基于BIM 技術(shù)的裝配式住宅建設(shè)管理研究
——以北京市某裝配式住宅為例

■ 邢超雲(yún) XING Chaoyun 王 薇 WANG Wei 干申啟 GAN Shenqi

0 引言

近年來，建筑行業(yè)迎來發(fā)展的高速時期，BIM（Building Information Modeling）技術(shù)應(yīng)用與研究在國內(nèi)掀起了一場建筑革命。BIM 技術(shù)將傳統(tǒng)的建筑二維平面圖發(fā)展到三維可視化模型，將施工設(shè)計與深化設(shè)計、施工過程與施工管理緊密結(jié)合，實現(xiàn)建筑從設(shè)計到施工管理，再到后期運營的全生命周期管理。國內(nèi)運用BIM 技術(shù)與工程實例結(jié)合的成功案例越來越多，例如，大興國際機(jī)場通過BIM 技術(shù)協(xié)同設(shè)計平臺，將上百人的設(shè)計團(tuán)隊整合，從方案設(shè)計到施工圖的完成僅用了一年的時間；上海世博會博物館應(yīng)用BIM 協(xié)同管理平臺，來自不同地方的參與方實現(xiàn)統(tǒng)一管理。此外，BIM 技術(shù)還在杭州奧體中心主體育場、重慶國際馬戲城、濟(jì)南大劇院等項目中有一定的運用。2020 年我國新冠疫情期間，武漢火神山、雷神山兩座醫(yī)院的建造，從設(shè)計、施工到交付使用僅用10 天，創(chuàng)造了建筑行業(yè)的傳奇，這得益于BIM 技術(shù)的全過程參與。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對BIM 技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用進(jìn)行分析研究。如寇園園、王淑嬙和馮曉科[1-3]探索了BIM 技術(shù)在施工管理中的應(yīng)用；王巧雯、林樹枝和胡延紅[4-6]開展了基于BIM 技術(shù)裝配式建筑協(xié)同管理平臺的研究；舒欣、徐鵬飛和周文波[7-9]根據(jù)實際項目分析了BIM 技術(shù)在裝配式建筑工程中的應(yīng)用；吳大江[10]探討基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑一體化應(yīng)用；劉丹丹[11]提出BIM 不同軟件間相互配合達(dá)到最優(yōu)設(shè)計施工方案；張健[12]分析BIM 應(yīng)用框架和系統(tǒng)流程；薛茹[13]分析信息化建模技術(shù)下裝配式建筑施工的問題及對策。綜上學(xué)者對裝配式建筑與BIM 技術(shù)的研究，主要集中在通過BIM 技術(shù)實現(xiàn)施工過程的管理或者建筑工程全生命期的應(yīng)用，但對建造過程管理研究不夠全面。

裝配式建筑的建造管理不僅是施工過程的管理，還包括設(shè)計階段和施工準(zhǔn)備階段，這三個方面在BIM 技術(shù)的協(xié)調(diào)下更容易實現(xiàn)應(yīng)用價值。目前，裝配式建筑設(shè)計與施工過程的銜接與管理還不夠完善，因此，研究BIM 技術(shù)對實現(xiàn)裝配式建筑建設(shè)過程的精細(xì)化管理，具有更重要的理論與實踐指導(dǎo)意義。

1 BIM 技術(shù)的內(nèi)涵及優(yōu)勢

1.1 BIM 技術(shù)內(nèi)涵

BIM 技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，實現(xiàn)了貫穿建筑全生命期的各項數(shù)據(jù)信息集成、共享，是建筑建造智能化控制管理的基礎(chǔ)。BIM 技術(shù)的應(yīng)用推動現(xiàn)代建筑向信息化、智能化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，是現(xiàn)代化建筑行業(yè)轉(zhuǎn)折性的變革。

BIM 技術(shù)發(fā)展主要分為三個時期：早期BIM 系列軟件搭建模型時期，以數(shù)字化精確建模；中期BIM技術(shù)輔助施工生產(chǎn)，從早期策劃、設(shè)計、生產(chǎn)、施工，到后期的運營維護(hù)全生命期；現(xiàn)在是BIM 建造管理時期，利用BIM 平臺進(jìn)行信息共享與實時管理控制。

