基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑全生命周期的實(shí)踐與應(yīng)用

周湘華，張國棟

（湖南省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，長沙 410011）

1 引言

在以往的項(xiàng)目實(shí)踐中，部分項(xiàng)目為了裝配率而硬性推行裝配式。項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)理論依然采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，甚至加工和施工都還是沿用現(xiàn)澆的體系和理論，這不僅讓裝配式的優(yōu)勢沒有體現(xiàn)出來，而且增加了各個環(huán)節(jié)的浪費(fèi)以及施工和運(yùn)維的困難[1]。傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑體系的發(fā)展存在著施工人員老齡化，施工過程能源浪費(fèi)等情況，因此，擺脫依賴安裝工人的現(xiàn)狀，降低能源消耗是目前迫切需要解決的問題。建立在系統(tǒng)論基礎(chǔ)上的集成平臺就非常必要，通過BIM 平臺，貫徹以始為終的裝配式設(shè)計(jì)理念，根據(jù)要完成建筑的狀態(tài)以及運(yùn)營的角度反推施工、加工一直到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的考慮要素，把各個環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，從而實(shí)現(xiàn)裝配式建筑全生命周期的綜合管控。本文通過項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)近幾年的項(xiàng)目實(shí)踐，總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。

2 策劃先行，以始為終

2.1 整體統(tǒng)籌——前策劃+后評估

貫徹“前策劃，后評估”管理理念，參建各方積極介入，加深策劃和溝通；項(xiàng)目的每一個階段結(jié)束后都要對當(dāng)前階段的工作成果及時進(jìn)行評價和反饋。通過BIM 對項(xiàng)目建設(shè)全過程進(jìn)行專業(yè)數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)迭代，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)完整性、專業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)性、數(shù)據(jù)傳遞一致性。以“以終為始”的理念對過程數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)、精確性模擬分析。結(jié)合施工過程數(shù)據(jù)的模型更新，形成可指導(dǎo)項(xiàng)目運(yùn)營的完整數(shù)據(jù)模型。“前策劃，后評估”流程如圖1 所示。

圖1 “前策劃，后評估”流程

2.2 目標(biāo)一致

前策劃階段應(yīng)當(dāng)確定最終的目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵問題。BIM 技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)遵循以以下目標(biāo)為前提，并貫徹至終：（1）縮短設(shè)計(jì)周期，提升施工質(zhì)量；（2）減少專業(yè)沖突及設(shè)計(jì)變更，優(yōu)化管線排布；（3）輔助項(xiàng)目的算量統(tǒng)計(jì)，嚴(yán)格控制項(xiàng)目投資預(yù)算；（4）精細(xì)化施工管理，輔助項(xiàng)目施工進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全控制；（5）可視化三維運(yùn)維平臺；（6）基于BIM 5D 平臺各責(zé)任主體參與的全專業(yè)全過程協(xié)同管理。目標(biāo)的確定，有利于BIM 技術(shù)在各階段的過程實(shí)施梳理及任務(wù)分解。

2.3 科技賦能

BIM 技術(shù)的應(yīng)用能夠連接建筑項(xiàng)目生命期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源，是對工程對象的完整描述。使用BIM內(nèi)部管理平臺對項(xiàng)目科技賦能，實(shí)現(xiàn)“一體兩層”的管理模式，BIM 信息管理平臺服務(wù)于建設(shè)項(xiàng)目的整個生命周期，包括設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營維護(hù)階段。項(xiàng)目各參與方可以通過協(xié)同平臺，實(shí)現(xiàn)信息順暢交流和不斷集成，同時平臺可對模型進(jìn)行輕量化，方便現(xiàn)場實(shí)時查看三維模型。

3 協(xié)同一體

BIM 技術(shù)最大的優(yōu)勢就是將以前分裂的階段和專業(yè)協(xié)同成一個整體，通過可視化將不同專業(yè)、不同階段的問題暴露出來，從而讓總控或者項(xiàng)目管理人員迅速找到問題的解決方案。裝配式建筑最大的優(yōu)勢體現(xiàn)在協(xié)同整體性，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 建筑與裝飾的協(xié)同

裝配式建筑的裝修一體化已不是新鮮事物，比如，PC 外墻的飾面反打技術(shù)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的干式裝修。在實(shí)際項(xiàng)目中也不難看出，無論是施工工期、施工質(zhì)量還是施工的便捷性，干式裝修相對濕法裝飾施工具有非常顯著的優(yōu)越性。BIM 技術(shù)通過進(jìn)行裝配式預(yù)制構(gòu)件的模擬，可以實(shí)現(xiàn)對裝飾面的效果呈現(xiàn)及生產(chǎn)單元的模擬，降低施工誤差可能的技術(shù)風(fēng)險。

