BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用

張韓，梁勇，劉磊，戴錦陽

(1.嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船建分院, 浙江 嘉興 314003；2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 河北 唐山 063210)

引言

近年來，建筑行業(yè)不斷由傳統(tǒng)建筑向綠色建筑轉(zhuǎn)變，以實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的[1]。為響應(yīng)國家號召，越來越多的企業(yè)運用裝配式技術(shù)，所以預(yù)制裝配式建筑逐漸成為國內(nèi)的焦點，國家和地方主管部門均在不同程度上倡導(dǎo)提升建筑的裝配率。

所謂裝配式建筑，不同于傳統(tǒng)建筑進行現(xiàn)場澆筑施工，而是在工廠進行加工預(yù)制構(gòu)件，包括預(yù)制墻、疊合樓板、預(yù)制樓梯、預(yù)制柱、預(yù)制梁等。具體來說就是在工廠加工好預(yù)制構(gòu)件后，運至施工現(xiàn)場進行吊裝拼接，完成搭接工作。所以重點為構(gòu)件生產(chǎn)、運輸作業(yè)及施工吊裝工藝。該種建筑形式既可節(jié)約人力和物力，又具有可持續(xù)發(fā)展性，符合國家綠色建筑的發(fā)展思路，從而實現(xiàn)節(jié)能減排的目的[2-4]。

1 BIM技術(shù)

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)的應(yīng)用不僅給傳統(tǒng)建筑施工、識圖帶來了方便，而且也為裝配式建筑的設(shè)計、生產(chǎn)和建造帶來了變革。BIM技術(shù)主要采用信息手段，整合建筑所有的信息，從設(shè)計、生產(chǎn)、施工到運營維護各個階段建立相關(guān)數(shù)據(jù)模型，適時提供相關(guān)信息，對建筑實體和各類功能特征進行數(shù)字化表達。另一方面，BIM技術(shù)可以實現(xiàn)不同階段不同部門數(shù)據(jù)的共享，使模型更具可視化、協(xié)調(diào)性、完備性、一致性和關(guān)聯(lián)性等特征，做到多部門聯(lián)合作業(yè)，節(jié)約時間，提高效率。

使用BIM技術(shù)的三維設(shè)計，可以對裝配式設(shè)計流程加以簡化，不僅具有普通結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果、預(yù)制構(gòu)件形式和加工詳圖，而且能夠?qū)⒃O(shè)計結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)制工廠生產(chǎn)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用生產(chǎn)出的構(gòu)件和設(shè)計的模型結(jié)果，安排好現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)裝配，實現(xiàn)全方位數(shù)字化的項目管理。

BIM技術(shù)主要利用相關(guān)軟件完成，常用軟件包括Revit、Navisworks、Microsoft ProjectLumion3D Max和BIM5D等。Revit軟件是最常用的三維建模軟件之一，不僅可以三維建筑建模，在結(jié)構(gòu)和機電方面可以協(xié)同進行作業(yè)，主要可以進行數(shù)據(jù)交換，建立和其他BIM軟件的聯(lián)系。Navisworks軟件的主要功能是管線、管線與建筑等之間的碰撞檢查，從而減少設(shè)計中人為主觀錯誤。而且顯示的碰撞檢查可以與Revit同步，實時修改，完善設(shè)計。Microsoft Project軟件是一個進度管理的軟件，主要進行目標時間、預(yù)算時間之間的對比，從而制定詳細的進度計劃，幫助項目經(jīng)理進行進度和成本的有效控制和分析，為縮短施工工期，減少成本，提供支撐依據(jù)。Lumion軟件和3D Max軟件主要體現(xiàn)渲染功能，以及適時導(dǎo)出高清效果的影響，為建設(shè)單位提供直觀的效果。BIM5D是在三維模型基礎(chǔ)上，從Revit導(dǎo)出相適應(yīng)的標準中間文件(IFC文件)，加以Microsoft Project進度文件[5]，構(gòu)成4D。最后倒入預(yù)算的成本文件，達到BIM5D，可以適時控制工程的目的。為甲乙雙方提供方便[6]。

2 BIM技術(shù)運用于裝配式建筑

2.1 數(shù)據(jù)管理

對于裝配式建筑不僅考慮施工簡單、節(jié)約，而且更重要的是施工以及生產(chǎn)構(gòu)件的精準度。為此，在構(gòu)件出廠前，務(wù)必保證其尺寸的精準，力求施工中的剛度和穩(wěn)定性。一般預(yù)制構(gòu)件設(shè)計好生產(chǎn)成型后，不得隨意開槽、開洞，這也是為安全性考慮。一旦設(shè)計修改，需要多張圖紙同時修改，工作量比較大，效率比較低，同時如果人工審圖修改，有可能會出現(xiàn)二次錯誤，準確性得不到保障。而利用BIM計算可以實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)，例如墻上的開洞套管、配筋可以在三維以及平面圖上協(xié)同修改(見圖1)，自動核實相關(guān)參數(shù)，具有可視化、效率高的特點。

