基于BIM 的預(yù)制構(gòu)件安裝施工技術(shù)研究

文／陸軍 廣州筑正工程建設(shè)管理有限公司 廣東廣州 510000

引言：

墻板是建筑工程當(dāng)中的重要組成部分，有效完成墻板安裝施工活動(dòng)，可提升整個(gè)建筑工程的建設(shè)質(zhì)量，有利于整個(gè)建筑的后續(xù)使用。傳統(tǒng)建筑墻板安裝施工時(shí)，只是簡(jiǎn)單對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行應(yīng)用，如施工二維圖紙的設(shè)計(jì)等，對(duì)墻板安裝施工具有一定幫助。然而隨著現(xiàn)代建筑工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，墻板安裝施工量逐漸增加，若依然采用常規(guī)施工工藝與技術(shù)，則會(huì)導(dǎo)致工程中經(jīng)常出現(xiàn)一些問題，影響工程的后續(xù)使用，而應(yīng)用BIM 技術(shù)后，則可有效改善這一情況。

1、BIM 技術(shù)概述

所謂的BIM 技術(shù)，指的是建筑信息模型技術(shù)，即根據(jù)建筑工程的具體情況，構(gòu)建出相應(yīng)的BIM 工程行，通過(guò)該模型將與工程相關(guān)的信息展示出來(lái)，以此為工程的建設(shè)提供支持。相對(duì)于傳統(tǒng)施工技術(shù)來(lái)說(shuō)，BIM 技術(shù)具備以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：（1）可視化。是BIM 最為基礎(chǔ)的特點(diǎn)，能夠構(gòu)建出三維、四維乃至更多維度的模型，該模型內(nèi)，包含了與工程項(xiàng)目相關(guān)的所有信息，任何參與單位通過(guò)對(duì)模型的觀察，均可對(duì)工程情況產(chǎn)生準(zhǔn)確的了解。（2）模擬性。在招投標(biāo)階段，可利用BIM 對(duì)整個(gè)工程的建設(shè)情況予以模擬，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題，并制定出相應(yīng)的優(yōu)化方案，以提升工程的建設(shè)質(zhì)量[1]。（3）協(xié)調(diào)性。現(xiàn)代建筑工程建設(shè)時(shí)，通常由諸多單位共同參與，各單位完成不同的工作，確保各參與單位間有效交流與溝通，能夠?yàn)楣こ痰慕ㄔO(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。施工方案設(shè)計(jì)時(shí)，各參與單位可根據(jù)本專業(yè)項(xiàng)目的特點(diǎn)，對(duì)BIM 模型做出適當(dāng)調(diào)整，判斷各專業(yè)施工方案是否存在沖突，防止后續(xù)出現(xiàn)工程變更的問題。施工時(shí)，可動(dòng)態(tài)將各專業(yè)的施工情況展示出來(lái)，有利于后續(xù)施工任務(wù)的安排。（4）可出圖。根據(jù)工程施工需求，可將BIM 模型轉(zhuǎn)化成圖紙、工程量清單等，以此為工程的建設(shè)提供支持。

2、某工程概述

本次研究當(dāng)中，主要采用了某項(xiàng)目，建設(shè)用地面積為138490 m2，總建筑面積為39 萬(wàn)m2，包含23 棟單體住宅及2 棟幼兒園、1 棟物業(yè)及養(yǎng)老用房、1 棟物業(yè)管理用房、4 棟配電室，住宅單體高度82m，采用裝配式整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系，預(yù)制裝配率50%，裝配式建筑實(shí)施面積23萬(wàn)m2。由于工程規(guī)模較大，為了縮短施工周期，建設(shè)單位擬采用裝配式施工方案，并配合BIM 技術(shù)。該項(xiàng)目三維模擬圖如圖1 所示。

圖1 某工程三維模擬圖

3、基于BIM 的預(yù)制墻板安裝施工技術(shù)

