基于BIM的裝配式建筑精益建造研究

陳冰，齊軍，孔永欽

（中國建筑第二工程局有限公司華東公司）

1 引言

裝配式建筑由工廠生產(chǎn)，能最大限度地符合綠色建筑設(shè)計(jì)與施工，符合現(xiàn)代建筑業(yè)發(fā)展的需要。BIM模型是一個(gè)集成了整個(gè)裝配式建筑的全部信息的資料庫，同時(shí)也是參與建造過程中各方合作的一個(gè)平臺(tái)，它可以把三維裝配模型同時(shí)間、成本相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對工程直觀、細(xì)致地管理。BIM技術(shù)可以為裝配式建筑的發(fā)展提供技術(shù)支持，在工程實(shí)施過程中推廣BIM技術(shù)，有效地解決了施工過程中各方之間的不協(xié)調(diào)問題。裝配式建筑追求高效率、高標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，以減少浪費(fèi)和縮短工期為目的，而精益建造也是對這一目標(biāo)的追求，對整個(gè)裝配式建筑的整個(gè)生命周期都有一定的指導(dǎo)作用。

2 相關(guān)概念

BIM技術(shù)是以建筑的建模為核心，它可以對信息的收集、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存、共享等進(jìn)行信息的傳輸，從而對項(xiàng)目的可行性進(jìn)行仿真，并對項(xiàng)目的進(jìn)度、質(zhì)量、成本進(jìn)行控制。BIM系統(tǒng)可以迅速地產(chǎn)生各種方案，并進(jìn)行模擬，分析各種方案的可信度，并進(jìn)行比較，得出最佳的方案，它主要有以下幾個(gè)功能：

①協(xié)作設(shè)計(jì)，各專業(yè)之間的信息溝通更加方便，可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行需求分享，并進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減少因信息堵塞引起的誤差；

②功能分析，應(yīng)用BIM系統(tǒng)，可以分析建筑物的照明、耗能、造價(jià)控制、工程量計(jì)算等，從而改善模型；

③通過BIM技術(shù)進(jìn)行分析，使各參與方能夠從不同的角度進(jìn)行分析，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分析，以達(dá)到最佳的效果；

④4D進(jìn)度控制和5D費(fèi)用控制，5D就是在4D的基礎(chǔ)上，引入了成本的維度，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的成本控制，避免了浪費(fèi)。

精益施工是指結(jié)合建筑生產(chǎn)和建筑的特性，運(yùn)用精益生產(chǎn)管理思想和建筑管理思想對工程施工進(jìn)行全程管理，消除不增值的勞動(dòng)，減少浪費(fèi)，以顧客的利益為中心，使項(xiàng)目的價(jià)值最大化，從而形成一個(gè)完整的工程運(yùn)作和交付體系。精益施工的概念在各個(gè)行業(yè)有著不同的定義，但是其核心內(nèi)容卻是一致的：精益制造是基于精益制造的理念，它引導(dǎo)著建筑施工的全過程，使建筑的各個(gè)環(huán)節(jié)在某種程度上趨向于工廠化生產(chǎn)，減少浪費(fèi)，最大化滿足客戶需要[1]。

3 BIM技術(shù)在裝配式建筑精益建造中的應(yīng)用價(jià)值

3.1 數(shù)據(jù)采集

由于構(gòu)件生產(chǎn)、物流運(yùn)輸、組裝、安裝等環(huán)節(jié)的不斷增多，裝配式建筑的管理變得越來越復(fù)雜。信息的不斷增多，使企業(yè)的管理者很難對其進(jìn)行有效地控制，必須通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的采集、處理、調(diào)用和歸檔。建立以BIM為基礎(chǔ)的三維數(shù)字模型信息共享平臺(tái)，可以在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上建立一個(gè)包含工程項(xiàng)目各個(gè)階段的空間模型和實(shí)體信息的數(shù)據(jù)庫，并建立一個(gè)覆蓋整個(gè)施工過程的信息共享平臺(tái)，打破信息壁壘，緩解項(xiàng)目各方由于信息不對稱而導(dǎo)致的矛盾。

3.2 信息傳輸

通過BIM技術(shù)的可視化、信息共享、跟蹤等特點(diǎn)，可以大大提高裝配式建筑的信息管理效率，尤其是在BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過建立信息平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地進(jìn)行信息的交互，使施工過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)都能得到有效地協(xié)調(diào)，從而保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行。在建筑精益施工中引入BIM技術(shù)，通過對信息交互方式的優(yōu)化和提高，可以突破傳統(tǒng)的死板管理模式。利用BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢，可以在設(shè)計(jì)階段實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)更新設(shè)計(jì)、施工、市場變化等信息，為實(shí)施項(xiàng)目動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)管理奠定基礎(chǔ)；在進(jìn)行項(xiàng)目評價(jià)時(shí)，可以利用BIM技術(shù)對具體建材實(shí)施生產(chǎn)、質(zhì)檢、審批、運(yùn)輸、裝配等全過程的歷史追溯，為實(shí)施項(xiàng)目管理的綜合評價(jià)奠定基礎(chǔ)[2]。