3.2 結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)構(gòu)件的協(xié)同

裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是通過預(yù)制構(gòu)件實(shí)現(xiàn)傳力的，預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)經(jīng)常受制于一些外部條件，比如，模臺的尺寸，養(yǎng)護(hù)窯尺寸以及堆場和運(yùn)輸條件，可以在“以終為始”的BIM 協(xié)同平臺上進(jìn)行預(yù)先模擬，直接展現(xiàn)完工效果，讓可能影響后續(xù)施工的加工因素變成在BIM 模型中的一個個可變參數(shù)，隨著工程不同階段的推進(jìn)，隨時進(jìn)行調(diào)整，避免了不必要的返工，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與預(yù)制構(gòu)件的協(xié)同。

3.3 預(yù)制構(gòu)件與管線的協(xié)同

預(yù)制構(gòu)件特別是PC 構(gòu)件，因?yàn)槠洳痪邆浜笃诘目烧{(diào)整性，預(yù)埋管線布置必須保證一次到位。后期如果功能性或者管線沖突引起的調(diào)整，將會導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件的報廢，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失以及工期延誤。預(yù)制構(gòu)件在設(shè)計(jì)時，可以采取設(shè)備管線的正向設(shè)計(jì)，提前將管線定位提取到預(yù)制構(gòu)件的BIM 模型中，方便在結(jié)構(gòu)拆分和深化時能夠提供精準(zhǔn)的構(gòu)件加工圖，滿足施工和加工的要求。

3.4 數(shù)據(jù)與運(yùn)營的協(xié)同

裝配式建筑在竣工完成時，可以形成完整的BIM 數(shù)據(jù)庫，為機(jī)電設(shè)備和圍護(hù)配件替換提供了數(shù)據(jù)支撐。相對于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)受施工現(xiàn)場的誤差影響較大，裝配式建筑的預(yù)制構(gòu)件BIM 數(shù)據(jù)庫是非常精準(zhǔn)的，對于后期建筑的調(diào)整，無論是增加設(shè)備開孔還是更換建筑配件都可以提供精準(zhǔn)的模型數(shù)據(jù)。同時，堅(jiān)持“以終為始”的理念，可以在裝配式建筑中不斷地完善工程數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件族庫的積累。通過迭代往復(fù)，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑全生命周期的正回饋[2]。

4 裝配式全生命周期項(xiàng)目實(shí)踐

隨著BIM 技術(shù)在裝配式理論上的不斷成熟，需要更多地在具體項(xiàng)目上落地實(shí)踐。本文以湖南創(chuàng)意總部大廈為例，分享裝配式BIM 項(xiàng)目的實(shí)踐應(yīng)用。

湖南創(chuàng)意設(shè)計(jì)總部大廈項(xiàng)目占地面積20 075 m2,總建筑面積102 934 m2，主體建筑由主樓和裙樓組成，其中，A 棟為PC（預(yù)制混凝土）框架結(jié)構(gòu)(裝配率77.5%)，遠(yuǎn)超長沙市規(guī)定裝配式達(dá)標(biāo)裝配率50%，本單體由預(yù)制構(gòu)件為柱、樓板、梁、沉箱、樓梯及剪力墻現(xiàn)澆組成。相對傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，施工進(jìn)度快，周期縮短，總體造價與傳統(tǒng)現(xiàn)澆基本持平。

B 棟為裝配式鋼框架+混凝土核心筒結(jié)構(gòu)(裝配率76%)，由預(yù)制鋼柱、鋼梁、鋼筋桁架樓承板、現(xiàn)澆核心筒剪力墻、預(yù)制混凝土梯段組成。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)合，各取優(yōu)勢，混凝土核心筒增加建筑整體剛度，降低了整棟建筑的總用鋼量，施工速度較快，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)與混凝土交織，導(dǎo)致施工設(shè)備租賃周期略有增加。

C 棟為裝配式鋼結(jié)構(gòu)(裝配率84%)，由預(yù)制鋼柱、鋼梁、鋼筋桁架樓承板、預(yù)制鋼梯段組成，具備鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)拼接方便，工期短，抗震性能好，空間布置靈活便于機(jī)電管線布置，建筑總質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)，相對前2 棟降低了主體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的工程成本。

