基于BIM的裝配式建筑研究進(jìn)展

陳溢晨，陳墅香

（1.福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福州 350108；2.澳門科技大學(xué)人文藝術(shù)學(xué)院，澳門離島 999078）

0 引言

2022 年我國《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》為建筑行業(yè)的智能化發(fā)展吹響了進(jìn)攻號(hào)角，強(qiáng)調(diào)大力發(fā)展裝配式建筑，提出整體構(gòu)建裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)體系，推動(dòng)生產(chǎn)和施工方式實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)［1］。制造業(yè)的生產(chǎn)組合理念影響著建筑業(yè)的更新發(fā)展，工廠預(yù)制的工業(yè)化建筑體系（IBS）與現(xiàn)場組裝相結(jié)合的裝配式建筑越來越受到行業(yè)的推崇，預(yù)制、裝配式、模塊化作為可持續(xù)發(fā)展的建筑技術(shù)，大量的新建建筑以裝配方式設(shè)計(jì)施工，建筑信息模型（Buiding Information Model，BIM）作為實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配式建筑現(xiàn)場裝配服務(wù)的有效工具［2］，基于BIM的裝配式建筑領(lǐng)域的研究愈發(fā)值得關(guān)注。2006 年《Automation in Construction》雜志率先刊發(fā)了關(guān)于創(chuàng)建BIM的參數(shù)化設(shè)計(jì)的文章，此后，基于BIM的裝配式建筑研究逐年升溫，來自建筑學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、環(huán)境學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等領(lǐng)域的學(xué)者從不同的角度進(jìn)行探索。目前已有學(xué)者對相關(guān)成果進(jìn)行梳理分析，主要有BIM與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［3］、工程管理［4］、建筑拆除［5］等研究綜述，以及裝配式建筑中供應(yīng)鏈管理［6］、安全風(fēng)險(xiǎn)管理［7］、質(zhì)量控制［8］等方面的綜述，但現(xiàn)有BIM與裝配式建筑結(jié)合的文獻(xiàn)綜述不足。本文采取共詞分析的方法，分析全過程BIM在裝配式建筑中解決的問題、當(dāng)前研究成果，為未來裝配式建筑的研究提供方向。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

基于Web of science數(shù)據(jù)庫，以“BIM” OR “building information modeling”和“Prefabricated Buildings” OR “off-site construction” OR “offsite construction” OR “prefabricated construction” OR “industrialised building system” OR “panelised construction” OR “modular construction” OR “precast”為主題進(jìn)行檢索，期刊來源限定為科學(xué)引文索引擴(kuò)展（SCI）和社會(huì)科學(xué)引文索引（SSCI）兩種，檢索時(shí)間范圍截至2022 年12 月31 日，共檢索到“基于BIM的裝配式建筑”研究文獻(xiàn)205 篇，剔除不相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的文獻(xiàn)，刪除新聞報(bào)道、無作者署名、重復(fù)綜述等不符合本研究范圍的文獻(xiàn)后得到200篇，并以此作為本文的文獻(xiàn)庫。其中國內(nèi)學(xué)者在英文期刊刊發(fā)的有85 篇。

1.2 分析方法及步驟

Mulchenko［9］是最早提出科學(xué)計(jì)量學(xué)概念的學(xué)者，基于已發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，通過關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)建模和可視化，映射該領(lǐng)域知識(shí)的數(shù)據(jù)集，繪制及闡明該知識(shí)的結(jié)構(gòu)和演變［10］。共詞分析是映射和追蹤相關(guān)詞語關(guān)聯(lián)性的內(nèi)容分析法之一，采用多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)對一組詞兩兩統(tǒng)計(jì)其在同一文章中出現(xiàn)的次數(shù)，反映出詞間的親疏關(guān)系，分析這些詞所代表的學(xué)科及主題結(jié)構(gòu)［11］。因子分析是通過提取共性因子，相關(guān)變量組合成一個(gè)公共因子，減少變量的個(gè)數(shù)，利用盡可能少的公共因子來概覽原始的大量信息。聚類分析指出該領(lǐng)域的研究模式，與之相關(guān)的具體研究主題，為研究的概念框架奠定基礎(chǔ)（見圖1）。

