基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑信息化實踐與探索

鄧于莘 韓彧

（1.閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建省龍巖市 364000 2.龍巖學(xué)院 福建省龍巖市 364000）

裝配式建筑不僅提升建筑設(shè)計的質(zhì)量和品質(zhì)、縮短工期、提高效率、而且易標(biāo)準(zhǔn)化、綠色節(jié)能，節(jié)省材料和人力成本等，相比傳統(tǒng)建筑方式，裝配式建筑所需要的勞動力可減少至少30%以上，項目施工期可以縮短30%，建筑垃圾可以減少80%以上。更高水平的智慧建筑作為智慧城市的重要組成部分，是城市管理和建筑行業(yè)未來的發(fā)展方向，是建造方式升級和綠色施工得以發(fā)展的推手。BIM 技術(shù)是建筑信息模型技術(shù)，是實現(xiàn)建筑全過程管理的有效手段，旨在有效提高建筑工程設(shè)計、施工的整體質(zhì)量、施工效率以及后期維護(hù)效率。

1 工程概況

本工程為某企業(yè)辦公樓項目，位于泉州市洛江區(qū)，建筑占地面積1449.34m，總面積13313.14m，地上9 層，高度為47.00m。

工程為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計使用年限50 年，耐火等級二級，框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為二級，采用沖孔灌注樁+樁承臺基礎(chǔ)形式。采用裝配式結(jié)構(gòu)，分為工廠構(gòu)件預(yù)制、組裝和構(gòu)件現(xiàn)場安裝兩個階段，施工特點主要包括標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化組合、工業(yè)化生產(chǎn)，集約化施工，具有低能耗，更環(huán)保、更高效的優(yōu)點。施工時需要充分考慮城市道路的擁堵和交通影響，因此，預(yù)制構(gòu)件和材料運輸難度較大。本項目采用BIM 技術(shù)，遵循“安全、通用、經(jīng)濟(jì)、實用”的原則。從項目設(shè)計、物料配送、施工、安裝到竣工調(diào)試全過程實施信息化管理。

2 BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 基于BIM的施工方案設(shè)計

基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑全過程流程如圖1 所示，系統(tǒng)設(shè)計協(xié)同設(shè)計中使用的BIM 軟件主要有CAD、PKPM、Revit、Navisworks 等。在BIM 建模軟件中依據(jù)建筑施工圖、結(jié)構(gòu)施工圖、設(shè)備施工圖，完成三維建筑信息模型的建模工序后將其導(dǎo)入Navisworks 設(shè)計驗證工具進(jìn)行碰撞驗證（圖2）。在確定裝配式建筑構(gòu)件類型、尺寸，明確設(shè)計要求后，設(shè)計人員可以利用BIM 設(shè)計軟件對裝配式構(gòu)件如疊合板、樓梯、墻體等預(yù)制構(gòu)件以及各種集成零件進(jìn)行細(xì)化設(shè)計，創(chuàng)建BIM 模型。在利用BIM 軟件深化設(shè)計的過程中，要堅持遵循原平面圖和二維施工圖的設(shè)計意圖，必須滿足各種技術(shù)規(guī)范的要求，并加強(qiáng)各工序、各施工單位、構(gòu)件預(yù)制工廠之間的協(xié)調(diào)和溝通。此外，還要結(jié)合裝配式建筑施工中實時需求，如電纜箱、管線、孔洞的定位、鋼筋的碰撞、施工順序、施工時人員和工具的操作平臺等，預(yù)制構(gòu)件的深化BIM 模型可以在設(shè)計協(xié)作平臺（Navisworks）上組裝成整體的包含全部信息的建筑模型。將模型導(dǎo)入Navisworks 軟件集成后，進(jìn)行碰撞驗證，實現(xiàn)裝配式建筑要求的精細(xì)化設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)的安全性。該項目主要進(jìn)行鋼筋、模板安裝和管道集成方面的碰撞驗證。最后，確認(rèn)碰撞驗證結(jié)果并將其發(fā)送回設(shè)計軟件進(jìn)行模型修改。在預(yù)校準(zhǔn)和碰撞驗證后，再次仔細(xì)檢查施工圖紙，可以利用Revit 創(chuàng)建相應(yīng)的圖紙，例如建筑平面圖、建筑立面圖和建筑剖面圖，可生成CAD 或PDF 格式的施工圖紙。

