基于BIM 的裝配式建筑分析

亢磊磊 呂秋林 屈芝茗 黃佳寧 廖天袁 楊浩田

隨著我國經濟的快速發(fā)展，建筑工程建設規(guī)模也日益擴大，對建筑水平和質量提出了更高要求，因此裝配式工程在大跨度、高技術、輕質高強方面都得到廣泛應用。由于傳統(tǒng)預制構件所采用的原材料多為單件小批量生產，這就使得生產效率低且勞動力不足，同時因為裝配式施工具有高效性與節(jié)能化等優(yōu)點而備受青睞。

建筑信息模型（BIM）是未來信息建筑發(fā)展趨勢的一個新方向，在建筑工程領域，BIM 技術也將成為建筑工程領域今后發(fā)展的一個趨勢。在裝配式建筑中，設計師能夠根據施工現場的實際情況，對建筑項目進行合理的規(guī)劃，并通過三維建模軟件建立工程模型。同時還能利用CAD/CAM 等計算機輔助設計工具來實現構件之間、結構和設備間以及各專業(yè)之間協(xié)同工作能力及信息共享與協(xié)調控制功能；裝配式建筑相比于傳統(tǒng)建筑的形式，具有施工周期短、環(huán)境污染小、標準化程度高等優(yōu)點，是未來建筑行業(yè)的發(fā)展方向[1]。

此外，由于裝配式建筑工程具有靈活性高、可移動性強以及易于管理與控制等特點，被廣泛應用于各個領域中；同時因為構件之間及各專業(yè)間能夠有效協(xié)同工作，實現信息共享和協(xié)調一致化，可以減少因施工過程造成的資源浪費[2]。因此，BIM 技術在傳統(tǒng)建筑行業(yè)中的應用前景廣闊，將BIM 技術設計理念與裝配式結合是未來發(fā)展必然趨勢[3]。

1 裝配式建筑和BIM 技術的基本理論

1.1 裝配式建筑基本理論

目前我國裝配式建筑工程中主要使用的是鋼筋混凝土框架。隨著社會經濟不斷發(fā)展進步，人們生活水平提高以及城市化進程加快帶來的城鎮(zhèn)化建設規(guī)模日益擴大，建筑行業(yè)得到快速發(fā)展的同時也給其帶來巨大挑戰(zhàn)，如建筑業(yè)與其他產業(yè)之間聯系越來越緊密，隨著裝配式建筑工程的規(guī)模逐漸擴大，其造價也隨之上升；我國目前正處于城鎮(zhèn)化進程中，建筑業(yè)對資金、技術等要求較高。

裝配式建筑是一種集生產、施工、裝飾、設計為一體的建筑系統(tǒng)，這種類型的建筑具有非常明顯的集成化特征[4]。裝配式建筑是指將預制構件按照一定的工藝設計，通過節(jié)點構造連接成一個整體，然后再進行安裝、調試等工作。這種結構具有施工簡單和造價低等特點。因此在發(fā)展新工藝下進行新型預制構件及結構設計成為現階段建筑行業(yè)的必然趨勢。但限制裝配式建筑在市場內推廣使用的主要原因是此類建筑的設計經驗較少，即設計的成果經常在現場裝配施工時出現節(jié)點碰撞的問題，此種問題不僅對建筑整體設計質量造成影響，還會對工程的后續(xù)裝配施工造成干預[5]。

1.2 BIM技術基本理論

BIM 技術即建筑信息模型技術，通過將工程項目建設中所需應用的各類數據信息輸入至計算機中，即可創(chuàng)建形成建筑工程虛擬模型。它可以將建筑工程進行模型化處理，并且其輸出模型不是簡單意義上的三維輸出，而是指在三維模型的架構之上，對模型進行信息化處理，添加建筑工程屬性，讓建筑工程具有生命力。

BIM 技術的功能：第1，利用數字信息技術構建一個完整而又精確高效且易于維護的信息平臺：將BIM 技術應用到傳統(tǒng)二維平面設計和三維立體模型制作，可通過對構件數據進行計算生成三維空間圖形；第2，利用數字信息模型對構件進行三維實體建模，可將裝配式建筑的各個過程模擬成一個完整而又精確的虛擬空間，并通過BIM 技術實現動態(tài)、靜態(tài)碰撞仿真；第3，利用數字信息模型進行可視化的建模：在裝配式建筑中，構件之間通過二維空間數據相互連接，并可以對其結構特征和施工過程模擬出真實、精確的三維實體，幾何形狀通過這種虛擬的空間實體的建立，可對裝配式建筑進行全方面、多層次設計，并最終實現三維幾何造型；第4，可通過三維實體模型對裝配式建筑進行虛擬仿真，并利用BIM 的模擬功能，將其在設計過程中所產生出來的數據信息與傳統(tǒng)二維平面圖對比來實現設計修改及優(yōu)化。

