BIM 技術(shù)在裝配式混凝土建筑中的應(yīng)用研究

陳躍剛

（上海建工五建集團有限公司，上海 200063）

0 引言

近年來，裝配式混凝土建筑由于其顯著的優(yōu)勢而越發(fā)受到重視，2016 年發(fā)布的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》更是奠定了裝配式混凝土建筑迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)，全國各地也都出臺了相應(yīng)的推廣政策。2013 年－ 2020 年，裝配式建筑市場規(guī)模由 3 億元增長到 290 億元。但是，伴隨著這種迅猛發(fā)展而來的，是裝配式混凝土建筑施工過程中出現(xiàn)的眾多質(zhì)量問題以及施工困難點。例如圖 1 所示的徐州市農(nóng)科院項目中，疊合板尺寸以及預留線盒的點位錯誤等問題，圖 2 中綠地博覽中心項目預制疊合板底部產(chǎn)生裂紋，而此類問題勢必會對建筑安全性產(chǎn)生影響。因此面對發(fā)展迅猛的裝配式建筑，找出對預制構(gòu)件全套生產(chǎn)流程進行更好地管控的手段是非常必要的［1］。

圖1 疊合板尺寸問題

運用 BIM 技術(shù)可以將建筑施工過程中的各個相關(guān)聯(lián)的信息作為基礎(chǔ)，實現(xiàn)整體建筑模型的細致建模，以數(shù)字信息模擬建筑物的全部實際細節(jié)，讓管理人員能夠以信息化手段對整個項目進行管理。BIM 技術(shù)不僅具備完整性、一致性、相互關(guān)聯(lián)性的特點，它的仿真模擬、協(xié)調(diào)、優(yōu)化能力、可視化特點以及出圖功能都與裝配式建筑高度契合，因此利用 BIM 手段對裝配式混凝土建筑施工進行指導，對更好地管控裝配式混凝土建筑有很高的實用價值［2］。

1 BIM 在裝配式混凝土建筑預制構(gòu)件中的應(yīng)用

1.1 BIM 在預制外墻板設(shè)計階段的應(yīng)用

在沈陽市惠生新城公租房項目中，采用了 BIM 技術(shù)對外墻板的制作與施工進行了全面的方案優(yōu)化以及質(zhì)量管控。

由于 BIM 模型高度參數(shù)化的特點，對于同樣類型的預制構(gòu)件只需進行一次建模，若想得到其他同類型的預制構(gòu)件則只需要對參數(shù)進行相應(yīng)的修改，因此非常適用于大部分構(gòu)件類型相一致的裝配式建筑。只需要建立項目所涉及的不同類型的預制構(gòu)件族便可以通過組合拼接，得到整體的工程模型。同時還可以將已經(jīng)建立好的預制構(gòu)件族上傳至數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過長時間的積累后便可得到龐大的預制構(gòu)件族庫，方便日后找出適用于相應(yīng)裝配式混凝土建筑的預制構(gòu)件模型。

在預制構(gòu)件設(shè)計階段引入 BIM 技術(shù)進行深化設(shè)計，還可以對預制過程中出現(xiàn)的錯誤進行預防。在混凝土構(gòu)件施工時，鋼筋施工極容易出現(xiàn)錯誤，僅依賴平面圖紙對施工過程進行管控很容易導致預制構(gòu)件成品出現(xiàn)質(zhì)量問題。在該公租房項目中，采用套筒連接的方式對上下層的裝配式外墻板進行連接，若下層鋼筋與上層套筒無法精確對接，會導致返工以及破除的情況，不僅打亂后續(xù)生產(chǎn)計劃，還會影響現(xiàn)場的施工進度。BIM 的三維可視化模擬功能便可以很好地解決這一問題，利用 BIM 對預制構(gòu)件安裝過程進行模擬，便能夠提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計上不合理的地方，以提高后期的安裝效率。