圖1 剪力墻鋼筋布置

BIM的數(shù)據(jù)管理不僅體現(xiàn)在構(gòu)件生產(chǎn)過程中和校核精度過程中，而且在構(gòu)件的設(shè)計、現(xiàn)場吊裝以及運輸和后期運營過程中應(yīng)用也比較頻繁。數(shù)據(jù)的共享為施工中不同參與者提供了方便和協(xié)同。例如浙江錦蕭建筑科技有限公司生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件，在每個構(gòu)件上都貼有“二維碼”標簽，如圖2所示。將構(gòu)件信息輸入系統(tǒng)，方便參與方掃描二維碼得知相關(guān)構(gòu)件信息。通過參與方的掃描，不僅可以看到構(gòu)件的生產(chǎn)日期、制作人員、檢查人員，還可以得知構(gòu)件預(yù)留洞口的位置和所用的相關(guān)材料，以及構(gòu)件尺寸類型等。充分體現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，其便利性也與目前倡導(dǎo)的互聯(lián)網(wǎng)密切相關(guān)。

圖2 構(gòu)件上的二維碼

利用BIM技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享主要體現(xiàn)在模型轉(zhuǎn)化方面。利用BIM軟件進行模型設(shè)計，然后拆分成各個構(gòu)件單元，每個構(gòu)件信息都可以導(dǎo)入構(gòu)件生產(chǎn)工廠系統(tǒng)，依據(jù)信息尺寸要求進行生產(chǎn)，再運往施工現(xiàn)場，進行組配吊裝。在模型與實體轉(zhuǎn)化過程中，以BIM模型為信息載體，模擬施工現(xiàn)場，所以流程核心在信息模型的建立。

2.2 構(gòu)件的施工管理

裝配式建筑中包含不同的構(gòu)件，而且裝配結(jié)構(gòu)體系也不完全相同。在施工中應(yīng)做到各個構(gòu)件的相互配合，以及人員安全。施工實施主體在制定預(yù)制構(gòu)件吊裝總體流程時，應(yīng)正確領(lǐng)會各類結(jié)構(gòu)體系預(yù)制構(gòu)件的吊裝順序和吊裝要領(lǐng)，合理安排工期，做到預(yù)制構(gòu)件吊裝均衡化施工，實現(xiàn)現(xiàn)場施工設(shè)備和勞動力等資源的合理分配和優(yōu)化利用。

目前使用最多的施工工藝是在預(yù)制構(gòu)件中預(yù)埋鋼板或其他鋼部件的連接構(gòu)件，通過套筒灌漿、螺栓連接等方式達到各個構(gòu)件的連接。在吊裝連接過程中，主要還是節(jié)點部位的連接穩(wěn)定性問題。BIM技術(shù)建立的模型中，關(guān)于構(gòu)件的詳細信息均可查詢，重要的是可以模擬施工現(xiàn)場的拼接過程，避免事故發(fā)生。在吊裝模擬過程中，可以輸入構(gòu)件的數(shù)字化信息和提取的節(jié)點鏈接方式，在模擬吊裝過程中對連接的整體穩(wěn)定性分析、預(yù)留孔洞的位置精準度分析以及節(jié)點連接的合理性與安全性分析，可以發(fā)現(xiàn)問題和不足，實時調(diào)整構(gòu)件設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計方案。為人員吊裝提供依據(jù)，指導(dǎo)工作(見圖3)。

圖3 纜風(fēng)繩應(yīng)放置在疊合板正面

3案例應(yīng)用

該項目位于浙江省桐鄉(xiāng)市，為醫(yī)院遷建項目，包括門診樓、住院樓、醫(yī)技樓、傳染病樓等。本工程總用地面積20 076.84 m2，總占地面積4 922.60 m2，總建筑面積18 028.41 m2。其中地上建筑面積14 877.44 m2。項目為地方政府資金投資，裝配率較高，達60%以上。其結(jié)構(gòu)為預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，構(gòu)件裝配包括墻、柱、梁和樓板、樓梯等，實行工程生產(chǎn)、集體運輸、進行裝配一體化和信息管理。

該工程項目BIM實施策劃方案的編制，是以國家、省、市及地方現(xiàn)行規(guī)范、標準、規(guī)定、業(yè)主所提供設(shè)計圖紙、企業(yè)相關(guān)標準、文件及相關(guān)規(guī)定為依據(jù)，以業(yè)主滿意為目的，周密組織、精心指導(dǎo)，從而打造精品BIM工程。

該方案是對本工程目前掌握的情況所做出的總體策劃，由于是在開工前進行編制，在BIM實施到項目過程中如有變更或在過程中發(fā)現(xiàn)與實際不符或考慮不夠周全之處，將根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整和完善。整體架構(gòu)采用單機版BIM 5D平臺加云協(xié)同方式(見圖4)。