3.1 建模流程

該工程建設(shè)過(guò)程中，采用了裝配式結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件施工工藝，由于工程規(guī)模較大，內(nèi)部涉及眾多預(yù)制構(gòu)件，且建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使得工程施工難度較高，很容易受到各方面因素的影響而出現(xiàn)質(zhì)量問題，不利于工程的后續(xù)使用。為了保證工程的施工質(zhì)量，項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，對(duì)BIM 技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用?，F(xiàn)代建筑工程領(lǐng)域，存在多種不同類型的BIM 軟件，通過(guò)對(duì)各種BIM 軟件的對(duì)比，結(jié)合本項(xiàng)目的建設(shè)需求，最終采用了兩種BIM 軟件：Autodest Revit與Navisworks Managemene。在Autodest Revit 當(dāng)中，是以常規(guī)CAD 軟件為基礎(chǔ)開發(fā)出來(lái)的，但相對(duì)于CAD軟件來(lái)說(shuō)，該軟件功能更加完善，并非利用簡(jiǎn)單的“點(diǎn)”、“線”、“面”繪圖，二是通過(guò)不同的“族”構(gòu)建出構(gòu)件模型，使得模型更加清晰與直觀。同時(shí)，該軟件構(gòu)建出建筑模型后，可自動(dòng)傳輸給Navisworks Managemene 軟件，由該軟件對(duì)模型予以深層次處理，具體流程如圖2 所示[2]。

圖2 BIM 應(yīng)用流程圖

3.2 預(yù)制墻板的參數(shù)化建模

3.2.1 預(yù)制構(gòu)件族文件的參數(shù)化建模

Autodest Revit 運(yùn)行時(shí)，族是最為基礎(chǔ)的單元，通過(guò)族的參數(shù)化處理，完成工程模型的構(gòu)建。無(wú)論是模型圖元，還是注釋圖元，都是以族為基礎(chǔ)構(gòu)成的。在Revit 軟件內(nèi)，包含一定的編輯器，用戶可根據(jù)實(shí)際需求，隨意對(duì)族進(jìn)行編輯。根據(jù)族特點(diǎn)的不同，可將其劃分成三種類型，具體如圖3 所示。

圖3 Revit 族的分類

（1）系統(tǒng)族。用于構(gòu)建建筑圖元，如墻板、樓梯等，也可用于對(duì)標(biāo)高、軸網(wǎng)等的設(shè)置。在軟件內(nèi)，系統(tǒng)族是系統(tǒng)內(nèi)自帶的，無(wú)法將其他內(nèi)容添加到模型內(nèi)，也無(wú)法對(duì)項(xiàng)目外的內(nèi)容進(jìn)行存儲(chǔ)。

（2）可載入族。可構(gòu)建部分預(yù)制構(gòu)件，也可對(duì)構(gòu)件進(jìn)行注釋。相對(duì)于系統(tǒng)族來(lái)說(shuō)，該族屬于外部?jī)?nèi)容，主要在“.rft”內(nèi)創(chuàng)建，創(chuàng)建結(jié)束后，才可傳輸至項(xiàng)目?jī)?nèi)。

（3）內(nèi)建族。在部分特殊項(xiàng)目創(chuàng)建時(shí)，所需要采用的圖元類型。在創(chuàng)建方法方面，基本與可載入族相同，而在存儲(chǔ)使用方面，則與系統(tǒng)族相同[3]。

3.2.2 預(yù)制夾心保溫墻板的建模

在Revit 軟件內(nèi)，基本墻材料構(gòu)件族、保溫板材料族與鋼筋形狀族文件分別為不同的族類型，因而在構(gòu)建預(yù)制墻板構(gòu)件族時(shí)，采用了嵌套式的方式。就好像百葉窗樣板族那樣，在軟件內(nèi)，先構(gòu)建出相應(yīng)的窗框架，與此同時(shí)，以公制模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建出百葉模型，并將其嵌入至窗框當(dāng)中。從結(jié)構(gòu)受力角度來(lái)說(shuō)，可將剪力墻看作扁平柱，在Revit 軟件內(nèi)，墻板在系統(tǒng)族范圍內(nèi)，不可載入，也無(wú)法對(duì)其修改，因而在墻族構(gòu)建時(shí)，主要在“公制結(jié)構(gòu)柱.rgt”族樣本中完成。對(duì)于墻板與保溫板來(lái)說(shuō)，在可載入族的范圍內(nèi)，建模方法完全一致。因而本文以強(qiáng)本為例，介紹了建模過(guò)程：在軟件內(nèi)，選取對(duì)應(yīng)的樣板族，并打開“公制結(jié)構(gòu)柱.rft”，構(gòu)建出幾何圖樣，通過(guò)參數(shù)化的方式，構(gòu)建族與構(gòu)件關(guān)聯(lián)性，并明確族類型，賦予土圖樣相應(yīng)的可見性。上述族構(gòu)建完成后，在對(duì)應(yīng)樣板內(nèi)，添加預(yù)制墻板組，并根據(jù)工程建設(shè)需求，通過(guò)參數(shù)化處理的方式，構(gòu)建預(yù)制夾心保溫墻板的模型。