圖1： 基于BIM 的裝配式建筑全過程

圖2： 碰撞驗證

2.2 基于BIM的施工場地設(shè)計

場地一般是指建筑物所處的環(huán)境。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計是經(jīng)驗主義的，具有很大的不確定性。但在BIM 技術(shù)的幫助下，項目前期的場地分析變得合理合理，主要包括場地自然條件和結(jié)構(gòu)條件的分析。

2.2.1 場地氣候條件分析

BIM 技術(shù)在建筑設(shè)計初期綜合分析場地氣候條件，據(jù)此設(shè)計節(jié)能建筑，進(jìn)一步降低建筑能耗?？梢岳眉森h(huán)境分析軟件ECOTECT 的天氣工具具有可視化分析和轉(zhuǎn)換每小時天氣數(shù)據(jù)的能力。通過在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程中對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以直觀、快速地獲取氣象數(shù)據(jù)。同時，可以大致了解建筑物所在的區(qū)域。基于焓-濕度圖的策略分析獲得建筑物所在區(qū)域的熱舒適區(qū)，可以分析應(yīng)用不同被動設(shè)計策略前后熱舒適區(qū)的變化和影響。

2.2.2 場地地形分析

如果施工現(xiàn)場比較復(fù)雜，我們在規(guī)劃設(shè)計中通常要對現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)的分析。通過將 BIM 與GIS 技術(shù)結(jié)合使用，可以快速進(jìn)行場地空間分析，例如：高程、坡度、坡度等縱橫比分析可用于山體結(jié)構(gòu)設(shè)計。一些初步研究為我們的設(shè)計提供了一些新的方法和思路。在使用高程分析圖和地形分析圖時，不同的色調(diào)代表不同的高程，可以對整個地形有一個直觀的大致了解。通過GIS 建模和繪制坡度分析圖，可以表達(dá)和了解給定區(qū)域的具體地形結(jié)構(gòu)，為設(shè)計不同坡度的土地利用提供依據(jù)。用GIS 繪制坡面剖面分析時，地球坡的方位用不同深淺的顏色表示，坡的類型影響建筑物的采光和通風(fēng)位置。在寒冷地區(qū)，建議選擇面向太陽且避風(fēng)的地方。使用GIS 建模技術(shù)可以快速輕松地創(chuàng)建透視圖，讓設(shè)計人員能夠以不同的角度和方向觀察不同建筑物之間起伏的地形變化和體量關(guān)系。此外，GIS 模型可用作進(jìn)一步設(shè)計的輸入，并傳輸?shù)杰浖赃M(jìn)行進(jìn)一步的處理。

2.3 基于BIM的建筑間距設(shè)計

2.3.1 利用陰影范圍確定建筑間距

Ecotect 的“陰影范圍”功能可以檢查特定時間段內(nèi)建筑物陰影區(qū)域的屬性和變化。用于分析建筑物中太陽距離的強(qiáng)大工具，陰影區(qū)域旨在顯示特定時間間隔內(nèi)低于當(dāng)前日期的特定時段。通過改變時間，陰影區(qū)域可以自動更新。以泉州萬科金域夢想小區(qū)住宅建筑為例，圖3 為一個長10m、寬5m、高8m 的建筑模型。日期是非常冷的一天（1 月21 日），陰影區(qū)是非常冷的一天，這是分析建筑物日照距離的基礎(chǔ)。

圖3： 住宅建筑陰影范圍

泉州地區(qū)白天從早上8 點持續(xù)到下午4 點。因此，陰影區(qū)域的開始和結(jié)束時間分別設(shè)置為8:00 和16:00，間隔1 小時。最后，我們計算了泉州地區(qū)寒冷天早上8 點到下午4 點的陰影區(qū)域。從上午11:00 到下午1:00 的陰影長度為22.2m，相當(dāng)于一個高度為18m 的建筑物。當(dāng)建筑物之間的距離達(dá)到22.2m 時，寒冷地區(qū)可以滿足2 小時以上的日照需求，因此泉州地區(qū)日照間隔系數(shù)為22.2/18=1.23。實際上，朝南的建筑物只是理想的情況。在大多數(shù)情況下，建筑物的朝向會根據(jù)地形等因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。因此，有必要對其他方向性建筑物的足跡進(jìn)行太陽輻射距離的分析計算。45°WSW，30°SWW，15°WSW，45°SEE，30°SEE，15°SEE 陰影范圍以及08:00 至16:00 寒冷天13:00 陰影范圍的模擬長度，并以大寒日正午11:00-13:00 的陰影長度與正南方向正午的陰影長度對比分析，得到6 個方位的折減系數(shù)。