不僅如此，進行深化設(shè)計時，遇到例如結(jié)構(gòu)鋼筋與預留孔洞的碰撞問題，都可以利用 BIM 手段，在設(shè)計階段將問題全部解決。如圖 3 所示，在圖中可以非常清楚地看到電器預留孔以及預埋件等精確的位置，并從多角度進行展示。若發(fā)現(xiàn)了鋼筋碰撞情況，可及時進行調(diào)整，避免碰撞問題的發(fā)生，同時也避免了工人在施工時，遇到鋼筋碰撞而對結(jié)構(gòu)鋼筋進行扭曲，留下質(zhì)量隱患的情況。

圖3 預制外墻板深化模型

1.2 BIM 在預制板件安裝質(zhì)量控制中的應(yīng)用

裝配式建筑中，預制構(gòu)件與結(jié)構(gòu)之間存在大量復雜的節(jié)點，節(jié)點接縫的處理一旦出現(xiàn)差錯，容易導致滲水以及結(jié)構(gòu)強度降低的情況，影響建筑質(zhì)量，遺留安全隱患。因此惠生新城公租房項目引用 BIM 手段對現(xiàn)澆節(jié)點進行 BIM 建模，通過可視化模擬對現(xiàn)場施工進行教學，實現(xiàn)施工工序的系統(tǒng)控制。圖 4 為 L 形節(jié)點的平面設(shè)計圖與 BIM 三維視圖的對比圖，可以明顯看出 BIM 三維視圖具備更高的可視化程度，非常清晰地展示出了鋼筋間的空間位置關(guān)系，利用這樣的三維視圖進行技術(shù)交底，便可以最大程度減少錯誤施工，提高施工質(zhì)量。除了復雜節(jié)點的可視化三維建模外，該公租房項目還利用 BIM 技術(shù)來解決預制轉(zhuǎn)角板容易出現(xiàn)保溫層脫落的問題，在利用 BIM 軟件進行設(shè)計后，決定在邊緣位置將連接件的數(shù)量增加 10 % 左右，同時采用在脆弱的連接點附加豎向邊條的方式來保護保溫層。

2 BIM 在裝配式混凝土建筑質(zhì)量管理中的應(yīng)用

2.1 BIM 安全信息模型

由于裝配式混凝土建筑在深化設(shè)計階段有非常大的工作量，導致有較多的問題出現(xiàn)在設(shè)計階段，如鋼筋碰撞，板件的尺寸問題以及線盒點位出錯等，而引用BIM 技術(shù)后，其獨特的建筑空間模型化，最大程度地減少了出錯的可能性，提升了各專業(yè)間的協(xié)調(diào)性。

徐州市安置房項目 F 地塊便采用了 BIM 技術(shù)對整個項目的建筑質(zhì)量進行管控，以 BIM 的安全信息模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)該項目各參建單位較為良好的協(xié)同工作，大大減少了專業(yè)與專業(yè)之間的沖突，提前對項目設(shè)計以及施工過程中可能出現(xiàn)的問題與風險進行預測，以零安全事故為底線，以 BIM 應(yīng)用示范項目為目標，提升項目整體的管理水平。

采用 BIM 手段對裝配式混凝土建筑的施工過程進行安全管控，建立安全信息模型是必不可少的。在圖 5 所示的安全信息模型中，將預制構(gòu)件歸納為多個族，如預制剪力墻族、預制板族等。在安全信息模型的創(chuàng)建過程中，設(shè)計圖紙中的一些細節(jié)問題便會被暴露出來，例如圖例缺失，尺寸出錯等。建立好完整的安全信息模型后，再利用 BIM 進行碰撞檢測，按照實際情況合理調(diào)整設(shè)計圖紙，以達到既保證預制構(gòu)件質(zhì)量又不影響施工節(jié)點進度的目的。還可以通過該模型的可視化功能，對負責現(xiàn)場施工的相關(guān)人員進行安全教育，以達到安全零隱患的施工底線［3］。