1.2 BIM 技術(shù)優(yōu)勢

BIM 技術(shù)是繼CAD 技術(shù)之后建筑行業(yè)的又一革命性技術(shù)，與CAD相比較有以下優(yōu)勢：①相較于CAD的二維平面設(shè)計，BIM 的數(shù)字化模型屬于多維度信息模型（3D 模型、4D 時間模型、5D 成本模型），實現(xiàn)參與建筑全生命期建設(shè)；②BIM+技術(shù)是對建筑信息標(biāo)準(zhǔn)化的二次開發(fā)，實現(xiàn)使用者對具體問題解決的需求；③建筑建造全過程的各參與部門在BIM 應(yīng)用管理平臺上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息資源共享，協(xié)同管理。

2 BIM 信息協(xié)同管理研究

2.1 信息參與主體

裝配式建筑的建造過程是集人、材、機(jī)械、資金為一體的復(fù)雜的動態(tài)過程，涉及多個參與方，按照對建筑影響的程度分為直接參與方和間接參與方。直接參與方對建筑的最終呈現(xiàn)效果有著決定性的作用，它參與建筑投資規(guī)劃、設(shè)計建造、維護(hù)運營，包括建設(shè)單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位、施工單位、構(gòu)件生產(chǎn)單位、材料供應(yīng)商、建筑運營部門等。間接參與方不直接參與建筑的建造過程，但它制定的相關(guān)政策、行業(yè)規(guī)范對建筑形態(tài)產(chǎn)生重要影響，包括政府部門、科研部門等。

2.2 BIM 信息協(xié)同研究

項目管理的重點是各參與方之間的相互合作與交流，裝配式建筑各參與方之間的信息具有雙向性和復(fù)雜性，常出現(xiàn)信息傳遞不及時、不完整的情況。基于BIM 的信息協(xié)同管理模型能很好地解決這一問題，實現(xiàn)信息高效共享和傳遞。BIM 信息協(xié)同模型主要包括：數(shù)據(jù)層、模型層、應(yīng)用層、用戶層四個層面。其中，數(shù)據(jù)層是基礎(chǔ)，收錄和共享不同時期的各項數(shù)據(jù)；模型層為各設(shè)計方提供相互配合的平臺，為各參與方提供直觀的信息模型，方便及時查看做出反饋；應(yīng)用層則將BIM 的數(shù)據(jù)信息提取分類，提供不同種類的功能服務(wù)，并及時反饋現(xiàn)場情況做出相應(yīng)調(diào)整；用戶層根據(jù)自己需要，登錄平臺賬號，實時查看、修改、提取信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享（圖1）。

圖1 BIM 信息協(xié)同模型圖

2.3 BIM 管理應(yīng)用研究

裝配式建筑建造管理是在利用BIM 建立的三維模型基礎(chǔ)上，將項目數(shù)據(jù)和文件信息與BIM 模型關(guān)聯(lián)，通過BIM 系統(tǒng)將施工管理系列軟件系統(tǒng)和項目綜合管理系統(tǒng)兩大部分組合起來[4]，建立模型信息與數(shù)據(jù)管理雙向?qū)?；為項目管理提供包括施工進(jìn)度、質(zhì)量、成本、安全以及材料采購等信息，滿足各參與主體業(yè)務(wù)管理需求；最終形成5D 數(shù)字化信息模型，為項目實時監(jiān)測管理提供擴(kuò)展功能，實現(xiàn)基于BIM 信息交換和協(xié)同管理，全面提高項目建造過程精細(xì)化管理水平（圖2）。

圖2 BIM 管理框架流程圖

3 案例應(yīng)用分析

結(jié)合我國裝配式建筑工程項目建造的實際情況，BIM 技術(shù)在項目中的應(yīng)用由建設(shè)單位主導(dǎo)，總承包單位負(fù)責(zé)，多個參與主體共同參與實施，主要包括模型深化設(shè)計、施工動態(tài)模擬、動態(tài)管理三個方面。