圖1 計(jì)量分析方法框架

2 研究概況

目前英文文獻(xiàn)基于BIM 的裝配式建筑領(lǐng)域的年發(fā)文量呈增長趨勢，y表示點(diǎn)的趨勢線，R2表示這些點(diǎn)的歸納程度達(dá)到94.26%（見圖2）。2006 年開始有相關(guān)論文發(fā)表，2017 年作為拐點(diǎn)，此后年發(fā)文量穩(wěn)定增長；2020 年之后基于BIM的裝配式建筑研究的論文數(shù)量快速提高。2017 年和2020 年出現(xiàn)兩次轉(zhuǎn)折爆發(fā)，2017 年的增長主要與建筑大數(shù)據(jù)［12］的發(fā)展相對應(yīng)，2020 年的轉(zhuǎn)折與區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)［13-14］、智能系統(tǒng)［15］等的初始發(fā)展相對應(yīng)。

圖2 基于BIM的裝配式建筑英文文獻(xiàn)年發(fā)文量

3 詞頻分析

利用Bicomb對文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞進(jìn)行詞頻統(tǒng)計(jì)，錄入200 篇相關(guān)文獻(xiàn)，共獲取868 個(gè)關(guān)鍵詞，對相同意義的關(guān)鍵性進(jìn)行合并，如：BIM、Building information modeling、Building information modeling（BIM）合并為“bim”。設(shè)置詞頻≥4 的高頻關(guān)鍵詞23 個(gè)（見表1），除了主要關(guān)鍵詞“prefabricated construction”“bim”之外，“工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）①”“可持續(xù)性”“數(shù)字孿生”“互操作性”是所有關(guān)鍵詞中出現(xiàn)頻率較高的，表示其在該領(lǐng)域被廣泛研究?？梢钥闯?，基于BIM 的裝配式建筑研究熱點(diǎn)是工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）①、可持續(xù)性、數(shù)字孿生等，以及從中延伸出的互操作性、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、面向制造和裝配的設(shè)計(jì)（DfMA）②等。

表1 詞頻≥4 的關(guān)鍵詞排序

利用書目共現(xiàn)分析系統(tǒng)BICOMB 軟件生成詞篇矩陣，導(dǎo)入數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件SPSS中采用Ochiai系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?3 ×23 的近似值矩陣，為下文的統(tǒng)計(jì)方法提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 因子分析

因子分析目的是運(yùn)用盡量少的因子去概括眾多信息間的聯(lián)系，原理是根據(jù)相關(guān)性大小把研究對象變量分組，把相關(guān)性較大的研究對象組成一組，不同組的相關(guān)性較低。每組變量為一個(gè)公共因子，利用得到的高頻關(guān)鍵詞Ochiai 系數(shù)相似矩陣，導(dǎo)入軟件SPSS，通過“分析——降維——因子”，提取方法上采用主成分分析法和相關(guān)性矩陣，得到6 個(gè)特征值大于1 的公共因子，從表中可見6 個(gè)因子累計(jì)方差解釋貢獻(xiàn)率67.878%（見表2）。說明將23 個(gè)關(guān)鍵詞分為6 個(gè)類別，可以解釋“基于BIM 的裝配式建筑”領(lǐng)域研究67.878%的信息。通過因子負(fù)載系數(shù)絕對值大于0.5才被接受，對解釋研究主題有幫助及影響［16］，可以得出前6 個(gè)公共因子的具體范疇如下：①互操作性、工業(yè)基礎(chǔ)類、模型視圖定義、預(yù)制建筑混凝土、建筑信息模型；②科學(xué)計(jì)量分析、建筑、預(yù)制裝配式建筑；③自動(dòng)化、預(yù)制結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生；④供應(yīng)連鎖管理、可持續(xù)性、區(qū)塊鏈；⑤建設(shè)自動(dòng)化、精益建造；⑥關(guān)鍵成功因素、中國。其解釋的方差分別達(dá)到29.719%、13.796%、8.726%、5.799%、5.012%和4.827%，表明這6 個(gè)領(lǐng)域?qū)ρ芯緽IM 背景下的裝配式建筑相對重要。

表2 總方差解釋

因子分析對應(yīng)的碎石圖（見圖3），顯示各因子的重要程度。它將因子按照從大到小依次排列，從中可以直觀顯示前4 個(gè)因子類別較重要。前面的陡坡對應(yīng)較大的特征值，作用較明顯；后面的平坦，作用弱。前4-6 個(gè)因子的散點(diǎn)位于陡坡上，后面因子處于緩坡且特征值均小于1。因此下面按4-6 個(gè)因子個(gè)數(shù)對共詞的相異矩陣進(jìn)行分層次聚類分析。