圖5 BIM 安全信息模型

2.2 BIM 在裝配式混凝土建筑施工場地布置中的應(yīng)用

徐州市安置房項目施工時，共有 20 棟建筑的單體同時施工，涉及到數(shù)臺塔吊以及車輛同時進行作業(yè)，這就導致現(xiàn)場布置非常緊湊，若無法合理安排車輛行進路線以及作業(yè)區(qū)域范圍，很容易出現(xiàn)時間以及空間上的沖突。而利用 BIM 技術(shù)，在 Fuzor 軟件進行施工模擬，提前判斷出可能出現(xiàn)的沖突點，改良現(xiàn)場布置方案的同時也不斷進行模擬過程，直至得出最優(yōu)方案。

在預制構(gòu)件運輸前，項目管理人員采用 BIM 技術(shù)制定了詳細的方案，利用大噸位卡車運送預制構(gòu)件，以平躺式運輸?shù)姆绞竭\送預制剪力墻等預制構(gòu)件。在利用 BIM 模擬施工材料運輸車輛的行進路線時，發(fā)現(xiàn)了兩處問題易發(fā)生事故。

1）發(fā)現(xiàn)兩條運輸路線中路程較短的一條，道路寬度相對較小，導致車輛轉(zhuǎn)彎半徑過小，車輛自重較大時易發(fā)生側(cè)翻事故，因此決定選用第二條轉(zhuǎn)彎較緩的運輸路線，保證運輸車輛安全運輸。

2）車輛行駛過程中存在與路口鋼筋堆放區(qū)發(fā)生碰撞的風險，因此提前與施工單位做好溝通協(xié)調(diào)，改變鋼筋堆放位置，就可以在事故發(fā)生前及時避免。

材料到場后，施工單位按照 BIM 模擬優(yōu)化后的方案將預制構(gòu)件運送到專用的堆放場地，消除了潛在問題以及安全隱患。

同樣的，利用 Fuzor 軟件對塔吊進行模擬作業(yè)時，發(fā)現(xiàn)兩棟樓體 F3# 與 F9# 的兩座塔吊會出現(xiàn)高度相同，作業(yè)過程中相互碰撞的情況，如圖 6 所示。因此需要對塔吊位置進行調(diào)整，以避免類似沖突的發(fā)生。在實際施工時，調(diào)整塔吊位置過于麻煩，且現(xiàn)場找到合適的調(diào)整位置也會耗費一定的時間，而利用 Fuzor 以及 Revit 事先進行模擬分析，則可以及時發(fā)現(xiàn)大型機械設(shè)備的碰撞風險，避免材料堆放場地安排不合理以及面積過大的情況，以達到對施工現(xiàn)場更好地進行管控的目的。

圖6 BIM 塔吊作業(yè)模擬

2.3 BIM 對裝配式混凝土建筑施工方案的優(yōu)化

運用 BIM 技術(shù)可以對各專業(yè)綜合管線的排布進行碰撞檢測，在設(shè)計階段最大程度降低發(fā)生碰撞的可能性，避免施工過程中的圖紙修改以及返工，消除安全隱患，避免事故發(fā)生。碰撞分析主要利用 Navisworks 軟件進行，對各預制構(gòu)件間的碰撞、預制構(gòu)件與外露鋼筋間的碰撞、機電專業(yè)與預制構(gòu)件間的碰撞情況進行模擬檢測。在檢測結(jié)果中能夠清楚地看出碰撞點的名稱編號、軸網(wǎng)交點以所處狀態(tài)等詳細信息，如圖 7 所示。管理人員可以將結(jié)果打印為 Excel 表格，依據(jù)此結(jié)果保證圖紙會審時不出現(xiàn)漏審、錯審等情況。設(shè)計單位則根據(jù)此結(jié)果對圖紙進行優(yōu)化，避免施工過程中出錯。設(shè)計人員則根據(jù)此結(jié)果進行圖紙優(yōu)化，直至所有碰撞點修改完畢。徐州市安置房項目便利用 BIM 技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了大量的碰撞點，分別為大約 22 % 的預制構(gòu)件碰撞點、大約為 30 % 的鋼筋碰撞點以及大約為 48 % 的機電專業(yè)碰撞點。在建設(shè)、施工、設(shè)計單位與 BIM 咨詢單位的共同溝通下，對出現(xiàn)問題的圖紙進行深化，解決了所有碰撞問題后，提升了預制構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量，減少了返工，消除了安全隱患。