1.3 裝配式建筑的發(fā)展歷程

裝配式建筑的發(fā)展在我國建筑工程中逐步推廣和應用，從1998 年開始，我國先后開展了“全國工裝企業(yè)技術改造工程”、2000 多家新建住宅小區(qū)建設等大規(guī)模項目。目前我國的裝配式建筑主要是以傳統(tǒng)設計模式為基礎，對其進行優(yōu)化、改進，并在此基礎之上結合現有信息資源與市場需求等方面提出相應措施，但由于裝配式建筑發(fā)展在中國起步時間較短，所以在技術、市場和管理等方面都存在不足，導致其應用水平與國外發(fā)達國家還有一定差距。在歐美、日本、韓國等發(fā)達國家中，廣泛采用“預制裝配化施工技術”，能夠實現生產標準化、產業(yè)規(guī)模化、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[4]。因此應加強對BIM 的研究并建立各種相關機制。

2 BIM+裝配式建筑實際應用案例分析

2.1 項目背景

南通行政服務中心停車綜合樓工程項目，地處南通行政服務中心的北部區(qū)域，停車綜合樓建設的時候全高為57.15 m，總建筑面積為48972 m2，包括地上建筑面積為42085 m2，地下建筑面積為6886 m2。

2.1.1 結構設計

南通行政服務中心停車綜合樓工程中采用“少規(guī)格，多組合”的原則的結構設計理念，整體預制率為53.3%，其中護欄和其他零星構件的拼裝比例為93%。以“少規(guī)格，多組合”的形式，即以規(guī)范的方式，實現了預制塊類型的縮減，從而可達到節(jié)約造價的目的；將建筑的結構和建造工藝結合起來，采用了建筑和裝飾的結合，不需要外部模板，不需要外部腳手架，不需要現場搭建；免刷環(huán)保工程，減少工期[6]。

2.1.2 綠色建筑設計

開放式的車房建筑，采用了環(huán)保的、自然通風和自然采光的技術設計思想使建筑物的能源利用率高達65%，辦公大樓局部使用了可移動的百葉窗，百葉窗可調整也可移動[7]，可調整百葉窗面積超過28%。在屋頂上安裝太陽能光熱光伏發(fā)電系統(tǒng)，使可更新的能量得到有效的使用。在房頂上進行一些豎向的綠植，使整個房頂的綠植區(qū)域最大化。利用高效的空調和照明系統(tǒng)，實現建筑物的能源節(jié)約。樓宇清潔器也使用了節(jié)水性裝置，并同時收集屋頂和工地的雨水，供灌溉和清潔路面之用。

2.2 基于BIM技術的裝配式建筑應用分析

在本項目中，使用的是Cartier 軟件，與Revit 平臺相比，它在結構預制構件建模上更加便捷。此外，這個軟件平臺還可以用于預制件的模擬拼裝、施工模擬交底等方面，具有使用方便、操作更加直觀的動畫功能，具體應用詳見下文闡述。

2.2.1 方案設計階段

三維零件的拆分設計。本項目擬在項目設計階段，通過BIM 建模，實現預制裝配體的預制裝配，為生產、運輸、吊裝等環(huán)節(jié)做好前期準備，并對裝配體的外形尺寸進行初步確定。

2.2.2 碰撞檢測

碰撞檢查過程循環(huán)階段：土建、安裝各個專業(yè)建?！Ｐ瓦M行改進—系統(tǒng)后臺自動碰撞檢查并輸出后，及時生成并提供碰撞檢查報告—按照碰撞報告修正優(yōu)化模型。

2.2.3 施工進度及質量

建筑工程質量和進度對工程經濟效益的實現至關重要，利用BIM 技術模擬施工方案并構建4D 施工模型以實時跟蹤施工質量和進度。南通行政服務中心停車綜合樓工程利用BIM 技術模擬施工方案并構建4D 施工模型，以實時跟蹤施工質量和進度。模型結合某高層建筑工程施工實例，分析了其施工進度控制方法和步驟，以及影響因素等。將其與實際統(tǒng)計所得數據對比得出兩者之間存在的偏差。這樣可以實現空間與資源的優(yōu)化配置，切實解決建設過程中存在的諸多矛盾，最終確保工程組織設計與工程方案優(yōu)化。

2.2.4 輔助計算裝配率

裝配率的計算涉及到預制構件及現澆混凝土的體積、面積等相關指標。南通行政服務中心停車綜合樓工程裝配率的計算涉及到了上述指標。采用裝配式BIM 模型可以對每個預制構件及現澆部分進行體積、重量精確統(tǒng)計并計算出裝配率。裝配率是裝配式建筑最重要的計算指標，通過BIM 技術可以非常方便的計算裝配率，從而極大提高了效率。

在施工階段采用計算機模擬方法進行預制拼裝是一種新的嘗試。由于高層建筑層數多，功能復雜，人為統(tǒng)計計算會產生一定的誤差。以某一典型建筑為例，通過對其結構進行簡化分析，得出該工程在不同樓層之間的實際建筑面積以及對應的施工工序數量。采用裝配式BIM 模型可以對每個預制構件及現澆部分進行體積、重量精確統(tǒng)計并計算出裝配率。