3.1 項目概況

北京某裝配式住宅項目位于北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)（圖3）?？偨ㄖ娣e約28 萬m2,共17 棟住宅樓，3 層以上是裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件種類繁多，包括：外墻板、內(nèi)墻板、疊合板、樓梯、陽臺板等，裝配率高達(dá)53%，預(yù)制率43%。預(yù)制構(gòu)件加工生產(chǎn)及施工現(xiàn)場安裝連接是工程管控重點。

圖3 項目鳥瞰圖

3.2 模型深化設(shè)計

3.2.1 BIM 模型建立

裝配式建筑模型建立需要建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、給排水、暖通、預(yù)制構(gòu)件等多個專業(yè)參與，各專業(yè)之間既是獨立的子系統(tǒng)，又共同構(gòu)成一個復(fù)雜的整體系統(tǒng)。通過BIM 協(xié)同管理平臺，實現(xiàn)不同專業(yè)之間信息集成，將全部信息保存在一個數(shù)據(jù)庫內(nèi)，各設(shè)計人員根據(jù)自己的需求從數(shù)據(jù)庫中提取，實現(xiàn)建筑模型信息的編輯、轉(zhuǎn)換和共享[1]，提高設(shè)計效率與準(zhǔn)確性。

在實際應(yīng)用中，由于住宅小區(qū)建筑物形體比較規(guī)整，因此選用Revit進(jìn)行三維建模。首先，將墻體拆分成不同模型的構(gòu)件，設(shè)置構(gòu)件參數(shù)性能、材料種類，建立構(gòu)件模型庫，根據(jù)構(gòu)件特點提取組合進(jìn)行初步設(shè)計；其次，結(jié)構(gòu)、機(jī)電、管道等不同專業(yè)人員相互配合進(jìn)行綜合設(shè)計；最后，碰撞檢測深化設(shè)計，及時修改設(shè)計中不合理的地方，優(yōu)化設(shè)計方案（圖4）。

圖4 三維建模

3.2.2 預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計

裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計要以“少規(guī)格，多組合”為原則，減少模具種類，降低建造成本。裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計內(nèi)容包含：鋼筋預(yù)留預(yù)埋、孔洞預(yù)留、鋼筋連接方式以及現(xiàn)場施工安裝。利用BIM 技術(shù)深化設(shè)計，實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件加工圖紙和三維模型參數(shù)化數(shù)據(jù)雙向連接，滿足施工生產(chǎn)的需求。

在實際應(yīng)用中，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計提取包括：構(gòu)件標(biāo)號、圖紙編號、混凝土鋼筋用量、預(yù)埋件、預(yù)留孔洞等信息[14]，為工廠集中生產(chǎn)加工提供助力。此外，為每個預(yù)制構(gòu)件制作二維碼標(biāo)簽，標(biāo)簽信息主要包括：工程項目名稱、產(chǎn)品型號、生產(chǎn)日期、使用部位、檢測人員，以及構(gòu)件自身數(shù)據(jù)，混凝土強(qiáng)度、PC 方量、混凝土量、保溫體積等，通過手機(jī)等電子產(chǎn)品掃描二維碼顯示構(gòu)件的信息，實現(xiàn)不同專業(yè)人員之間構(gòu)件信息傳遞快速、完整。

3.3 施工動態(tài)模擬

3.3.1 場地優(yōu)化布置

預(yù)制構(gòu)件在施工現(xiàn)場堆放、移動、吊裝是裝配式建筑場地優(yōu)化管理的核心內(nèi)容，利用無線射頻技術(shù)（radio frequency identification，RFID）和BIM 技術(shù)相結(jié)合的方式，建立三維場地布置模型，對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行追蹤定位，按照施工進(jìn)度優(yōu)化場地設(shè)計。根據(jù)樓號、樓層將預(yù)制構(gòu)件堆放位置合理劃分區(qū)域，同時，考慮垂直運輸空間以及塔吊半徑，在半徑允許范圍內(nèi)盡可能減少構(gòu)件搬運次數(shù)，提高場地使用效率。