3.2.3 預(yù)制樓梯與陽(yáng)臺(tái)的建模

在本工程存在多種類型的預(yù)制構(gòu)件，不僅包括夾心墻板，而且還有樓梯、陽(yáng)臺(tái)等預(yù)制構(gòu)件。對(duì)于Revit 軟件內(nèi)的樓梯來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)族的范圍內(nèi)，樓梯族構(gòu)建時(shí)，無(wú)法由外界導(dǎo)入。在樓梯模型構(gòu)件時(shí)，不論是結(jié)構(gòu)整體，還是各分結(jié)構(gòu)，均應(yīng)單獨(dú)設(shè)立，操作簡(jiǎn)單，可得到良好的樓梯方案圖，為后續(xù)施工打下良好基礎(chǔ)。建模時(shí)，在系統(tǒng)內(nèi)，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)族，在族內(nèi)適當(dāng)位置處，添加相應(yīng)的圖元屬性，同時(shí)為了保證樓梯的穩(wěn)定性，還應(yīng)在視圖內(nèi)，添加鋼筋元素，以此構(gòu)成“樓梯組”，對(duì)于陽(yáng)臺(tái)等其他類似預(yù)制構(gòu)件來(lái)說(shuō)，建模流程與此基本相同。

3.2.4 參數(shù)化創(chuàng)建墻板斜支撐與節(jié)點(diǎn)模板族

施工時(shí)，為了保證墻板安裝施工活動(dòng)安全進(jìn)行，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)位置處，構(gòu)建出相應(yīng)的臨時(shí)支撐，用于對(duì)墻板固定。本工程當(dāng)中，對(duì)墻板固定時(shí)，選擇的是可調(diào)節(jié)斜支撐螺桿的方式，其中，一端固定在墻板上，另一端固定到地面適當(dāng)位置處。在Revit 軟件內(nèi)，點(diǎn)擊“公制結(jié)構(gòu)框架－梁與支撐”族樣本文件，以此構(gòu)建支撐桿族；點(diǎn)擊“常規(guī)模型”選項(xiàng)，構(gòu)建預(yù)埋螺栓族；點(diǎn)擊“基于面的公制常規(guī)模型”選項(xiàng)，構(gòu)建托板族。

3.3 裝配式結(jié)構(gòu)可視化施工

3.3.1 4D 進(jìn)度管理

以往工程建設(shè)時(shí)，采用的是甘特圖模式，通過(guò)該圖像的應(yīng)用，可較為清晰地展示出工程的建設(shè)情況，但需要注意的是，甘特圖也存在一定缺陷，即只是靜態(tài)的圖像，不能動(dòng)態(tài)顯示施工流程，而對(duì)于裝配式施工工藝來(lái)說(shuō)，本質(zhì)上為動(dòng)態(tài)的操作過(guò)程，若僅采用甘特圖的方式予以展示，則難以直觀體現(xiàn)出工程的建設(shè)進(jìn)度，在一定程度上影響工程的管理。而應(yīng)用Navieworks 軟件的應(yīng)用，則看動(dòng)態(tài)顯示出工程建設(shè)進(jìn)度，有利于施工計(jì)劃的優(yōu)化與調(diào)整[4]。

對(duì)于某工程來(lái)說(shuō)，可劃分成2 個(gè)模塊，一個(gè)是三層以下，這一模塊內(nèi)，包含地基、剪力墻、樓板等部分，另一個(gè)是三層以上，這一模塊內(nèi)，包含內(nèi)外墻板、樓板、樓梯等。針對(duì)這一情況，在4D 模型構(gòu)建時(shí)，主要流程為：先完成1～3 層的施工活動(dòng)，然后由下至上依次完成高層的施工活動(dòng)，針對(duì)施工過(guò)程，將整個(gè)施工活動(dòng)分解成多個(gè)小項(xiàng)目。在Navieworks 軟件內(nèi)，添加相應(yīng)的施工橫道圖，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)置施工進(jìn)度計(jì)劃信息，可利用其他軟件制定計(jì)劃方案后導(dǎo)入，也可直接在軟件內(nèi)制定、優(yōu)化與調(diào)整。

