裝配式建筑中BIM技術(shù)應(yīng)用效果的分析和評價

馬學(xué)聰 （甘肅榮鋮建設(shè)工程有限公司，甘肅 蘭州 730300）

隨著我國人口增多，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近些年，國內(nèi)建筑業(yè)發(fā)展迅速，并且由于建筑業(yè)有著產(chǎn)值高、收益顯著、發(fā)展速度快等特點(diǎn)，行業(yè)從業(yè)者也呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長。由于施工過程的不規(guī)范、管理制度不健全，導(dǎo)致施工安全事故頻頻發(fā)生，且部分施工場地存在較多安全隱患，對我國建筑行業(yè)的發(fā)展造成了嚴(yán)重的影響，同時也阻礙了社會經(jīng)濟(jì)的前進(jìn)。裝配式建筑作為一種環(huán)境污染小、無須現(xiàn)場澆筑構(gòu)件、施工速度快的施工方式，能夠有效減少建筑物碳排放[1-3]。但裝配式建筑也有著管理困難、各建造專業(yè)協(xié)調(diào)困難以及成本難以控制的缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。而隨著科技的進(jìn)步，BIM 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4-5]，此技術(shù)給建筑工程施工管理、前期規(guī)劃等提供了技術(shù)支持，其貫穿項(xiàng)目的整個周期（設(shè)計(jì)圖紙、組織施工、后期修改和運(yùn)營等），可以將建筑物的配套設(shè)施、施工流程和結(jié)構(gòu)體系直觀清晰地展現(xiàn)出來，使施工管理過程更加容易，增強(qiáng)了項(xiàng)目的管理質(zhì)量和效率，故相關(guān)學(xué)者對BIM 技術(shù)在建筑工程的應(yīng)用展開了研究。蘭登輝[6]針對裝配式建筑中的諸多問題，分析了BIM 技術(shù)在裝配式施工過程中的應(yīng)用效果。李玉宏[7]根據(jù)BIM技術(shù)，分析了其在裝配式建筑成本控制和計(jì)算中的效果，反響較好。

基于此，為了克服裝配式建筑施工管理難，成本控制難、各參建專業(yè)協(xié)調(diào)溝通難等問題，將BIM技術(shù)和裝配式建筑進(jìn)行了結(jié)合。通過全周期評價法，對比了不同建造方式的節(jié)能減排效果，給相關(guān)工程提供了指導(dǎo)和借鑒。

1 項(xiàng)目概況

此次研究對4 個住宅BIM 技術(shù)節(jié)能減排應(yīng)用效果進(jìn)行了對比分析，項(xiàng)目概況分別為：項(xiàng)目A，裝配式住宅，占地面積43602.8m2，總建筑面積145321.63m2，項(xiàng)目采用了BIM 技術(shù)，項(xiàng)目包括8 棟高層住宅，地下室結(jié)構(gòu)類型為混凝土框架，扁鋼管混凝土柱為其上部結(jié)構(gòu)類型，樓梯、樓板等選擇預(yù)制PC構(gòu)件，裝配率為61%。項(xiàng)目B，裝配式住宅，占地面積73942.6m2，總建筑面積171862m2，項(xiàng)目沒有采用BIM 技術(shù)，項(xiàng)目包括5 棟高層住宅，剪力墻結(jié)構(gòu)為其結(jié)構(gòu)類型，內(nèi)墻版、樓梯等選擇預(yù)制PC 構(gòu)件，裝配率為32%。項(xiàng)目C，現(xiàn)澆式住宅，占地面積56511m2，總建筑面積155641.26m2，項(xiàng)目采用了BIM 技術(shù)，項(xiàng)目包括7 棟高層住宅。項(xiàng)目D，現(xiàn)澆式住宅，總建筑面積149143.22m2，項(xiàng)目選擇了傳統(tǒng)建造方式，未采用BIM技術(shù)，包括5棟高層住宅。

減排評價指標(biāo)選擇了垃圾和污水，節(jié)能評價指標(biāo)選擇了電、混凝土量、木材、用水量和鋼材量。表1為各建造方式的污染物排放情況和具體資源消耗情況。