在實際應(yīng)用中，場地規(guī)劃布置的要素有：出入口位置、車輛運輸?shù)缆?、材料堆放倉庫、材料加工區(qū)、臨時辦公區(qū)、大型機(jī)械等。利用BIM 技術(shù)建立四維空間場地布置模型，動態(tài)模擬分析施工場地布置方案，優(yōu)化不同時間節(jié)點場地布置情況，使不同施工階段場地布置與整體項目場地規(guī)劃布置相協(xié)調(diào)，達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)（圖5）。

圖5 場地布置模擬圖

3.3.2 重難點可視化交底

我國裝配式建筑發(fā)展比較晚，目前還處于基礎(chǔ)階段，施工技術(shù)不夠成熟，因此，裝配式建筑在施工前，必須組織施工人員進(jìn)行技術(shù)交底。相比于傳統(tǒng)的技術(shù)交底方式，基于BIM的施工技術(shù)交底更詳細(xì)、更直觀，可有效降低施工人員理解難度，保障現(xiàn)場施工質(zhì)量。

在實際應(yīng)用中，利用BIM 技術(shù)對工人進(jìn)行施工前的教育培訓(xùn)，三維可視化模型將各類施工信息匯總，以文件、圖片、模型、動畫的方式展現(xiàn)出來（圖6），有助于工人清楚地理解施工過程的作業(yè)條件、材料要求、工序流程、技術(shù)要點、成品防護(hù)、環(huán)保措施以及注意事項，提高施工人員知識儲備，保障施工生產(chǎn)。

圖6 屋面構(gòu)造模型圖

3.4 施工動態(tài)管理

在項目施工管理中，施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本是項目管理的核心目標(biāo)，決定著整個項目的綜合效益。

3.4.1 進(jìn)度管理分析

裝配式建筑的施工進(jìn)度動態(tài)管理模式區(qū)別于傳統(tǒng)建筑的進(jìn)度管理，裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件工廠化加工生產(chǎn)與現(xiàn)場安裝施工的方式，決定了各參與方信息協(xié)同的重要性，可加強(qiáng)信息傳遞效率，優(yōu)化施工進(jìn)度管理，有效節(jié)約時間成本?；贐IM 技術(shù)的裝配式建筑施工進(jìn)度管理，可從進(jìn)度模擬和實時監(jiān)控兩個方面優(yōu)化施工進(jìn)度，提高生產(chǎn)效率（表1）。

表1 BIM 技術(shù)進(jìn)度應(yīng)用分析表

在實際應(yīng)用中，建立項目進(jìn)度橫道圖，采用可視化4D 信息模型模擬施工進(jìn)度，以及從項目開工到項目結(jié)束的全施工過程。動畫模擬過程中，隨著時間的變化，項目建設(shè)不斷推進(jìn)，可及時發(fā)現(xiàn)施工進(jìn)度計劃中不合理的地方，優(yōu)化工期安排。此外，對于復(fù)雜工序，按照時間節(jié)點合理安排機(jī)械、材料、人員等配備情況，提前做好準(zhǔn)備工作，可有效減少施工間歇，加快施工進(jìn)度。

3.4.2 質(zhì)量管理分析

裝配式建筑施工質(zhì)量的控制要求高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑。我國裝配式建筑一般采用套筒灌漿法，為保障預(yù)制構(gòu)件在施工現(xiàn)場精準(zhǔn)安裝，裝配式建筑施工質(zhì)量管理主要包括兩個方面的因素：①預(yù)制構(gòu)件制作加工的質(zhì)量管理；②預(yù)制構(gòu)件在施工現(xiàn)場安裝的質(zhì)量管理?；贐IM 技術(shù)的質(zhì)量管理，從裝配式建筑局部生產(chǎn)管理到整體質(zhì)量管控，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，減少了二次返工，節(jié)約了項目隱形成本（表2）。