3.3 數(shù)據(jù)集成

數(shù)據(jù)集成是保證系統(tǒng)正常工作和實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的支撐。比如在施工階段，利用建模與數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，分析和調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃的合理性，提前避免工作面矛盾等問題。

3.4 實(shí)施應(yīng)用

實(shí)施應(yīng)用是將收集到的資料進(jìn)行綜合，在不同的階段進(jìn)行實(shí)際操作，從而達(dá)到對各階段的生產(chǎn)和管理的可控性。比如，在工程建設(shè)中，可以對工程全過程進(jìn)行進(jìn)度控制，并根據(jù)工程進(jìn)度的變化來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。同時(shí)，當(dāng)工人的安裝技術(shù)水平有所提升時(shí)，可以對工程進(jìn)度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而達(dá)到節(jié)約工期、節(jié)約成本的目的。

3.5 協(xié)同作業(yè)

建立基于BIM技術(shù)的裝配式建筑信息化平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)裝配式建筑精益施工和BIM技術(shù)的有效結(jié)合。利用BIM技術(shù)的可視化、集成化、協(xié)同、模擬化等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于建筑的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、運(yùn)輸、裝配等各個(gè)環(huán)節(jié)，可確保其高效地執(zhí)行。通過建立基于BIM的信息管理平臺(tái)，根據(jù)施工進(jìn)度需要，選取相應(yīng)的BIM模型進(jìn)行分析、匯總，并將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)表，從而更直觀、更有效地實(shí)施精益項(xiàng)目管控。BIM信息平臺(tái)的建立有利于加強(qiáng)各個(gè)參與主體的協(xié)作，其中，參與方的緊密協(xié)作是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的重要前提。通過建立BIM信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目信息的高度一體化管理，通過與時(shí)間、進(jìn)度、成本的深度關(guān)聯(lián)，建立了5D-BIM模型，可以將項(xiàng)目進(jìn)度、成本、質(zhì)量、材料等信息進(jìn)行集成，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的一體化管理，為工程的順利進(jìn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 BIM技術(shù)在裝配式建筑精益建造中的案例

萬達(dá)臨港重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)H23-01地塊商住項(xiàng)目購物中心位于上海市泥城鎮(zhèn)鴻音路以西，在建蓄芳路以東，未建長空路以南，云端路以北。項(xiàng)目總占地56943.44㎡，總建筑面積為22.123萬㎡，其中地上15.01萬㎡（住宅地上7.25萬㎡，購物中心地上7.17萬㎡，公共配套地上0.586萬㎡），地下7.12萬㎡，工程為一集商業(yè)綜合體、住宅、公共配套的大型工程。本工程商業(yè)綜合樓為裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式建筑面積為136184㎡。PC結(jié)構(gòu)形式為裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，預(yù)制率為40.43%。預(yù)制構(gòu)件種類為：預(yù)制框架柱、預(yù)制框架梁、預(yù)制樓層次梁、預(yù)制疊合板、預(yù)制樓梯。

4.1 設(shè)計(jì)階段

與傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)、施工分離的設(shè)計(jì)模式特征相區(qū)別，精益設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式從分離到整合，從而推動(dòng)設(shè)計(jì)與施工的融合。通過多個(gè)部門的合作，使設(shè)計(jì)的科學(xué)性和效率得到了很大的提升。既要滿足需求的個(gè)性化要求，又要確保設(shè)計(jì)的規(guī)范化，并對目標(biāo)客戶進(jìn)行分析，使其具備與之相適應(yīng)的功能。在這一階段，平行團(tuán)隊(duì)進(jìn)行溝通、協(xié)作、聯(lián)合設(shè)計(jì)、使用BIM篩選方案，以及對具體的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行預(yù)估。在BIM平臺(tái)的基礎(chǔ)上，各設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對模型進(jìn)行了綜合，并對其進(jìn)行了仿真，并對其進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，使其達(dá)到了預(yù)期的效果。在設(shè)計(jì)階段，工作人員聯(lián)合設(shè)計(jì)，運(yùn)用BIM模型，實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)。通過各專業(yè)設(shè)計(jì)人員的協(xié)同設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)方案更具科學(xué)性，滿足了各參建單位的工作需求，從而降低了設(shè)計(jì)不合理、施工難度大而導(dǎo)致的返工，從而大大加快了工程進(jìn)度。