2.2.5 構配件、節(jié)點預拼裝

每個不同的部件，不同的預制構件，不同的節(jié)點，都是通過BIM 模型預先拼裝好的，這樣才能保證將來實際安裝是準確的。

2.2.6 運維階段

BIM 技術的應用在裝配式建筑的運維階段主要通過BIM 平臺搭建一個三維模型，在三維建模模型中將項目實體模型和虛擬模型進行融合，然后通過模型對施工的各個部分進行模擬，實現施工過程中信息的快速傳遞，從而提高施工效率。在施工階段，BIM平臺通過可視化的交互式界面，對信息進行可視化展示，讓信息在建筑中快速的傳遞給施工人員，提高工程效率，減少施工成本[8]。

2.3 BIM技術在裝配建筑中的應用優(yōu)勢分析

2.3.1 有利于提升管理水平

由于裝配式建筑在整個工程活動中起步較晚，且對于施工技術要求較高，因此一般將重點放在工程管理的集約化水平上。使用BIM 技術可實現用三維立體模型展示裝配式建筑，使參與施工的管理人員能夠非常直觀的參考并分析模型，對施工中遇到的難點進行詳細、具體分析，能為施工工作提供直觀的參考，對保證項目建設工作的順利開展至關重要。

2.3.2 有利于提升施工質量

從建設的觀點出發(fā)，運用BIM 技術，為部分子項目的建設奠定了良好的基礎。因此在建設項目中，可以有效地降低環(huán)境污染[9]，提升項目的綠色化水平。另外，在組合式建筑的建設中，對于某些局部的預制構件的設計有很高的要求，從而對提高整個建設的品質起到很大的作用。此外，運用BIM 技術，可以對設計進行預先的預測和強化。

2.3.3 有利于做好成本控制

利用BIM 技術，進行組裝式建筑施工活動，能夠對施工信息模型和施工過程進行提前仿真，從而對施工中所使用的材料、設備等一系列元素以及整體施工進度進行科學、合理的控制。如此一來，就可以更好地達到經濟效益，對縮短建設時間，提供建設效益，幫助企業(yè)單位節(jié)約費用。

2.3.4 有利于促進信息傳輸

在傳統(tǒng)的工程設計工作活動中，如施工設計圖和各種相關數據、資料等信息的傳遞通常以紙質文件為主，但這種傳統(tǒng)的信息傳輸效率比較低，導致了在工程信息的傳輸上存在著許多障礙，會產生一些不利于工程建設順利進行的“信息孤島”。預制組裝式建筑，是目前新時代發(fā)展背景下出現的一種新的建筑結構，它在直接安裝和建造方面有著比較顯著的優(yōu)勢。因此，在實際的建設項目施工的過程中，可以利用BIM 技術與二次繪圖技術，實現相關附屬圖紙的傳遞移，促進信息傳輸的效率。

2.3.5 關于BIM技術的展望

裝配式建筑是近年來我國建筑行業(yè)發(fā)展的一個趨勢，裝配式建筑的發(fā)展對我國的建筑業(yè)產生了深遠的影響，但是裝配建筑的施工工藝復雜，施工成本高，預制構件的進場與驗收環(huán)節(jié)繁瑣，因此，利用BIM 技術進行預構件裝配，能夠縮短施工周期，節(jié)省人力物力，降低施工風險，提高預制品的安裝質量，縮短裝配時間。

由于傳統(tǒng)預制工廠批量生產模式下生產出的產品規(guī)格尺寸與現場實際情況不相符，而隨著工業(yè)化水平不斷提高以及人們對于綠色環(huán)保要求越來越高使得我國建筑工程行業(yè)正逐步向節(jié)能減排方向轉型升級，裝配式建筑模式的推廣將會是我國建筑工程行業(yè)發(fā)展新方向，同時也能促進經濟與社會效益雙豐收。

3 結論

本文通過對BIM 技術在裝配式建筑中的應用研究，分析了其應用現狀和發(fā)展趨勢，并從設計、施工安裝等方面提出建議。通過分析我國目前裝配式建筑工程發(fā)展現狀，總結了基于BIM 模型實現預制構件生產和設計所存在問題并提出建議。從實際出發(fā)對其進行深入研究與討論后得出以下結論：第1，結合國內外相關經驗以及成果來看，BIM 可應用于裝配式建筑的主要技術措施是在保證施工質量、縮短工期同時加強節(jié)能環(huán)保等方面；第2，裝配式建筑的設計在滿足構件生產與施工工藝要求前提下，可以盡可能降低成本，提高經濟效益；第3，通過對BIM 技術應用研究可以得出基于BIM 模型實現預制混凝土、鋼筋等預拼裝構件的制作可應用于裝配式住宅中解決其所存在問題。