圖3 因子個(gè)數(shù)碎石圖

5 聚類分析

聚類分析是根據(jù)一些變量，把相似性較大的變量聚合一類，依據(jù)指標(biāo)或因素本身的特性研究個(gè)體分類。本文采用系統(tǒng)聚類，將研究領(lǐng)域內(nèi)的高頻關(guān)鍵詞分為相對同質(zhì)的群體，把一個(gè)高頻關(guān)鍵詞單獨(dú)當(dāng)作一類，計(jì)算其距離，把每個(gè)距離最靠近的幾個(gè)高頻關(guān)鍵詞當(dāng)作一小類，再計(jì)算每個(gè)小類之間的距離，最后不斷計(jì)算距離再合并，把一切子集都集合到一個(gè)大類，最終得出聚類結(jié)果樹狀圖（見圖4），進(jìn)行可視化研究，縱坐標(biāo)為個(gè)案數(shù)（高頻關(guān)鍵詞），橫坐標(biāo)為其組間的平方距離。

圖4 聚類結(jié)果樹狀圖

利用SPSS軟件的聚類方法采用“組間聯(lián)接”“二元——Ochiai系數(shù)”測量方式，得到聚類樹狀圖。根據(jù)聚類譜系圖可以將研究熱點(diǎn)分為4 個(gè)類別。由“工業(yè)基礎(chǔ)類”“互操作性”“模型視圖定義”“預(yù)制建筑混凝土”“數(shù)字孿生”“物聯(lián)網(wǎng)”“預(yù)制混凝土構(gòu)件”“自動(dòng)化”構(gòu)成“類別1——信息協(xié)同”，由“供應(yīng)連鎖管理”“區(qū)塊鏈”“精益建造”“建設(shè)自動(dòng)化”“可持續(xù)性”“建筑工程管理”構(gòu)成“類別2——施工協(xié)同”，由“預(yù)制裝配式建筑”“建筑信息模型”“面向制造和裝配的設(shè)計(jì)”“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”構(gòu)成“類別3——設(shè)計(jì)協(xié)同”，由“關(guān)鍵成功因素”“中國”“建筑”“科學(xué)計(jì)量分析”“可持續(xù)建筑”構(gòu)成“類別4——資源協(xié)同”。

5.1 信息協(xié)同

建設(shè)的全過程要求設(shè)計(jì)院、設(shè)備材料供應(yīng)商、建設(shè)單位、施工單位等協(xié)同完成，建筑與預(yù)制工程系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換融合是實(shí)現(xiàn)裝配式建設(shè)的基礎(chǔ)，需要建立BIM共同商定的交換標(biāo)準(zhǔn)，即數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，建設(shè)各方信息協(xié)同的可視化平臺(tái)。相關(guān)研究主要集中在數(shù)字技術(shù)語言統(tǒng)一化處理，與材料物流仿真、GIS 路線選擇［17］、吊裝控制［18］、質(zhì)量評(píng)估［19］結(jié)合，實(shí)時(shí)同步，達(dá)到建設(shè)精準(zhǔn)性和整體性。數(shù)字技術(shù)語言統(tǒng)一化處理主要采用工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）來解決數(shù)據(jù)的交互操作性、制定數(shù)據(jù)交換規(guī)范，主要解決預(yù)制構(gòu)件特定的圖元和特征性［20］、提供自動(dòng)數(shù)據(jù)映射方法［21］、豐富模塊化空間設(shè)計(jì)［22］等，提出算法，統(tǒng)一內(nèi)部對象模式映射到IFC屬性。整個(gè)裝配式建筑數(shù)據(jù)涉及多個(gè)應(yīng)用程序共享的語義，需要交換規(guī)范的信息傳遞手冊（IDM）來將其模型視圖定義（MVD）與形式化信息模型聯(lián)系起來［23］。對于異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的研究，目前還基于片段化階段（見表3），開發(fā)的模式及構(gòu)架還未達(dá)到各方完全統(tǒng)一。現(xiàn)階段通過數(shù)據(jù)信息進(jìn)行承包商和業(yè)主間的信息交互、制造商與承包商之間的交流協(xié)作，未來目標(biāo)是通過可視化圖件整合全過程各方的信息協(xié)同，從虛擬構(gòu)架到系統(tǒng)的建設(shè)。

