基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工階段安全與質(zhì)量控制研究

陶佳能，龔旭成，唐源野，孫志崗

（1.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶 400072；2.中海建筑有限公司，廣東 深圳 518051）

0 引言

目前，我國房屋建筑產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，在國民經(jīng)濟中的地位日益增強，但其建造模式仍以現(xiàn)場澆筑的傳統(tǒng)建造方式為主，存在建造效率低、資源能耗高、工業(yè)化水平低等問題[1-2]，已不符合我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展階段的歷史要求。建筑工業(yè)化和信息化是我國建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必經(jīng)之路，也是節(jié)能減排的有效途徑。在歐美、日本、韓國等發(fā)達國家中，廣泛采用“預(yù)制裝配化施工技術(shù)”，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?、智能機械化以及管理信息化，成為新興的建筑模式。相比之下，我國的預(yù)制裝配式建筑仍處于起步階段，在信息化方面的研究有待突破[3]。

相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆模式，預(yù)制裝配化建筑構(gòu)件種類多、數(shù)量多，安裝精確度要求高，施工過程中要有更為嚴(yán)密的預(yù)制構(gòu)件施工信息動態(tài)管理?；诩葿IM 工程數(shù)據(jù)模型，可將施工過程信息與模型對象相關(guān)聯(lián)，形成具有多維度的BIM 模型，促進工程生產(chǎn)的高效運行，工程進度可視化，有效緩解工期偏差[4-5]。BIM 的信息共享機制可有效避免工程溝通和工程管理過程中存在的信息冗余和信息失真問題，進而提高管理效率，降低施工誤差，實現(xiàn)施工質(zhì)量和施工安全目標(biāo)[6]。憑借終端設(shè)備和PC端設(shè)備相結(jié)合的BIM 云平臺，施工技術(shù)人員可以遠程監(jiān)控施工進度和指導(dǎo)施工，實現(xiàn)施工過程、施工管理的信息化和智能化[7]。

本文基于重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院遷建工程（三期）建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化實訓(xùn)基地項目，建立三維EBIM 協(xié)同平臺，實現(xiàn)施工階段中豎向構(gòu)件套筒灌漿質(zhì)量控制、預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量控制以及預(yù)制構(gòu)件吊裝安全管理，研究成果可為預(yù)制裝配式建筑的施工提供更全面的判斷和決策。

1 工程概況

重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院遷建工程（三期）建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化實訓(xùn)基地位于重慶南岸區(qū)梨花大道857號重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院內(nèi)，如圖1 所示，總規(guī)劃用地面積8915.83m2，新建建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化實訓(xùn)基地 建 筑10660.37m2，建 筑 占 地 面 積3419.03m2，建筑層數(shù)為地上5層，地下2層，地上建筑高度為22.9m，結(jié)構(gòu)形式為裝配整體式框架結(jié)構(gòu)和裝配式鋼結(jié)構(gòu)。該項目為重慶市裝配式建筑綜合示范項目，預(yù)制率為40.2%，裝配率高達71.32%。

圖1 擬建項目區(qū)位平面圖

2 項目施工階段安全與質(zhì)量控制要點

2.1 豎向構(gòu)件套筒灌漿質(zhì)量控制

套筒灌漿是裝配式建筑豎向構(gòu)件連接的主要方法，灌漿質(zhì)量直接影響建筑物的整體性和安全性，施工階段需要對灌漿質(zhì)量極其重視，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。依據(jù)套筒灌漿施工工藝要求，其施作順序一般為準(zhǔn)備工作、作漿料封堵、灌漿料備注、壓力灌漿和質(zhì)量檢驗。

在人員、壓力灌漿設(shè)備、灌漿材料準(zhǔn)備完成后，將預(yù)制柱吊裝到位，立即用坐漿料將預(yù)制柱與樓面板形成的2cm 的縫隙進行塞填，不可漏塞，形成密封艙，避免漿液從縫隙中跑出，其中坐漿料侵入接觸面不應(yīng)大于1cm；待坐漿料封堵24h 后，開始制備灌漿料進行套筒灌漿，灌漿料制備時，嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明書要求的配合比配置灌漿料，使用電子秤計量各材料用量；將注漿管對準(zhǔn)預(yù)制柱下部任意一個注漿孔開始進行壓力注漿，注漿壓力保持在0.2MPa～0.3MPa，待注漿孔上部的出漿孔穩(wěn)定溢漿（呈股狀流出）后用橡膠塞封堵出漿口，待溢漿孔穩(wěn)定出漿并用橡膠塞封堵后，需穩(wěn)壓30s，保證灌漿孔全部密實，灌漿料應(yīng)在30min 內(nèi)使用完畢；灌漿24h 后，拔開橡膠塞觀察出漿孔和溢漿孔的灌漿料是否密實飽滿；灌漿過程中全程錄像并存檔，作為質(zhì)量追溯的資料，專業(yè)監(jiān)理和質(zhì)檢員全程在場監(jiān)督檢查，確保灌漿質(zhì)量。具體的現(xiàn)場灌漿過程如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場灌漿過程