在Revit 軟件當(dāng)中，先按照一般流程構(gòu)建出三維工程模型，之后以此為基礎(chǔ)，添加相應(yīng)的施工進(jìn)度計(jì)劃，利用“mpp”與“nwc”文件的形式，融入到Navieworks Manage 軟件內(nèi)，以此構(gòu)建出4D 進(jìn)度模型。本研究當(dāng)中，由于字符數(shù)有限，因而僅采用部分施工活動(dòng)作為研究對(duì)象，構(gòu)建出相應(yīng)的4D 進(jìn)度模型，如圖6 所示。

3.3.2 施工關(guān)鍵技術(shù)指導(dǎo)

由上述分析可知，BIM 技術(shù)存在諸多特點(diǎn)，可視化是其中較為重要與關(guān)鍵的一個(gè)，正是這一特點(diǎn)的存在，可使BIM 軟件能夠繪制出更加生動(dòng)形象，且更加符合工程具體情況的動(dòng)態(tài)圖像，在該圖像當(dāng)中，不僅可展示出工程的整體情況，而且還會(huì)有效顯示工程的細(xì)節(jié)情況，從而為工程的建設(shè)提供支持。某工程建設(shè)時(shí)，采用的是裝配式施工工藝，對(duì)于項(xiàng)目下面三層部分來(lái)說(shuō)，以現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)為主，而對(duì)于四層以上部分來(lái)說(shuō)，則以裝配式結(jié)構(gòu)為主。

裝配式結(jié)構(gòu)施工時(shí)，需要采用大量的預(yù)制構(gòu)件，工程建設(shè)情況不僅受到這些構(gòu)件質(zhì)量的影響，而且還與構(gòu)件安裝精確性有關(guān)，只有生產(chǎn)出高質(zhì)量的預(yù)制構(gòu)件，且嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案要求，將構(gòu)件安裝到指定位置處，才可提升整個(gè)工程的建設(shè)質(zhì)量。因此本工程施工過(guò)程中，為了保證構(gòu)件固定的精確性，通過(guò)鋼筋定位板的方式，確定出預(yù)埋鋼筋的位置。對(duì)于該工具來(lái)說(shuō)，由兩部分構(gòu)成，一個(gè)是角鋼，另一個(gè)是鋼面板，在鋼面板上，存在適當(dāng)大小的鋼筋插孔，其尺寸高于鋼筋直徑460mm。針對(duì)前期測(cè)量出的定位線，合理將定位板進(jìn)行固定，構(gòu)件吊運(yùn)前，將定位板取出。

將預(yù)制墻板吊運(yùn)至安裝位置后，為了確保墻板位置的精確性，還應(yīng)予以適當(dāng)調(diào)整，以提升工程施工質(zhì)量。將墻板初步組裝后，以可調(diào)節(jié)斜支撐螺桿作為主要工具，對(duì)墻板予以固定，其中，一端固定在墻板上，另一端固定在地面適當(dāng)位置處，對(duì)于斜支撐預(yù)埋件來(lái)說(shuō)，與底部的距離控制在2000mm 左右，與墻板邊緣的距離控制在300mm左右。之后通過(guò)對(duì)螺桿的調(diào)節(jié)調(diào)整墻板位置、垂直度等，以確保墻板達(dá)到設(shè)計(jì)位置處；以水準(zhǔn)儀為主要工具，測(cè)量墻板的標(biāo)高，是墻板與水平面保持平行。若高于設(shè)計(jì)值，應(yīng)重新調(diào)運(yùn)鋪設(shè)，或是以千斤頂為主要工具，將墻板頂起，并放入適當(dāng)厚度的墊片。

