基于BIM技術(shù)的預(yù)制裝配式建筑施工應(yīng)用及案例分析

池亞徽

0 引言

在“互聯(lián)網(wǎng)+建筑產(chǎn)業(yè)”的發(fā)展背景下，信息技術(shù)成為輔助建筑施工的重要工具，其中BIM技術(shù)的應(yīng)用廣度、深度均有所提升，尤其在預(yù)制裝配式建筑施工領(lǐng)域。王玉艷（2022）的研究指出，BIM（Building Information Mdeling）本質(zhì)上是一種多維模型信息集成技術(shù)[1]，可以實現(xiàn)建筑輔助設(shè)計、協(xié)同管理、成本及進度控制等，屬于計算機輔助建筑信息管理工具的范疇。李杰（2021）分析了BIM技術(shù)在裝配式建筑施工的應(yīng)用思路[2]，指出BIM技術(shù)的主要作用有兩個，一是“提升跨專業(yè)協(xié)作能力”，二是“提升信息化管理水平”。衛(wèi)瑞霞（2021）的研究認為，BIM技術(shù)應(yīng)用到預(yù)制裝配式建筑施工中，除了可以“深化建筑設(shè)計”之外，還能夠規(guī)避誤差、沖突[3]。肖朝暉（2021）通過具體建筑項目的分析[4]，指出BIM技術(shù)應(yīng)用于預(yù)制裝配式建筑的難點是“構(gòu)件吊裝”，皆苦踢不過BIM模型與施工方案相結(jié)合的途徑，優(yōu)化構(gòu)件堆放位置、吊裝順序等；本文將“預(yù)制裝配式建筑”視為一種建造技術(shù)，這種技術(shù)打破了傳統(tǒng)“現(xiàn)場作業(yè)”的單一方式，依據(jù)建筑項目設(shè)計圖紙、施工方案等文件，對整個建筑進行解構(gòu)、拆分，其中一些構(gòu)件（如樓梯、樓板等）在制定的工廠生產(chǎn)，再運輸?shù)浆F(xiàn)場環(huán)境中組裝，由此產(chǎn)生了更多的環(huán)節(jié)信息，將BIM技術(shù)引入到此類建筑施工中，可以充分發(fā)揮信息化整合優(yōu)勢。

1 BIM技術(shù)在預(yù)制裝配式建筑施工中的應(yīng)用價值

1.1 施工內(nèi)容多維可視

基于“互聯(lián)網(wǎng)+建筑施工”角度分析，計算機輔助設(shè)計（CAD：Computer Aided Design）為現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了巨大助力，但依賴CAD繪圖軟件展開施工，對于預(yù)制裝配式建筑的并不友好，這是因為大部分構(gòu)件以二維平面圖像、符號的形式表達，與真實的建筑構(gòu)件是存在感官差異的。在施工過程中，需要施工人員調(diào)動自身的經(jīng)驗，在腦海中自主重構(gòu)工程整體、局部的認知，簡單地說，就是需要施工人員自己發(fā)揮想象力，才能把二維平面設(shè)計圖轉(zhuǎn)變成三維立體圖像，這明顯是一種不友好的現(xiàn)象；如果建筑工程過于復(fù)雜、工作量過大，不同施工隊伍在同一個施工項目中的配合就很成問題，尤其考慮到多數(shù)一線施工人員缺乏專業(yè)建筑知識，單靠自身想象是很難理解建筑復(fù)雜結(jié)構(gòu)、外形的。BIM技術(shù)是在傳統(tǒng)CAD繪圖軟件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它不僅兼容了CAD的相關(guān)功能[5]，同時拓展了共享資源庫、軟件功能庫等，可以實現(xiàn)多維的可視化及場景模擬，如在傳統(tǒng)3D圖像的基礎(chǔ)上加入“時間維度”，便于施工人員在不同階段了解施工內(nèi)容、準(zhǔn)備施工資源等。