2.2 預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量控制

本項目混凝土結(jié)構(gòu)部分預(yù)制構(gòu)件主要有預(yù)制疊合板、預(yù)制疊合梁、預(yù)制樓梯、預(yù)制空調(diào)板。預(yù)制疊合板拆分規(guī)格化、標(biāo)準(zhǔn)化。預(yù)制疊合板現(xiàn)澆層厚70mm（觀景平臺處厚100mm，密拼板處厚80mm），預(yù)制板厚60mm，疊合板后澆段寬度不小于300mm。預(yù)制板擱置梁柱構(gòu)件10mm，預(yù)制板板邊出鋼長度至梁中線且不小于5d，梁板、板與板之間的構(gòu)造按照《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ1-2014）的規(guī)定，保證其連接效果等同現(xiàn)澆。

預(yù)制主框架梁疊合現(xiàn)澆層厚度為150mm，次梁為140mm，預(yù)制梁與后澆混凝土疊合層之間的結(jié)合面設(shè)置粗糙面；預(yù)制梁端面設(shè)置鍵槽,且設(shè)置了粗糙面，粗糙面凹凸深度為6mm。

預(yù)制樓梯下端采用滑動鉸接連接，上端采用固定鉸接連接，預(yù)制樓梯計算嚴(yán)格按連接做法取樓梯計算跨度，樓梯欄桿埋件先行預(yù)埋。為做到經(jīng)濟合理，樓梯標(biāo)準(zhǔn)化拆分，第一跑樓梯不拆分采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆，預(yù)制的樓梯梯段跨度及高度均相同，全樓預(yù)制樓梯構(gòu)件種類為1類。

2.3 預(yù)制構(gòu)件吊裝安全管理

項目共有11 種構(gòu)件，每種構(gòu)件吊裝特點不同，需按照審批通過后的吊裝方案進行。吊裝重點為構(gòu)件進場驗收、吊具安全性、支撐體系可靠性、吊裝順序、構(gòu)件定位精準(zhǔn)度等，尤其注意吊裝安全，構(gòu)件吊裝時管理人員必須全程跟蹤，首次預(yù)制柱吊裝時，項目技術(shù)負責(zé)人、專職安全員、現(xiàn)場施工員、測量員必須到場全程管理，發(fā)現(xiàn)安全隱患及時整改。

由于項目預(yù)制構(gòu)件種類多，最重的為預(yù)制樓梯，重達5.2t，這就對塔吊的選型和布置提出較大要求。經(jīng)過多方考察和認真研究，項目部布置一臺QTZ300（CF7035）塔式起重機，臂長60m，最大起吊重量為8t，最遠端吊重為4.53t，覆蓋范圍和起吊重量均滿足要求。

在編制專項施工方案前，項目技術(shù)人員、現(xiàn)場管理人員和吊裝作業(yè)人員對施工圖進行認真細致的研究，發(fā)現(xiàn)問題及時向設(shè)計單位反饋，弄清設(shè)計意圖和施工安全質(zhì)量要求。根據(jù)已經(jīng)獲批的吊裝方案，嚴(yán)格按照“三級交底”制度進行安全技術(shù)交底，由項目技術(shù)負責(zé)人向各部分負責(zé)人和主要技術(shù)人員進行方案交底，然后由技術(shù)人員向現(xiàn)場管理人員和班組長交底，最后由現(xiàn)場主管工程師向全體作業(yè)人員交底。每一級交底都必須有針對性，把技術(shù)要點和施工重難點講清楚、講透徹，讓項目全體技術(shù)和管理人員都掌握預(yù)制構(gòu)件吊裝。

3 BIM技術(shù)的應(yīng)用

3.1 可視化BIM模型的建立

基于全過程全建筑BIM 技術(shù)，進行構(gòu)件生產(chǎn)和施工指導(dǎo)，為準(zhǔn)確反映圖紙信息，直觀形象展示，運用BIM 技術(shù)建立三維模型，反映設(shè)計意圖。以BIM 三維信息模型作為集成平臺，將虛擬數(shù)字模型與工程實際模型相關(guān)聯(lián)，并將集成大量資料數(shù)據(jù)的數(shù)值模型上傳至BIM云平臺，項目參與各方可基于BIM 云平臺共享和管理數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)信息溝通的高效率、信息傳遞的高保真、多方合作的協(xié)同化和實時化。建立的三維可視化BIM模型如圖3所示。

圖3 項目BIM三維模型

3.2 基于BIM技術(shù)的施工過程質(zhì)量控制

傳統(tǒng)裝配式建筑設(shè)計的施工圖紙，是基于過程的設(shè)計表達方式，對于一個預(yù)制構(gòu)件的表達是通過點、線表示的，前后并無關(guān)聯(lián)性，而基于BIM 的裝配式建筑的模型建立，是在組件設(shè)計的概念基礎(chǔ)上，面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方式，存儲數(shù)據(jù)的方式是模塊化的，每個組件將承載整個生命周期的工程數(shù)據(jù)信息。