2.3.2 利用通風(fēng)分析確定建筑間距

確定適當(dāng)?shù)慕ㄖ飪艨盏哪康闹皇谴_保建筑物通風(fēng)良好。在影響室外空間通風(fēng)環(huán)境的因素中，周圍建筑物對迎風(fēng)面前方建筑物的阻塞影響最大。前方建筑物的寬度、高度和深度的差異會影響建筑物的背風(fēng)區(qū)域。換句話說，建筑物的通風(fēng)間隔不同，以獲得最佳通風(fēng)。在垂直于建筑物正面的風(fēng)的情況下，如果建筑物之間的距離超過4 到5 小時，建筑物后面的迎風(fēng)面可以保持正壓，因此應(yīng)增加建筑物之間的距離以保持建筑物氣流。根據(jù)英國科學(xué)家的一項研究，只有建筑物之間的距離D 是前一棟建筑物高度H 的6 倍，才能避免“滑流”效應(yīng)。陽光距離通常比通風(fēng)距離短得多，這樣可以節(jié)省空間和成本，在實際項目中很少使用。此外，在平面圖中，如果風(fēng)相對于建筑物傾斜，則后面的下風(fēng)區(qū)域的范圍和形狀會發(fā)生顯著變化。通過模擬建筑物不同的風(fēng)向和角度，可以得出30°、45°和60°的風(fēng)向入射角有利于室外環(huán)境的通風(fēng)，也為通風(fēng)提供了良好的增加條件。一般來說，風(fēng)的距離和入射角越大（0°到60°以內(nèi)），綜合體的通風(fēng)效果就越大。選擇建筑物的入射角和通風(fēng)距離。當(dāng)風(fēng)的入射角為0°時，與建筑物的距離對通風(fēng)效果影響不大。因此，平面圖應(yīng)避免建筑物與風(fēng)向的垂直夾角，減少建筑物的通風(fēng)距離（圖4）。

圖4： 不同風(fēng)向入射角度的通風(fēng)狀況比較

3 BIM技術(shù)在裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)制造中的應(yīng)用

構(gòu)件制造是裝配式建筑的重要步驟。在構(gòu)件制造過程中，利用BIM 技術(shù)對構(gòu)件制造信息進(jìn)行管控，可以有效提高構(gòu)件制造的自動化水平，構(gòu)件制造過程不需要太多的人工干預(yù)，大大提高了構(gòu)件制造效率，同時保證配件的質(zhì)量。在構(gòu)件制造過程中，可以基于BIM 技術(shù)加強(qiáng)設(shè)計、制造、施工之間的聯(lián)系，圍繞構(gòu)件的類型、尺寸、數(shù)量、質(zhì)量、原材料等信息，結(jié)合BIM-EPR 技術(shù)實現(xiàn)構(gòu)件制造過程自動化控制，動態(tài)調(diào)整生產(chǎn)加工信息，最終達(dá)到精密加工的目的。如通過BIM可以對每一個構(gòu)件進(jìn)行編碼，每個預(yù)制件都被分配一個唯一的ID，通過建立國家信息系統(tǒng)，可以按照BIM 中的IFC 標(biāo)準(zhǔn)對預(yù)制構(gòu)件信息進(jìn)行高效處理。所謂IFC 標(biāo)準(zhǔn)是指能夠準(zhǔn)確描述實體搜索的目標(biāo)或抽象概念信息的復(fù)雜數(shù)據(jù)系統(tǒng)，根據(jù)IFC標(biāo)準(zhǔn)可以開出準(zhǔn)確獲取相關(guān)組件信息的具體內(nèi)容。對于相關(guān)的預(yù)制構(gòu)件，IFC 標(biāo)準(zhǔn)可以對其進(jìn)行描述和劃分等級。首先，通過明確各種預(yù)制構(gòu)件的尺寸和材料成分信息，可以有效確定預(yù)制構(gòu)件的具體類型。然后確定預(yù)制構(gòu)件的交互性，并在其他預(yù)制元素模型之間建立良好的連接，這有利于預(yù)制元素的后續(xù)安裝。建立IFC 標(biāo)準(zhǔn)體系，確定各種現(xiàn)成構(gòu)件的信息狀態(tài)，有效實現(xiàn)信息的實時交換，便于后續(xù)的預(yù)制構(gòu)件統(tǒng)一生產(chǎn)、運輸和施工。此外，BIM 技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，可以實現(xiàn)通過掃碼自動管理生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息，為后續(xù)的裝配式建筑施工打下良好的基礎(chǔ)。