3.3.3 施工進(jìn)度計(jì)劃指導(dǎo)預(yù)制構(gòu)件

應(yīng)用BIM 技術(shù)后，可構(gòu)建出相應(yīng)的4D 進(jìn)度模型，以展示出工程的建設(shè)情況，通過(guò)對(duì)該模型的觀察，可準(zhǔn)確了解每段時(shí)間對(duì)預(yù)制件的需求情況，以此為材料的采購(gòu)、預(yù)制件的制作提供指導(dǎo)。首先，在BIM 軟件當(dāng)中，可自動(dòng)對(duì)4D 模型予以分析，以得到工程材料需求量，施工單位以此為基礎(chǔ)，對(duì)材料進(jìn)行采購(gòu)，防止出現(xiàn)材料浪費(fèi)的問題，提升材料的使用率，保證施工現(xiàn)場(chǎng)的整齊性，以保證工程建設(shè)活動(dòng)順利、安全進(jìn)行。其次，在施工過(guò)程中，還可動(dòng)態(tài)對(duì)施工情況予以監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確了解工程的建設(shè)情況，若發(fā)現(xiàn)構(gòu)件用量與實(shí)際存在差異，BIM 技術(shù)可自動(dòng)對(duì)這一情況予以分析，尋找出產(chǎn)生該情況的主要原因，并初步制定出相應(yīng)的解決方案，以此材料準(zhǔn)備工作的開展提供支持。與此同時(shí)，軟件還可向工作人員做出相應(yīng)提示，使工作人員對(duì)該問題產(chǎn)生一定重視。最后，還可對(duì)現(xiàn)有施工方案中各專業(yè)進(jìn)行碰撞檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各專業(yè)工程建設(shè)存在的碰撞問題，并對(duì)施工方案予以優(yōu)化，以防止各專業(yè)碰撞而影響施工質(zhì)量與進(jìn)度。

3.4 預(yù)制構(gòu)件的信息化管理

對(duì)預(yù)制構(gòu)件管理時(shí)，為了進(jìn)一步提升BIM 技術(shù)在知識(shí)城工程中的應(yīng)用效果，本文在BIM 技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了RFID 技術(shù)，用于對(duì)構(gòu)件編碼，以確保構(gòu)件制造、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、使用時(shí)的合理性，為保證工程建設(shè)質(zhì)量提供支持。

所謂的RFID 技術(shù)，全稱為射頻識(shí)別技術(shù)，指的是在未接觸的情況下，利用無(wú)線電識(shí)別的方式，將對(duì)應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)錄入至目標(biāo)當(dāng)中，在目標(biāo)使用時(shí)，只需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地掃描，即可直接將該物品的信息顯示出來(lái)。將該技術(shù)應(yīng)用到工程管理當(dāng)中時(shí)，主要包括下述幾個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)當(dāng)中，需要根據(jù)工程具體情況，將其劃分成多個(gè)模塊，并對(duì)各模塊賦予相應(yīng)的編碼。在構(gòu)件制作時(shí)，為了保證后續(xù)構(gòu)件拼裝工作有序進(jìn)行，需要利用RFID技術(shù)，賦予構(gòu)件對(duì)應(yīng)的編碼，其中不僅包含數(shù)字序號(hào)，而且還有制造商、所用材料等信息。（2）運(yùn)輸、安裝環(huán)節(jié)。根據(jù)工程施工需求，通過(guò)對(duì)構(gòu)件編碼地掃描，取出對(duì)應(yīng)的預(yù)制構(gòu)件，并以吊車為主要工具，將構(gòu)件運(yùn)輸?shù)皆O(shè)計(jì)位置處，并完成構(gòu)件安裝工作。整個(gè)吊運(yùn)與安裝作業(yè)時(shí)，均可通過(guò)RFID 編碼予以監(jiān)測(cè)。（3）管理與維護(hù)環(huán)節(jié)。對(duì)墻板構(gòu)件管理與維護(hù)時(shí)，可通過(guò)對(duì)RFID 編碼的掃描，獲取對(duì)應(yīng)構(gòu)件信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的構(gòu)件，并及時(shí)予以更換。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，預(yù)制墻板安裝施工時(shí)，有效對(duì)BIM 技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可提升工程施工質(zhì)量，縮短工程施工周期，降低施工成本，對(duì)建設(shè)企業(yè)與社會(huì)發(fā)展均具有重要意義。通過(guò)BIM 技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以根據(jù)各模塊的需求情況，通過(guò)參數(shù)化建模的方式，構(gòu)建出各結(jié)構(gòu)的模型，對(duì)工程建設(shè)情況、構(gòu)件制作等進(jìn)行可視化管理，從而為工程的建設(shè)打下良好基礎(chǔ)。