4.2 構(gòu)件生產(chǎn)階段

由于本工程所需要的預(yù)制件是在預(yù)制工廠生產(chǎn)和加工后才能運(yùn)送到施工和安裝現(xiàn)場，因此，在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，精益管理對工程的整體成本控制起著不可忽視的作用。本項(xiàng)目建立并實(shí)施了準(zhǔn)時(shí)制造系統(tǒng)，并利用BIM平臺(tái)對裝配過程中的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)了解，并根據(jù)需要及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。通過BIM預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化圖庫，可以獲得構(gòu)件的平面、立面、剖面和詳細(xì)的說明，通過BIM的三維建模，可以將構(gòu)件的全部設(shè)計(jì)參數(shù)顯示出來，從而為企業(yè)的生產(chǎn)制造提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

合理的零件制造能節(jié)約存貨，減少管理費(fèi)用。由于構(gòu)件數(shù)量眾多、數(shù)量龐大，因此在制造過程中必須遵循合理的制造次序和需求，這就需要供應(yīng)商與承包商的協(xié)作。要通過BIM的工作流程來確保供求的均衡。盡量減少庫存，包括建筑構(gòu)件，供應(yīng)商原材料庫存等。合理的生產(chǎn)計(jì)劃是保障供求關(guān)系的根本，在實(shí)施過程中，應(yīng)對員工或車間的生產(chǎn)能力進(jìn)行全面的評價(jià)，并做出相應(yīng)的規(guī)劃。原材料或制品應(yīng)按規(guī)定的順序擺放，并將標(biāo)簽標(biāo)識(shí)的一側(cè)面向通道，以方便識(shí)別部件。

4.3 構(gòu)件運(yùn)輸階段

在預(yù)制件工廠完成后，承建方將根據(jù)運(yùn)輸距離、運(yùn)輸環(huán)境、裝卸搬運(yùn)、運(yùn)輸車輛等因素，確定出主要運(yùn)輸路線和后備運(yùn)輸路線。GIS定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)將位置信息傳送到BIM信息管理平臺(tái)。為了避免在運(yùn)輸過程中發(fā)生碰撞和損壞，在每個(gè)平板車上都安裝了一個(gè)固定的運(yùn)輸架，并且在運(yùn)輸架、運(yùn)輸架和車身之間進(jìn)行加固。由于所有的預(yù)制件在出廠之前都會(huì)粘貼上二維碼或者RFID芯片，所以在到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行檢測時(shí)，可以通過BIM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行檢測。

4.4 吊裝安裝階段

在預(yù)制件吊裝前，利用BIM模型進(jìn)行裝配仿真，以避免由于實(shí)際裝配后的設(shè)計(jì)沖突造成的返工浪費(fèi)。施工企業(yè)可通過BIM系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握材料的采購與安裝進(jìn)度，并對裝配過程中的問題進(jìn)行及時(shí)地查找和糾正。同時(shí)，還需建立一套完整的質(zhì)量管理體系，將技術(shù)要求上傳至BIM平臺(tái)，并設(shè)立領(lǐng)導(dǎo)小組，對工程質(zhì)量進(jìn)行了監(jiān)督，并采取了多種質(zhì)量控制手段，保證了工程的質(zhì)量。

吊裝總體順序：預(yù)制柱吊裝→預(yù)制主梁吊裝→預(yù)制次梁吊裝→預(yù)制疊合板。構(gòu)件吊具的選擇：預(yù)制樓梯、預(yù)制梁和預(yù)制板采用平衡梁吊具起吊就位。構(gòu)件的起吊點(diǎn)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，保證構(gòu)件能水平起吊，避免磕碰構(gòu)件邊角。構(gòu)件起吊平穩(wěn)后再勻速移動(dòng)吊臂，靠近建筑物后由人工對中就位。對于多點(diǎn)起吊構(gòu)件，為保證各點(diǎn)受力均勻，采用動(dòng)滑輪，避免實(shí)際吊裝受力與計(jì)算模型不一致，同時(shí)采用手拉葫蘆進(jìn)行吊裝。

4.5 運(yùn)維階段

在運(yùn)營期，要對已經(jīng)交付的產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)營管理，主要是通過BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測。建立運(yùn)行階段的BIM數(shù)據(jù)庫，可以查看設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工三個(gè)階段的構(gòu)件、設(shè)備的相關(guān)信息，并對現(xiàn)有的資料進(jìn)行對比，找出存在的問題，進(jìn)行零件、設(shè)備的維修、人員的記錄。

5 結(jié)語

因此，基于精益思想的裝配式建筑必須要進(jìn)行信息化管理，而BIM技術(shù)的融合是其關(guān)鍵所在，所以BIM技術(shù)在裝配式建筑中的運(yùn)用也是建筑行業(yè)的發(fā)展方向，它能極大地提高生產(chǎn)效率。