4 BIM技術(shù)在裝配式建筑施工中的應(yīng)用

4.1 建筑施工平面布置優(yōu)化

使用魯班的BIM 場布軟件可以合理組織施工場地的整體布局，確保施工場地布局合理，用水用電安全方便，場地排水排污設(shè)施通暢，場地道路交通暢通。垂直運輸既經(jīng)濟(jì)又合理。

4.2 裝配施工過程模擬

如圖5 所示，該房屋建筑工程可以利用BIM 軟件對施工方案和過程進(jìn)行建模，全面清晰地呈現(xiàn)施工過程，識別施工過程中可能出現(xiàn)的各種問題，及時調(diào)整方案。采取預(yù)防和控制措施。例如，在設(shè)計支撐系統(tǒng)時，必須滿足一定的承載力要求和穩(wěn)定性要求。在承重狀態(tài)下，支撐梁模板和單杠的尺寸需要滿足強(qiáng)度要求，確保不發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。保證施工過程中模板支架有足夠的承載能力和可靠的穩(wěn)定性是構(gòu)建模板體系的關(guān)鍵?？梢允褂?BIM 技術(shù)進(jìn)行安裝建模，以確保支撐系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。在以往的建造過程可能會出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)與設(shè)備之間的碰撞，出現(xiàn)碰撞需要再像設(shè)計院請示更改方式，會損耗很多的工時與經(jīng)濟(jì)，造成一些不必要的浪費，如今通過BIM 技術(shù)可以在建造前期及時發(fā)現(xiàn)碰撞的存在，提前做好改善措施，可以大大減少工時與經(jīng)濟(jì)上的損失。

圖5： 裝配施工過程模擬

4.3 施工進(jìn)度控制

在構(gòu)件的BIM 模型中通過不同顏色標(biāo)記預(yù)制構(gòu)件的各種狀態(tài)，直觀呈現(xiàn)裝配施工的進(jìn)度。通過對比既定工期與實際工期可以清楚地看到工廠施工進(jìn)度的快慢，方便項目管理人員分析施工進(jìn)度的影響因素，并進(jìn)行討論分析，采取有效措施保證施工進(jìn)度如圖6 所示。

圖6： 裝配施工進(jìn)度模擬

4.4 工程量統(tǒng)計與查詢

裝配式建筑施工與傳統(tǒng)的混凝土澆筑施工不同，預(yù)制構(gòu)件的混凝土方量已經(jīng)固定，只要在裝配施工前統(tǒng)計好施工工程量就可以明確構(gòu)件的生產(chǎn)量，通過BIM 技術(shù)實現(xiàn)信息傳遞，再構(gòu)建生產(chǎn)企業(yè)依圖設(shè)計，在施工現(xiàn)場可以有效跟蹤預(yù)制構(gòu)件的使用狀態(tài)，從而準(zhǔn)確獲取各個裝配施工工序的完工情況以及工程量，通過計算機(jī)進(jìn)行自動統(tǒng)計分析，方便項目管理人員隨時查看和使用，也能大大減少人工計算所需要的時間，同時也避免一些計算的失誤。

4.5 施工質(zhì)量與施工安全管理

在裝配式建筑施工中通過拍攝圖片、錄制音視頻、文字記錄等方式獲取施工質(zhì)量、施工安全相關(guān)信息，并輸入BIM模型建立信息關(guān)聯(lián)。通過BIM 軟件在模型中以文檔圖釘形式展現(xiàn)，方便項目管理人員及時了解存在的施工質(zhì)量問題、施工安全問題，以便采取有效措施及時解決，確保工程質(zhì)量。

5 結(jié)論

綜上所述，結(jié)合某裝配式房屋建筑工程探討將BIM 技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑全過程進(jìn)行信息化管理，在裝配式建筑施工中，預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量直接關(guān)系到整體建筑質(zhì)量，通過BIM 可以有效提高預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)自動化控制水平，跟蹤預(yù)制構(gòu)件的狀態(tài)，管理預(yù)制構(gòu)件信息，從而有效保證預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量。此外，在施工過程中應(yīng)用BIM 技術(shù)能夠有效提高建筑工程各參與方的協(xié)作效率，更好地指導(dǎo)施工方案的實施。因此，在裝配式建筑施工各環(huán)節(jié)可以利用BIM 技術(shù)將建筑工程信息整合，方便裝配式建筑施工環(huán)節(jié)的管理，及時發(fā)現(xiàn)問題構(gòu)件，在減少成本的同時提高裝配式建筑工程的安全性和使用壽命。