1.2 施工環(huán)境仿真模擬

BIM技術(shù)應(yīng)用在建筑施工領(lǐng)域是一個重要趨勢，但導(dǎo)致這一趨勢的主要原因，除了該技術(shù)能夠提供更直觀、更生動的可視化條件，還在于其強大的仿真模擬功能?；陬A(yù)制裝配式建筑分析，不同的建筑構(gòu)件通過“搭建”的途徑，組合成一個完整的建筑體，這一過程中必須考慮尺寸、結(jié)構(gòu)、材料屬性、銜接缺陷等?？陀^上說，即便建筑預(yù)制構(gòu)件所有數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、性能達標(biāo)、質(zhì)量合格之后，也無法保證能夠完美地建構(gòu)起一座建筑。例如，不同季節(jié)施工的過程中，必須考慮建筑材料熱脹冷縮的形變問題，借助BIM技術(shù)的方陣模擬功能，能夠掌握不同施工季節(jié)材料形變的情況，就可以提前處理應(yīng)注意的事項。此外，BIM最重要的一個應(yīng)用方向，就是對施工環(huán)境展開仿真模擬[6]，如基于大量氣象、地理數(shù)據(jù)，模擬一棟建筑的能耗、日照、通風(fēng)、熱傳導(dǎo)等，再基于得到的數(shù)據(jù)調(diào)整設(shè)計方案，如門窗大小、樓層高度等，確保施工過程更加平順。

1.3 施工要素統(tǒng)籌協(xié)調(diào)

圍繞著預(yù)制裝配式建筑分析，施工要素主要包括兩個方面，一方面是建筑所要使用的建筑構(gòu)件，包括樓梯、梁柱、門窗等，利用BIM技術(shù)的可視化功能，可實現(xiàn)在虛擬場景中進行預(yù)制構(gòu)件的安裝、調(diào)整、優(yōu)化乃至重新設(shè)計，相對于傳統(tǒng)建筑施工技術(shù)交底而言，BIM技術(shù)可以做到更徹底、更全面，也有助于提高建設(shè)方、設(shè)計方、施工方的溝通效率[7]，有效規(guī)避各方在預(yù)制裝配式建筑施工中信息不對稱的問題。更重要的是，基于BIM技術(shù)的可視化功能，直接觀察建筑各部分結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)密契合，從而有效減少了設(shè)計變更導(dǎo)致的返工問題。另一方面是預(yù)制裝配式建筑施工單位、人員的協(xié)調(diào)，在現(xiàn)實施工環(huán)境中，一個預(yù)制裝配式建筑項目會吸收多個施工單位，各自負責(zé)局部的安裝工作，但傳統(tǒng)的項目組織管理主要依賴人工溝通（如工地例會）方式，無形中降低了信息的傳輸效率、利用效率，無法保障所有施工單位、人員的步調(diào)一致。引入BIM技術(shù)之后，施工技術(shù)人員可以利用自動生成階段性圖紙，規(guī)避關(guān)鍵性問題的決策延誤、遺忘等現(xiàn)象，這是因為BIM三維模型中不僅包含了一個裝配式建筑的所有信息，還能夠?qū)崟r更新預(yù)制構(gòu)件的安裝情況，實現(xiàn)施工進度按小時更新。如此一來，相當(dāng)于為多個施工隊伍共處在一個信息化協(xié)作平臺。

1.4 施工圖紙數(shù)字導(dǎo)出

無論是傳統(tǒng)現(xiàn)澆工藝建筑，還是預(yù)制裝配式建筑，傳統(tǒng)施工圖紙在出圖的環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，需要設(shè)計方及施工技術(shù)人員反復(fù)確認?？陀^上，施工圖紙是預(yù)制裝配式建筑安裝、管理、施工等依據(jù)，它也反映出了設(shè)計方的意圖所在，如果施工圖紙生成速度慢、錯誤率高，很顯然是不利于施工進度、成本及質(zhì)量控制的。BIM技術(shù)集成了數(shù)字化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化等作圖優(yōu)勢，同一個預(yù)制裝配式建筑的二維、三維及多維圖紙不僅可以便捷導(dǎo)出，且因為數(shù)字化制圖的特點，不同維度圖紙是高度對稱的，即注釋、符號等參數(shù)化信息與BIM模型深度關(guān)聯(lián)。換言之，利用BIM技術(shù)設(shè)計的圖紙發(fā)生變化，施工隊伍可立即獲得更新后圖紙[8]，并且圖紙上能清晰地表明哪些地方出現(xiàn)了變動。這樣不僅避免了多個文件反復(fù)修改，也能夠減少人工誤差。