圖4 協(xié)作整體框架

通過在此裝配式建筑工程上運用BIM技術(shù)，獲得很多寶貴經(jīng)驗，提高了管理水平，可以為后續(xù)工程項目提供保障措施。

3.1 三維建模方面

該項目充分利用了BIM的三維可視效果，通過BIM技術(shù)的碰撞檢查和模擬建造過程，提前發(fā)現(xiàn)和解決一批技術(shù)難點，如管線碰撞、管線與建筑碰撞，保證了預(yù)制構(gòu)件的開洞、開槽的精準度，方便精準安裝。

通過revit軟件建立土建模型，將CAD圖導(dǎo)入revit軟件中進行建模時將自動生成立、剖面圖以及三維模型，可以將三維和平面對照進行優(yōu)化(見圖5、圖6)。

圖5 地下室BIM建模效果 圖6 地下室機電BIM建模效果

利用BIM技術(shù)進行綜合管線綜合排布，提前考慮管線穿過結(jié)構(gòu)孔洞預(yù)留數(shù)量、尺寸、定位等具體信息(見圖7)，并借助軟件實現(xiàn)對穿樓板、墻體套管的自動統(tǒng)計。

圖7 套管與開洞

綜合管線主要指利用BIM模型，通過BIM可視化、參數(shù)化的功能，配合甲方、設(shè)計方、施工方進行管線綜合，并根據(jù)需要出具二維深化圖紙。

基于BIM技術(shù)將所有建筑、結(jié)構(gòu)、機電整合在一個空間模型上，利用BIM軟件的沖突碰撞檢測功能，對碰撞點進行規(guī)范檢查，與結(jié)構(gòu)沖突部分提交設(shè)計，理論上實現(xiàn)完全消除機電專業(yè)管線間自身碰撞與其他部件碰撞的問題，減少設(shè)計變更及圖紙錯誤造成的返工(見圖8)。

圖8 碰撞優(yōu)化

3.2 進度控制方面

基于BIM5D平臺上，將進度文件和三維模型進行關(guān)聯(lián)，整合相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)，通過BIM協(xié)同平臺進行模擬建造，實時進行監(jiān)控、管理和統(tǒng)計，對整個工程不同的階段達到可視化的管理。在特定時間點上，可以考察項目進度與模擬建造的情況是否一致，也可以督促監(jiān)理和施工單位，實現(xiàn)實時了解項目進度的情況。其可視化結(jié)果如圖9所示。

圖9 三維模型與時間關(guān)聯(lián)后模擬建造過程

3.3 成本管理方面

在成本管理方面，仍然利用BIM5D平臺，將成本預(yù)算和合同預(yù)算文件導(dǎo)入，與三維模型進行清單匹配，可以根據(jù)時間段導(dǎo)出相應(yīng)的工程量、各階段價格，以及材料進場時間和數(shù)量，都可以準確把握，方便快捷，極大提高了工作效率。避免了材料或人工的浪費，充分利用流動資金。成本管理方面應(yīng)用最多的是三算對比，通過對比可以明確成本的利用情況，實時調(diào)整，避免了浪費，也帶來了客觀的經(jīng)濟效益(如表1～表4所示)。

表1 二層1段商品混凝土需用計劃

表2 二層2段商品混凝土需用計劃

表3 鋼筋需用計劃(部分)

表4 成本清單

3.4 移動端的運用

通過手機APP進行工程質(zhì)量及進度控制，更加客觀、直觀，便于管理層即時發(fā)現(xiàn)問題并進行遠程指揮。通過創(chuàng)建模擬巡檢，將施工過程中的即時質(zhì)量巡檢同模擬巡檢進行對比，相應(yīng)責(zé)任人對問題實行整改，實現(xiàn)對工程質(zhì)量的即時管控(見圖10)。

圖9 移動端APP-CCBIM

采用杭州品茗軟件公司開發(fā)VR產(chǎn)品(見圖11)，將BIM模型與VR技術(shù)結(jié)合，實景感受施工現(xiàn)場事故體驗，達到技術(shù)交底和安全教育的目的。

圖11 施工現(xiàn)場VR安全體驗

4結(jié)論

(1)以浙江桐鄉(xiāng)醫(yī)院遷建項目為例，介紹了BIM技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗。BIM技術(shù)在裝配式建筑中應(yīng)用與構(gòu)件生產(chǎn)和安裝十分適用，不僅能夠精準定義起尺寸，還可以為預(yù)留的孔洞和開槽等相關(guān)精細作業(yè)提前做好設(shè)計工作。

(2)通過可視化的三維模型與進度和成本的關(guān)聯(lián)，模擬建造過程可以直接反應(yīng)建造情況，從設(shè)計、生產(chǎn)到施工密切配合，為合理施工提供了保障和支持。