表3 異構(gòu)數(shù)據(jù)融合模式研究

5.2 施工協(xié)同

目前BIM在裝配式建筑中的施工項(xiàng)目管理應(yīng)用可以總結(jié)為“三控四管一監(jiān)督”（見表4），包括：成本控制［28］、質(zhì)量控制［29］、進(jìn)度控制［30］、安全管理［31］、現(xiàn)場裝配管理［32］、材料管理［33］、生產(chǎn)管理［12］、監(jiān)督機(jī)制［13］。200 篇研究文獻(xiàn)中有44 篇關(guān)于施工協(xié)同領(lǐng)域的“三控四管一監(jiān)督”。其中質(zhì)量控制的權(quán)重為32%，是所有類別中最高的，學(xué)者們對BIM在裝配式建筑施工中質(zhì)量控制的研究較多，對監(jiān)督機(jī)制研究的最少，缺乏對整個(gè)裝配式施工場地的自動(dòng)化監(jiān)管、隱私保護(hù)（見圖5）。項(xiàng)目管理對于裝配式建筑至關(guān)重要，涉及設(shè)計(jì)到施工和安裝的全過程，通過與BIM結(jié)合開發(fā)相關(guān)技術(shù)、平臺(tái)來協(xié)調(diào)、記錄和控制裝配式建筑的“三控四管一監(jiān)督”是當(dāng)前較優(yōu)的方式。同時(shí)，自動(dòng)化技術(shù)和精益建造原則已廣泛應(yīng)用在汽車及其他制造業(yè)［34］，建筑業(yè)也在不斷地向其靠攏，并不斷創(chuàng)新，加強(qiáng)項(xiàng)目管理，以提高生產(chǎn)力，縮短時(shí)間。目前對于項(xiàng)目管理的研究較多集中在單一的控制、管理和監(jiān)督，未來隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，需要開發(fā)一個(gè)完整的“三控四管一監(jiān)督”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化控制、管理和監(jiān)督。

表4 BIM在裝配式建筑中的施工項(xiàng)目管理應(yīng)用

圖5 “三控四管一監(jiān)督”的關(guān)注度比例

5.3 設(shè)計(jì)協(xié)同

BIM工具對整個(gè)建筑行業(yè)的貢獻(xiàn)巨大，但由于是在傳統(tǒng)非裝配式建筑背景下發(fā)展起來的，并沒有很好地考慮到工業(yè)生產(chǎn)、工地組裝的網(wǎng)絡(luò)過程［13］。目前需要通過調(diào)用BIM 應(yīng)用編程接口（API）對BIM 進(jìn)行二次開發(fā)裝配功能［35］。同時(shí)，很多建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)也是在非裝配式建筑的背景下開發(fā)的，并不能很好地適用于當(dāng)前的裝配式建筑設(shè)計(jì)，學(xué)者主要研究對于BIM在裝配式建筑設(shè)計(jì)中增加構(gòu)件目錄庫［36］、方案庫［37］，創(chuàng)建參數(shù)化設(shè)計(jì)或者運(yùn)用參數(shù)化對周圍環(huán)境模擬，優(yōu)化BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)（見表5）。1992 年芬蘭學(xué)者就指出，一些成熟制造產(chǎn)業(yè)的原則應(yīng)該應(yīng)用于建筑行業(yè)［38］。DfMA引入建筑行業(yè)，作為當(dāng)前新的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，增加了拆分和裝配的過程，要求建筑設(shè)計(jì)師和拆分設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)協(xié)同，裝配技師反饋問題，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)。整合DfMA和BIM，開發(fā)設(shè)計(jì)評(píng)估及優(yōu)化系統(tǒng)，為建筑設(shè)計(jì)師提供可選擇的建筑設(shè)計(jì)構(gòu)件和元素，優(yōu)化生產(chǎn)和組裝，提高建筑設(shè)計(jì)過程中的可視化及可預(yù)測性。

表5 BIM在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

5.4 資源協(xié)同

建筑業(yè)是全世界環(huán)境資源最大的消費(fèi)者。每年建筑業(yè)消耗全球能源大約40%［44］，資源優(yōu)化和建筑垃圾的可持續(xù)回收處理已成為全世界日益緊迫的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題。裝配式建造是可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)，近5 年基于BIM的裝配式建筑的可持續(xù)建設(shè)主要從能效［45］、材料與組件［46-48］、環(huán)境方面進(jìn)行研究（見表6）。能效在施工建造階段受到技術(shù)和管理的影響，網(wǎng)絡(luò)交流信息穩(wěn)定，勞動(dòng)力、機(jī)器的高效安排，可提高資源配置效率。材料與組件對建筑可持續(xù)的全過程全周期都有影響，早期選擇低碳材料、中間過程減少浪費(fèi)、后期材料回收再利用的方式來延長壽命。裝配式建筑對環(huán)境的影響，除酸化和礦物資源消耗外，其余方面均表現(xiàn)出環(huán)境友好性，裝配率提高，建筑環(huán)境影響降低，未來設(shè)計(jì)師需要關(guān)注裝配率，以提高建筑項(xiàng)目的環(huán)境績效。