2 基于BIM技術(shù)的預(yù)制裝配式建筑施工案例

2.1 工程概述

丁莊新村項目屬于農(nóng)民拆遷安置工程，位于河南開封禹王臺區(qū)、祥符區(qū)交界處，南側(cè)為310國道（連共線），北側(cè)為惠濟河，東西側(cè)為農(nóng)業(yè)用地。該項目包含5棟17層小高層建筑和6棟6層洋房。本文以小高層為研究對象，小高層建筑結(jié)構(gòu)為“框架-剪力墻”，建筑高度（含地下部分）49.9m，底層高度3m，地上樓層高度為2.8m，總建筑面積約15 000m2，設(shè)計使用年限50年，防水等級一級、場地級別三級、耐火等級二級、抗震等級六級。

該項目施工中面臨的難點在于，采取預(yù)制裝配式施工需要重新處理施工圖紙，明確需要哪些預(yù)制構(gòu)件，然后預(yù)制構(gòu)件在它處生產(chǎn)、再運輸?shù)浆F(xiàn)場進行安裝。但施工方當(dāng)前持有的是平面設(shè)計圖，難以滿足拆分構(gòu)件、生產(chǎn)構(gòu)件、安裝構(gòu)件的全部需求。同時，平面設(shè)計圖表達不規(guī)范、不直觀，不利于建筑構(gòu)件信息提取與整合?；诖?，2017年建設(shè)方開封精細化工園區(qū)變更設(shè)計要求，采用BIM技術(shù)解決上述問題，利用BIM技術(shù)不僅可以全面統(tǒng)籌建筑構(gòu)件，還能夠展開建筑模型的碰撞檢查、施工過程動態(tài)模擬，有效地規(guī)避了圖紙錯誤、資源浪費等問題。更重要的是，將BIM技術(shù)引入到該工程，能夠提高施工過程中各單位、部門的協(xié)同效率。

2.2 BIM技術(shù)在預(yù)制裝配式建筑模型的應(yīng)用

基于BIM技術(shù)構(gòu)建預(yù)制裝配式建筑模型（簡稱“BIM模型”），需要系統(tǒng)、完整地呈現(xiàn)建筑整體到局部的信息，尤其是材料為止、構(gòu)件尺寸、粉刷類型等細節(jié)信息。其中，建筑關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部分（梁、板、柱等）可以利用BIM軟建立“族庫”表示，這也是建筑設(shè)計從二維向三維轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。相對應(yīng)的，建筑施工過程中生成的信息（如工序、成本、設(shè)備等）也都嵌入到BIM模型中?！岸∏f新村”工程所用到的工具主要包括Revit建模軟件、Navisworks施工進程?？剀浖?、Vasari室內(nèi)外熱環(huán)境分析軟件等。

其中，利用Revit建模軟件建立PC構(gòu)件族庫。PC構(gòu)件即“預(yù)制裝配式混凝土構(gòu)件，“族”是指預(yù)制構(gòu)件族，預(yù)制構(gòu)件族的概念下包括多種PC構(gòu)件，如丁莊新村工程項目中包括的結(jié)構(gòu)柱、疊合梁板、結(jié)構(gòu)框架梁、樓梯等，利用Revit一次建?？芍貜?fù)、多次使用，同時，預(yù)制構(gòu)件族的文件允許隨時編輯。族庫建立需要遵循標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化的原則，但構(gòu)件參數(shù)并不是固定的，為了滿足項目施工的具體需求，可以針對結(jié)構(gòu)柱族、疊合梁板族、結(jié)構(gòu)框架梁族、樓梯族等非固定模數(shù)。除了以上族庫文件，利用Revit還可以創(chuàng)設(shè)施工過程中的塔吊、支護、桁架等族文件。