表2 BIM 技術(shù)質(zhì)量應(yīng)用分析表

在實際應(yīng)用中，運用碰撞檢查功能，找出構(gòu)件之間的碰撞點1 000 余處，其中，機(jī)電管線碰撞點940 處。碰撞檢測生成的報告文件，包含構(gòu)件碰撞類型，位置、標(biāo)記代碼及碰撞點圖例等信息。根據(jù)文件中的碰撞點一一查看修改，優(yōu)化模型信息，多次利用碰撞檢查，直至碰撞點完全修改完成，以保證施工質(zhì)量。

3.4.3 安全管理分析

裝配式建筑施工現(xiàn)場安全管理分階段、分區(qū)域進(jìn)行，如預(yù)制構(gòu)件安裝階段，吊裝作業(yè)、高空運輸是主要危險源，機(jī)電安裝階段，電梯井安全防護(hù)欄是主要危險源。分析總結(jié)各種危險源對工程施工影響程度，根據(jù)分析預(yù)測結(jié)果，制定行之有效的預(yù)防和事故應(yīng)急處理措施[15]?；贐IM 技術(shù)的數(shù)字信息化模型，可以在空間、時間上動態(tài)模擬施工變化，預(yù)測實際施工過程中可能發(fā)生的事故，建立科學(xué)有效的安全管理體系，減少事故發(fā)生。BIM 技術(shù)與VR 技術(shù)相結(jié)合，虛擬模擬施工現(xiàn)場事故，操作人員看實景感受事故危險，提高安全意識。

在實際應(yīng)用中，BIM 可視化模擬技術(shù)在模擬預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場安裝施工過程中，可及時識別具有危險因素的部位，按照施工進(jìn)度表和施工部位將危險因素提前分類，根據(jù)危險因素影響程度劃分危險級別，盡量減少甚至消除外部影響因素，編制應(yīng)急預(yù)案，協(xié)助各部門做好預(yù)防措施。另外，通過智慧工地實時監(jiān)測體系（圖7），可隨時查看施工人員在現(xiàn)場安全佩戴情況，規(guī)范施工作業(yè)行為，減少安全事故。

圖7 智慧工地實時監(jiān)測系統(tǒng)

3.4.4 成本管理分析

裝配式建筑由于預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、加工、運輸?shù)纫幌盗泄ば?，其成本往往比傳統(tǒng)建筑高，要控制裝配式建筑的成本，首先要提高信息集成與協(xié)同效率?；贐IM 技術(shù)的5D 成本管理，對裝配式建筑成本管理有著巨大的改善作用，在投資分析、動態(tài)模擬、過程控制等方面有著諸多優(yōu)勢（表3）。

表3 BIM 技術(shù)進(jìn)度應(yīng)用分析表

在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)表明，BIM技術(shù)成本核算管理可節(jié)約90%算量時間，同時，減少人為因素導(dǎo)致的算量錯誤?；贐IM 技術(shù)建立三維信息化模型，包括建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電專業(yè)，建立施工圖紙與三維模型信息參數(shù)雙向?qū)樱纬砂?gòu)件材料種類、位置、尺寸、厚度等屬性的材料用量匯總表，分析歸納提取各項數(shù)據(jù)，匯總形成計劃成本，從整體上調(diào)控項目成本計劃，使其達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語

BIM 技術(shù)在全國范圍內(nèi)的推廣和應(yīng)用，為裝配式建筑建造過程智能化管理提供了條件。裝配式建筑的管理核心是多個參與方的信息協(xié)同管理，BIM 技術(shù)相關(guān)軟件及應(yīng)用平臺為裝配式建筑管理提供有效方式。本文詳細(xì)分析了BIM 技術(shù)的發(fā)展趨勢以及信息協(xié)同管理的應(yīng)用，并以北京某住宅小區(qū)的實際應(yīng)用為例，總結(jié)BIM 技術(shù)在裝配式建筑建造管理過程中的應(yīng)用價值，可為實現(xiàn)建筑全生命周期精細(xì)化管理的目標(biāo)，推動BIM 技術(shù)在裝配式建筑管理中的應(yīng)用提供借鑒參考。