4.1 基于BIM 的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

通過在BIM 模型中設(shè)置合理的裝配率測算，根據(jù)軟件數(shù)據(jù)反饋，結(jié)構(gòu)師選擇合理的預(yù)制率，并將這個結(jié)果反饋給建筑師，“以終為始”推算合理的標(biāo)準(zhǔn)房型，從而實(shí)現(xiàn)少構(gòu)件多組合的設(shè)計(jì)初衷，從源頭上做裝配式項(xiàng)目，避免為了裝配式而裝配式。為了方便不同階段不同專業(yè)能夠從本項(xiàng)目平臺獲取正確及時的數(shù)據(jù)支撐，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)參考國標(biāo)并結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)，建立了自己的編碼體系，編碼體系秉承了唯一性、合理性、簡明性的原則，從而實(shí)現(xiàn)了在BIM 可視化平臺以及數(shù)據(jù)庫后臺的有效溝通。

4.2 設(shè)計(jì)后期的精細(xì)模擬

通過BIM 技術(shù)，對項(xiàng)目的鋼筋進(jìn)行了精準(zhǔn)建模。在設(shè)計(jì)階段就開始處理可能的鋼筋碰撞，從而避免了在現(xiàn)場施工時鋼筋密集區(qū)的干涉問題。利用BIM 平臺鋼筋精細(xì)模型檢查碰撞如圖2 所示。

圖2 利用BIM 平臺鋼筋精細(xì)模型檢查碰撞

同時，對預(yù)制構(gòu)件與設(shè)備管線也進(jìn)行了管線綜合設(shè)計(jì)，避免預(yù)制件與設(shè)備構(gòu)件的沖突，優(yōu)化結(jié)構(gòu)空間及不同專業(yè)間的管線碰撞，將上述優(yōu)化內(nèi)容匯總形成“BIM 多專業(yè)綜合分析報告”。通過運(yùn)用BIM 綜合分析報告加三維模型，上傳至該項(xiàng)目的協(xié)同平臺，便于不同專業(yè)的人隨時調(diào)取查閱。

4.3 建筑虛擬建造

在設(shè)計(jì)提供的BIM 模型的基礎(chǔ)上，使用4D 軟件進(jìn)行施工計(jì)劃仿真模擬，可以實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的虛擬建造，工程人員可以輕松地找出施工過程中施工空間、工程設(shè)施可能存在的沖突和不足，并對預(yù)制構(gòu)件與施工組織和流程性進(jìn)行分析，完成施工計(jì)劃的優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證現(xiàn)場的施工順利，減少安裝建造階段的誤工返工。模擬施工動畫是一種直觀的技術(shù)交底模式。

5 面向施工及運(yùn)維的構(gòu)件級數(shù)據(jù)管控

裝配式的設(shè)計(jì)向運(yùn)維數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)管控，基于BIM 的裝配式，是一個從設(shè)計(jì)源頭完成的數(shù)據(jù)庫，是在建筑設(shè)計(jì)中進(jìn)行“以終為始”的全流程，全周期的通盤考慮，結(jié)合運(yùn)維使用、構(gòu)件運(yùn)輸和吊裝乃至構(gòu)件堆放等諸多因素的一個設(shè)計(jì)BIM 數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫早期就是完整的，并向下在不同階段不斷迭代更新。

6 裝配式應(yīng)用總結(jié)

通過分析BIM 在裝配式理論及項(xiàng)目中的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，BIM 技術(shù)在裝配式建筑中具有廣泛的應(yīng)用空間，特別是裝配式項(xiàng)目也迫切需要BIM 作為一個全生命周期的數(shù)據(jù)平臺，提供準(zhǔn)確的精細(xì)模型、可視化檢查等數(shù)據(jù)支撐。裝配式BIM 應(yīng)用需要一個強(qiáng)大的組織機(jī)構(gòu)，從前期的建筑設(shè)計(jì)到最后竣工運(yùn)維，必須要一個能夠橫向覆蓋全部專業(yè)和部門，縱向貫穿整個項(xiàng)目流程的BIM 協(xié)調(diào)控制部門，才能保證數(shù)據(jù)的流通和增量傳輸。

雖然BIM 與裝配式高度契合，在裝配式建筑全生命周期中發(fā)揮了不可替代的作用，但是在項(xiàng)目實(shí)踐中仍然存在一些問題和不足，比如，裝配式數(shù)據(jù)傳遞會造成龐大的數(shù)據(jù)庫，相對現(xiàn)澆建筑BIM 模型，軟件計(jì)算能力尚顯不足；拆分設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師因?yàn)楣さ睾图庸そ?jīng)驗(yàn)不足帶來的建模工作反復(fù)等。相信目前的這些不足會隨著軟件的迭代更新、技術(shù)人員培訓(xùn)工作的推進(jìn)而相應(yīng)完善，BIM 技術(shù)也將為裝配式建筑的蓬勃發(fā)展增磚添瓦。