2.3 BIM技術(shù)在項目預(yù)制構(gòu)件信息上的應(yīng)用

BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑施工的最大優(yōu)勢，在于它實現(xiàn)了建筑物所有信息的有序整合，便于施工人員快速查詢、精準(zhǔn)識別，由此保障了項目預(yù)制構(gòu)件信息的完整性，為建筑預(yù)制構(gòu)件集約化生產(chǎn)和精細化管理創(chuàng)造了有利條件[9]。以丁莊新村項目為例，PC構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)無法直接利用該項目前期提供的平面設(shè)計圖，但可以利用BIM軟件將平面設(shè)計圖轉(zhuǎn)化成三維立體模型，這有利于構(gòu)件加工過程中核對圖紙信息，同時生產(chǎn)出構(gòu)件樣品之后，還可以利用3D模型展開造價估算。當(dāng)然，對于熟悉平面設(shè)計圖紙（CAD制圖模式）的施工隊伍，BIM技術(shù)也提供了“向下兼容”的支持，即可以直接導(dǎo)出建筑局部的二維平面圖紙（如樓梯剖面圖）。

從節(jié)能減排、綠色建筑等“生態(tài)主題”切入，BIM技術(shù)還能兼顧項目預(yù)制構(gòu)件的環(huán)保性能，例如丁莊新村項目位于華北地區(qū)，氣候特征是冬寒夏熱，門窗構(gòu)建尺寸大小對于能量流動影響很大，在這種情況下可以借助Vasari軟件來分析建筑室內(nèi)、室外熱環(huán)境，通過模擬門窗面積與能耗關(guān)系，確定門窗構(gòu)件的最佳尺寸。

2.4 BIM技術(shù)在項目工程量匯總方面的應(yīng)用

建筑項目的工程量不僅龐大，且數(shù)據(jù)繁多、節(jié)點復(fù)雜，如果采取人工計算方式，需要消耗大量的時間和精力，尤其是需要計算分包項工程量時，往往涉及到反復(fù)利用的工程基數(shù)；如丁莊新村洋房建筑的鋼材工程量計算，涉及到的工程基數(shù)包括外墻外邊線、中心線、低層建筑面積等，為了避免分包工程量計算紕漏，由專門人員負責(zé)記錄梁柱的參數(shù)及數(shù)量，列出專門的工程量計算表，但仍然無法規(guī)避誤差。而利用BIM技術(shù)則大大簡化了工程量匯總，系統(tǒng)可以直接導(dǎo)出鋼材、預(yù)制構(gòu)件、混凝土方等清單，并且Revit明細表功能可以便捷地實現(xiàn)各種圖元對象的統(tǒng)計，允許用于對預(yù)制構(gòu)件的屬性信息（如長度、標(biāo)高、材質(zhì)等）進行編輯；更重要的是，BIM模型可以專門針對某一種PC構(gòu)件進行清單處理，如丁莊新村小高層建筑的預(yù)制構(gòu)件統(tǒng)計表（如表1所示），就是利用BIM模型中的Tekla Structures直接導(dǎo)出的。

表1 “丁莊新村”小高層建筑預(yù)制構(gòu)件統(tǒng)計表

2.5 BIM技術(shù)在項目圖紙自動生成上的應(yīng)用

在預(yù)制裝配式建筑施工過程中，由于PC構(gòu)件的數(shù)量、類型過多，造成項目圖紙生成的困難性提高。例如，丁莊新村小高層建筑的預(yù)制率為75%，如果采取傳統(tǒng)的繪圖方式，在細節(jié)部分容易出現(xiàn)偏差、誤差。借助BIM模型的優(yōu)勢，不僅可以自動生成圖紙、提高生產(chǎn)效率，還能夠保障圖紙精確度、提高施工質(zhì)量。這得益于Revit三維模型中的圖元行為，在BIM建模完成之后，Revit能夠自動收集、關(guān)聯(lián)相關(guān)項目的圖元信息，主要包括模型圖元、基準(zhǔn)圖元、專有圖元三種類型。其中，模型圖元主要用來展示建筑項目的構(gòu)件三維圖形，如樓板、門窗、梁柱等。基準(zhǔn)圖元主要提供輔助參照、定義上下文等功能，如給出建筑標(biāo)高、參照平面。專用圖元可以用來描述和示范模型，例如尺寸標(biāo)注、注釋符號等。

