表、臨建設(shè)施與道路和塔吊之間的空間距離等；指標統(tǒng)計模塊則對相應(yīng)不同分項工程的技術(shù)指標值進行計算。

(4)建立方案參數(shù)序列的評估矩陣。根據(jù)BIM模型的指標統(tǒng)計模塊計算的技術(shù)指標數(shù)值，由此建立各分項工程的多方案技術(shù)指標評估矩陣，求取各個方案的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(5)確定優(yōu)化技術(shù)指標。由各個方案的關(guān)聯(lián)系數(shù)和各技術(shù)指標的權(quán)重系數(shù)得到關(guān)聯(lián)度，并對其進行大小排序，以此判斷各分項工程的最優(yōu)方案排序，確定場地布置方案需優(yōu)化調(diào)整的技術(shù)指標。

(6)方案調(diào)整及改進?；谟嬎憬Y(jié)果，對關(guān)聯(lián)度矩陣元素值較小方案指標，對應(yīng)BIM模型進行局部定向調(diào)整。

(7)確定場地布置動態(tài)最優(yōu)方案。根據(jù)BIM模型的優(yōu)化模塊調(diào)整之后的方案，重新進入步驟(3)、(4)、(5)、(6)進行迭代計算，直到計算結(jié)果收斂，即為各個分項工程的最優(yōu)方案，同時取各分項工程最優(yōu)方案組成施工現(xiàn)場布置方案最優(yōu)組合。

4.2 比選方案的確定

圖3為場地布置BIM模型，計劃工期為6 d吊裝一層。

圖3 裝配式剪力墻混凝土結(jié)構(gòu)實例

(1)第1天上午進行樓板鋼筋檢查及樓板降板模板工程。下午13點開始進行第N-1層混凝土澆筑，混凝土總量約為180 m3，計劃澆筑時間約為7 h。晚上20:00點結(jié)束。

(2)第2天從上午6點開始進行第N層的施工測量放線以及監(jiān)理驗線工作，計劃用時4 h，10點結(jié)束。放出軸線、輪廓線，要求所放墨線寬度不宜超過1 mm。

(3)7點開始進行預(yù)制剪力墻吊裝前的準備工作，包括吊具檢查、支撐預(yù)埋件檢查、鋼筋位置確認調(diào)整工作，計劃用時3 h，10點結(jié)束。

(4)第2天上午10點開始進行預(yù)制剪力墻吊裝工作，每塊預(yù)制剪力墻吊裝計劃用時20 min，共30塊墻板，合計10 h，下午19點結(jié)束。如果未完成可以考慮在第3天上午6點到9點進行吊裝。

(5)第3天上午6點開始進行預(yù)制剪力墻底模板封堵工作，每塊預(yù)制剪力墻墻板封堵計劃用時8 min，共30塊，共需4 h，10點完成。第3天下午13點開始預(yù)制梁支撐組裝，下午18點結(jié)束。

(6)第3天上午10點開始進行預(yù)制剪力墻套筒灌漿工作，每塊預(yù)制剪力墻灌漿計劃用時12 min，共30塊墻板，共需6 h，下午17點完成。

(7)預(yù)制現(xiàn)澆結(jié)合部鋼筋綁扎，可在不影響灌漿工作同時進行。

(8)第4天上午6點開始進行預(yù)制疊合樓板支撐的組裝及板底找平工作，計劃用時6 h，12點完成。同時，進行內(nèi)墻模板合模工作。第4天上午6點進行預(yù)制梁吊裝工作，每塊預(yù)制梁吊裝計劃用時15 min，共13塊梁，上午9點吊裝完成；第4天下午13點開始進行預(yù)制樓的吊裝工作，每塊預(yù)制樓梯吊裝計劃用時20 min，共4塊，下午15點完成。

(9)第5天上午6點開始進行預(yù)制疊合樓板吊裝工作，每塊預(yù)制疊合板吊裝計劃用時20 min，共30塊疊合板，共需10 h，下午17點完成。

(10)第6天上午6點開始進行預(yù)制陽臺板吊裝、預(yù)制疊合樓上部鋼筋綁扎以及線管預(yù)埋工作，計劃下午18點完成。

綜合工期計劃以及建設(shè)內(nèi)容，提出4種施工場地布置方案，如圖4所示。

圖4 施工場地布置比選方案

4.3 方案的評估

本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對施工場地布置方案進行評估。

首先，建立裝配式建筑的BIM模型信息，根據(jù)施工進度計劃表，結(jié)合構(gòu)件編號編制預(yù)制構(gòu)件進場順序、吊裝及澆筑的進度計劃。

其次，結(jié)合各階段施工組織設(shè)計的相關(guān)要求，對場地進行布置，基于Revit軟件的Dynamo可視化編程工具提取模型的堆場、道路及臨時設(shè)施等圖元的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，包括編號、坐標、元素ID等。

第三，根據(jù)前文提及的塔吊布置方式，確定4種場地布置方案，并分別統(tǒng)計計算場地布置模型的安全、成本、吊裝效率及其他相關(guān)技術(shù)指標。其中對各安全技術(shù)指標進行綜合評分，成本考慮人員調(diào)配、材料運輸、機械設(shè)備布置及二次搬運費等，吊裝距離及時間根據(jù)現(xiàn)場預(yù)制構(gòu)件的吊裝路徑及塔吊特性統(tǒng)計計算。經(jīng)分析計算得到相關(guān)指標數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各方案技術(shù)指標值

最后，建立灰色關(guān)聯(lián)度分析模型，對裝配式建筑施工場地布置涉及安全、成本、吊裝等的6項指標進行綜合比較分析，確定評估矩陣作為參考序列，其中安全性為正向型指標，其他指標為逆向型指標，得到無量綱化矩陣Zij:

計算4個方案比較序列與參考數(shù)列對應(yīng)元素的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξij:

根據(jù)熵權(quán)理論計算得到各指標的權(quán)重W:

計算4個方案與參考序列的關(guān)聯(lián)度P:

P＝(0.766 35 0.632 01 0.723 80 0.658 94)

綜上所述，四個方案關(guān)聯(lián)度大小依次為P(A)>P(C)>P(D)>P(B)，故方案A為最優(yōu)方案。

5 結(jié)論

(1)相比傳統(tǒng)的二維平面施工現(xiàn)場場地的設(shè)計方法，裝配式建筑施工場地布置的BIM虛擬建造技術(shù)，結(jié)合了施工進度計劃表進行場地塔吊、堆場及道路的布置，通過調(diào)用裝配式構(gòu)件族庫族組資源，進行參數(shù)化建模，使得施工場地布置從可視性、精確度以及效率上都得到很大的改進。

(2)從裝配式建筑吊裝的施工特點出發(fā)，提出了評價場地布置方案的技術(shù)指標，由BIM模型統(tǒng)計計算了各優(yōu)化指標值，對量化了的各技術(shù)指標，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析模型可確定最優(yōu)布置方案，整個評估優(yōu)化過程基于參數(shù)化BIM模型，數(shù)據(jù)分析程序化，分析方法更準確、可靠。