BIM 信息模型具有可全方位展示裝配式建筑模型結(jié)構(gòu)構(gòu)造細節(jié)的功能，通過模型瀏覽，可以獲取每一個構(gòu)造的精細信息，也可從模型中選取復(fù)雜部位和關(guān)鍵節(jié)點進行吊裝工序模擬，以可視化的預(yù)建造漫游，實現(xiàn)對現(xiàn)場技術(shù)人員和施工工人的技術(shù)交底，增強其對施工工藝、施工環(huán)境的認識，提高施工質(zhì)量和裝配式構(gòu)件安裝效率，達到BIM 模型指導(dǎo)施工的目的，如圖4 所示。施工階段，采用BIM 模型對施工計劃和施工方案進行分析模擬，充分利用場地條件及資源，得出最優(yōu)的施工計劃和施工方案。本項目預(yù)制構(gòu)件種類多，節(jié)點復(fù)雜，利用BIM參數(shù)化和可視化的優(yōu)越性，對吊裝順序、節(jié)點交叉施工、土建與機電管線施工、配套臨時支撐措施等進行分析模擬，可以根據(jù)模擬結(jié)果進一步改進施工方案，達到安全、快速、高效、降低成本、減少碰撞、減少資源浪費的結(jié)果。

圖4 基于BIM三維模型施工過程模擬

3.3 基于BIM技術(shù)的施工過程安全管理

在施工方案進行比選時，運用BIM技術(shù)創(chuàng)建相應(yīng)的安全信息模型對不同的施工方案進行三維模擬，在施工前仿真模擬出預(yù)制構(gòu)件從進場到安裝的全過程，并重點反復(fù)進行碰撞監(jiān)測分析，使安全隱患在施工模擬中徹底暴露，為施工方案的優(yōu)化比選提供依據(jù)，并根據(jù)系統(tǒng)出具的分析報告，不斷深化改進預(yù)制構(gòu)件的吊裝、安裝、運輸、堆放、設(shè)計等方案，使最終的裝配式建筑施工方案達到最優(yōu)的安全施工效果。

以BIM 三維信息模型作為集成平臺，對預(yù)制構(gòu)件吊裝、灌漿等關(guān)鍵工序方案提前進行模擬預(yù)演。在實際施工前，根據(jù)施工現(xiàn)場實際，對施工區(qū)域的危險源進行危險源識別、特種設(shè)備管理、環(huán)境監(jiān)測等?；贐IM 安全信息模型及時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)，并分析對比其與臨界值的差異，判斷測點的安全狀態(tài)是否完整，結(jié)合實際情況劃分施工區(qū)域的危險等級，并給予合理的安全指導(dǎo)，確保施工過程的安全開展。

BIM 安全管理模型將項目進度、設(shè)計變更信息同步輸入，使安全設(shè)計驗證與安全規(guī)則檢查能夠伴隨項目進展變化同步完成，并對危險源問題及時標(biāo)注提醒，提高安全檢查的時效性、準(zhǔn)確性。利用BIM 建立施工防護功能，根據(jù)BIM 模型提供施工需要防護功能的部位，比如對需預(yù)先進行防護的“四口”和“五臨邊”等事故高發(fā)區(qū)進行精準(zhǔn)定位，以防現(xiàn)場工作人員誤入危險區(qū)發(fā)生危險，利用BIM 還可以對現(xiàn)場防護設(shè)施設(shè)置合理性及防護效果進行實時動態(tài)的模擬檢查。另外，BIM 模型連接VR 體驗設(shè)備，為作業(yè)人員創(chuàng)造出逼真的施工現(xiàn)場體驗環(huán)境，作業(yè)人員通過穿戴VR設(shè)備如控制手柄等，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場的三維虛擬漫游模擬，對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境及其中的安全禁區(qū)提前熟悉和生動地體驗，增強了作業(yè)人員的安全生產(chǎn)感性認識，如圖5所示。

圖5 基于BIM三維模型施工過程安全培訓(xùn)模擬

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的現(xiàn)場建造方式相比，預(yù)制裝配式建筑其具有較好的綜合社會效益和經(jīng)濟效益。將BIM 技術(shù)應(yīng)用到預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的施工中，可有效利用BIM模型中詳細而精細的建筑信息，指導(dǎo)預(yù)制構(gòu)件的施工過程管理。

依托基于重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院遷建工程（三期）建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化實訓(xùn)基地項目，建立了裝配式整體框架結(jié)構(gòu)多專業(yè)的BIM 協(xié)同平臺，有效地加強了各參建方的數(shù)據(jù)傳輸及協(xié)同共享，避免傳統(tǒng)工作方式的信息不對稱、信息孤島現(xiàn)象，為各參與方提供一個高效率信息溝通和協(xié)同工作的平臺；BIM 技術(shù)在預(yù)制裝配式房建項目中可實現(xiàn)安全管理的動態(tài)糾偏和質(zhì)量管理的精細化，為預(yù)制裝配式建筑的施工提供更全面的判斷和決策。