需要闡明的一點是，BIM模型自動導(dǎo)出的圖紙是允許動態(tài)修改的，同時修改之后的三維模型與二維模型仍然可以保持對應(yīng)關(guān)系，這樣施工過程中所使用的二維平面設(shè)計圖，與BIM模型的三維圖像不會出現(xiàn)任何誤差。

2.6 BIM技術(shù)在項目設(shè)計失誤排除上的應(yīng)用

“碰撞檢查”是BIM技術(shù)在預(yù)制裝配式建筑領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用功能，簡單地說，“預(yù)制裝配”的施工方式就如同搭積木，不同構(gòu)件之間強調(diào)的是無縫銜接，不能出現(xiàn)碰撞的情況。然而，在傳統(tǒng)施工過程中，由于設(shè)計圖不清晰、施工技術(shù)不達標(biāo)、協(xié)同性差等問題，極容易在建筑項目局部出現(xiàn)構(gòu)造節(jié)點碰撞，由此不得不返工重建，甚至需要修改原本設(shè)計。BIM技術(shù)提供的“碰撞檢查”功能，通過三維可視化操作，即可觀察整個建筑物外觀、局部構(gòu)造節(jié)點。在丁莊新村的項目中，利用BIM技術(shù)進行碰撞檢查時發(fā)現(xiàn)若干碰撞點，通過分析發(fā)現(xiàn)，碰撞情況之所產(chǎn)生，是因為企業(yè)在生產(chǎn)PC構(gòu)件時在終端保留了大量鋼筋，常規(guī)操作手段是在現(xiàn)場利用切割設(shè)備處理，但借助BIM軟件可以直接標(biāo)注問題所在，包括出現(xiàn)鋼筋碰撞的位置、數(shù)量等，再把這些數(shù)據(jù)直接發(fā)送給PC構(gòu)件的生產(chǎn)企業(yè)，保障從源頭規(guī)避，這樣一方面避免了“鋼筋打架”的問題，同時也不需要現(xiàn)場處理或返廠修改。

2.7 BIM技術(shù)在項目4D施工模擬方面的應(yīng)用

從現(xiàn)實維度出發(fā)，幾乎所有建筑項目的施工過程都不是“按計劃進行”的，施工變更是一種常態(tài)，其背后的原因既包括建筑施工工序的復(fù)雜性，也包括施工環(huán)境、技術(shù)、設(shè)備、材料等不確定性。基于預(yù)制裝配式建筑施工而言，BIM技術(shù)通過模擬整個施工過程，就可以很好地規(guī)避這些問題，例如丁莊新村的小高層建筑施工過程中，先利用BIM技術(shù)設(shè)計出三維模型，再利用MS project軟件編寫好網(wǎng)絡(luò)計劃圖，通過BIM5D軟件進行關(guān)聯(lián)。如此一來，網(wǎng)絡(luò)計劃圖中的“時間”維度添加到BIM三維模型中，形成4D施工模擬方案。在施工過程中，施工人員可以像看電影一樣，了解不同施工階段中預(yù)制裝配式建筑整體、局部的情況，便于施工技術(shù)人員提前統(tǒng)籌人員、資源，例如通過模擬吊裝過程來檢驗原定計劃的可行性，又如模擬不同施工階段的防護網(wǎng)、隔離帶、支護體系等，提高實際施工時的安全性。

3 結(jié)論

綜上所述，BIM技術(shù)在預(yù)制裝配式建筑施工中具有重要應(yīng)用價值，包括實現(xiàn)施工內(nèi)容的多維可視化、施工環(huán)境的逼真模擬化、建筑要素的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)化等，文章結(jié)合“丁莊新村”案例闡述了BIM技術(shù)的應(yīng)用過程，主要應(yīng)用環(huán)節(jié)包括預(yù)制裝配式建筑模型、預(yù)制構(gòu)件信息、項目工程量匯總等，對于同類型的建筑項目具有借鑒價值。整體上，隨著我國建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，“BIM技術(shù)+預(yù)制裝配式建筑”的創(chuàng)新模式能夠提高產(chǎn)業(yè)競爭力，同時促進產(chǎn)業(yè)鏈上下游的深度整合，具有重要的現(xiàn)實意義。