圖7 碰撞檢測結(jié)果

在徐州市安置房項目中，管理人員利用 BIM 技術(shù)，對預制構(gòu)件的吊裝方案進行了多次的仿真模擬，以達到優(yōu)化施工方案的目的。在 Fuzor 軟件內(nèi)導入安全信息模型以及場地布置模型，對現(xiàn)場的預制構(gòu)件吊裝方案進行仿真模擬，利用 Fuzor 軟件進行施工進度的修改與導出同樣非常方便。Fuzor 擁有著豐富的機械車輛庫，將車輛的運行參數(shù)與行進路線設(shè)置好后，便可以讓相應(yīng)車輛按照制定的功能運作。Fuzor 的抓取釋放功能可以令數(shù)量機械設(shè)備之間相互配合，以實現(xiàn)預制構(gòu)件吊裝的模擬安裝。利用該模擬過程便可以對施工時潛在的空間沖突等安全隱患進行全面的篩查，這一可視化的施工模擬，可以讓設(shè)計人員對預制構(gòu)件進行更加合理的優(yōu)化，同時可以讓管理人員進行施工交底以及安全教育，能夠有效避免盲目作業(yè)，幫助施工單位預先熟悉施工工序，避免發(fā)生安全事故。

3 BIM在裝配式混凝土建筑后期運維階段的應(yīng)用

為方便項目完工后物業(yè)對項目的管理以及維護，將 BIM 技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，運用于項目后期的運維管理系統(tǒng)，以設(shè)計階段以及施工階段所建立的 BIM 數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，便可以將復雜的項目運維管理信息化、精細化，提高管理質(zhì)量。例如公用設(shè)備出現(xiàn)質(zhì)量問題時，管理人員便可以進行在線的設(shè)備保修申請，而該申請則會被反饋到 BIM 模型中，由保修人員查看問題出現(xiàn)點并進行相應(yīng)的維修工作，維修結(jié)束后再通過 BIM 軟件進行標記，由相關(guān)工作人員進行維修后的定期檢查，以確保維修質(zhì)量。同樣的，將 BIM 加入到運維管理系統(tǒng)，對項目后期住戶能源分配是否合理進行管控，出現(xiàn)火災(zāi)等意外事故時可以及時發(fā)現(xiàn)事故發(fā)生地點等，均可以讓管理人員更加精確高效地對項目進行管理。

4 結(jié)語

本文結(jié)合了多個實際的工程項目，對BIM在裝配式混凝土建筑中的應(yīng)用情況進行了較為細致的分析。項目的設(shè)計階段利用 BIM 技術(shù)提升預制構(gòu)件制作的精確度，為確保施工能夠順利進行對設(shè)計方案進行合理修改；項目施工過程中，利用 BIM 的模擬技術(shù)確保場地布置合理以及車輛的安全運輸，利用 BIM 的可視化技術(shù)對工人進行施工交底以及安全教育；項目后期的運維階段讓管理人員能夠更高效地對項目完工后出現(xiàn)的各種問題進行精確定位，高效地管理整個項目，可以說整個項目從開始到結(jié)束都在運用 BIM 解決各種問題。而隨著裝配式混凝土建筑在我國的不斷發(fā)展，BIM 技術(shù)也必將逐漸成為此類建筑項目中不可缺少的重要角色。Q