表6 資源協(xié)同研究

6 結(jié)語

采用科學(xué)計(jì)量分析來剖析基于BIM 的裝配式建筑研究進(jìn)展，揭示基于BIM的裝配式建筑研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展。

（1）可視化圖件整合全過程信息協(xié)同。裝配式建筑的設(shè)計(jì)、施工及使用涉及建設(shè)單位、材料設(shè)備供應(yīng)商、施工單位、監(jiān)理單位、預(yù)制裝配單位等，不同利益相關(guān)者之間的互操作性和圖件的可視化管理對項(xiàng)目成功發(fā)揮重要作用。因此，裝配式建筑需要實(shí)時(shí)的可視化信息共享技術(shù)。雖然有學(xué)者對部分相關(guān)方的數(shù)據(jù)共享提供了可能，但并未對整個(gè)項(xiàng)目的各方提供一個(gè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)來可視化全過程圖件。為此可以構(gòu)想云BIM平臺(tái)的開發(fā)，其將會(huì)是未來高水平IT 的集合，融合VR、GIS、物聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)，簡化建造裝配式建筑流程，促進(jìn)相關(guān)方?jīng)Q策的把握。

（2）全面自動(dòng)化控制、管理及監(jiān)督的施工協(xié)同。許多國家存在著勞動(dòng)力成本上升以及人口老齡化的現(xiàn)象，自動(dòng)化生產(chǎn)控制技術(shù)應(yīng)用在制造業(yè)上已經(jīng)游刃有余，但建筑業(yè)的自動(dòng)化水平不高，目前的研究還缺乏對機(jī)器人、3D打印集成技術(shù)運(yùn)用到裝配式建筑施工的深入挖掘。為了推動(dòng)裝配式建筑的高效生產(chǎn)，通過BIM在施工中的自動(dòng)化控制、管理及監(jiān)督的施工協(xié)同，研究BIM與機(jī)器人、3D打印、智能機(jī)械等技術(shù)相結(jié)合，提高建筑業(yè)的自動(dòng)化水平。

（3）AI和BIM結(jié)合優(yōu)化平臺(tái)的設(shè)計(jì)協(xié)同。DfMA和BIM結(jié)合可以提高當(dāng)前預(yù)制建筑的設(shè)計(jì)，但其還是需要設(shè)計(jì)師建模，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，ChatGPT的產(chǎn)生，未來有可能將AI與BIM結(jié)合，加速BIM建模過程。把設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)需求等輸入計(jì)算機(jī)，與BIM結(jié)合生成設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，同時(shí)基于BIM的智能設(shè)計(jì)還可以自動(dòng)拆分構(gòu)件或模塊，實(shí)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)與后期施工、回收的一體化。

（4）能效、材料與組件、環(huán)境的全壽命周期資源協(xié)同?；贐IM的裝配式建筑與沒有BIM 的建設(shè)實(shí)施是不同的，其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，同時(shí)提高了能效、材料利用、環(huán)境效益。裝配式建筑全壽命周期包括設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段、試運(yùn)行階段、使用階段、更新或拆除回收階段，通過BIM 一體化平臺(tái)協(xié)同實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。建設(shè)過程中的利益相關(guān)方通過云BIM數(shù)據(jù)共享模式，提高各方的科學(xué)決策及保證機(jī)器高效率工作。通過BIM 改善裝配式建設(shè)項(xiàng)目在施工過程中的協(xié)調(diào)，減少返工，減少材料損耗。建造過程中的廢棄物也降低，在全壽命周期中減低對環(huán)境的影響。

注：

①IFC表示Industry Foundation Classes，工業(yè)基礎(chǔ)類，是建筑信息的公共標(biāo)準(zhǔn)，用以支持BIM工具互操作性的數(shù)據(jù)格式。

②DfMA表示Design for Manufacturing and Assembly，面向制造和裝配的設(shè)計(jì)，一種起源于制造業(yè)的方法，用于評(píng)估和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而來實(shí)現(xiàn)最佳制造和裝配［37］。