表1 各項(xiàng)目的污染物排放情況和具體資源消耗情況

2 裝配式住宅中BIM技術(shù)的應(yīng)用效果

2.1 設(shè)計(jì)圖紙及施工優(yōu)化

分別對項(xiàng)目D 和項(xiàng)目C、項(xiàng)目B 和項(xiàng)目A 進(jìn)行對比，建造方式相同時，選擇BIM 技術(shù)的項(xiàng)目能耗較低。通過在Tekla軟件構(gòu)建BIM模型的構(gòu)件信息庫，能夠深化設(shè)計(jì)二維圖紙中的梁、板、柱等節(jié)點(diǎn)。同時優(yōu)化工程所用的預(yù)制模板，合并預(yù)制構(gòu)件的種類，以此增大模具的使用率。

在優(yōu)化項(xiàng)目A和項(xiàng)目C的管線時，機(jī)電專業(yè)工作人員對BIM 模型開展碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)了220 個碰撞點(diǎn)，各個專業(yè)參考碰撞報告進(jìn)行協(xié)調(diào)修改，解決了機(jī)電專業(yè)存在的157處問題，減少了121萬元的工程成本。指導(dǎo)現(xiàn)場施工方面BIM 技術(shù)的表現(xiàn)同樣出色，其能夠避免很多因設(shè)計(jì)圖紙相互矛盾、沖突而引起的簽證改變、工程變更等問題，將一系列問題前置，同時能夠建立詳細(xì)索引圖來協(xié)助施工安裝，在很大程度上增加了出圖質(zhì)量和效率。項(xiàng)目A 的BIM 設(shè)計(jì)費(fèi)為122 萬元，而通過BIM技術(shù)減少的管理費(fèi)和工程成本達(dá)到了434萬元，其效果顯然易見。

2.2 結(jié)合BIM技術(shù)的裝配式住宅節(jié)能減排分析

從表1 中能夠看出，對于消耗的木材，項(xiàng)目A 的消耗量為0.72m3/m2，項(xiàng)目C的消耗量為223.53m3/m2，可見前者木材消耗量遠(yuǎn)比后者小。這是因?yàn)轫?xiàng)目A主體結(jié)構(gòu)建造時無須支模澆筑混凝土，大大減少了木方和木模的使用量，降低了木材的消耗，使得造價減少了近60萬元。對于消耗的鋼材，對項(xiàng)目A 和項(xiàng)目C 進(jìn)行比較，裝配式結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆鋼混結(jié)構(gòu)的鋼材消耗量分別為149.46kg/m2和191.3kg/m2，能夠看出前者遠(yuǎn)小于后者，這是因?yàn)楸”阡摴芎蜔彳埿弯摓檠b配式結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，其質(zhì)量比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)小了近33%；除此之外，項(xiàng)目A 的大部分鋼材均在廠內(nèi)統(tǒng)一加工好后再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行施工，很大程度上降低了鋼筋在現(xiàn)場的損耗。對于消耗的混凝土，項(xiàng)目C和項(xiàng)目A的混凝土消耗量分別為538.3kg/m2和89.26kg/m2，項(xiàng)目A 混凝土用量如此之少的原因是，此項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系減少了現(xiàn)場澆筑的工作量，通過BIM 技術(shù)對混凝土所用量進(jìn)行了精確計(jì)算，降低了混凝土的浪費(fèi)量，使混凝土成本減小近30萬元。對于消耗的電量，和項(xiàng)目C相比，項(xiàng)目A用電量明顯較少，這是因?yàn)榇蟛糠謽?gòu)件在工廠制成，使得現(xiàn)場制作構(gòu)件的耗電量大大減少，并且整個項(xiàng)目工期縮短了近1/3，用電量節(jié)省了近23萬kW·h，所耗電費(fèi)降低了近14 萬。對于節(jié)地情況，項(xiàng)目A 大部分構(gòu)件的制作是在工廠內(nèi)完成，減少了現(xiàn)場材料的儲存和堆放用地，臨時設(shè)施占用面積的有效利用率高達(dá)90%，用地節(jié)省效果較好。對于用水量消耗，項(xiàng)目A和項(xiàng)目C的水消耗量分別為0.9m3/m2和156.38m3/m2，能夠看出項(xiàng)目C用水量約為項(xiàng)目A的160倍，這是因?yàn)轫?xiàng)目A大部分構(gòu)件的制作是在工廠內(nèi)完成，無須進(jìn)行混凝土澆筑和澆水養(yǎng)護(hù)，水資源投入降低了近5.6 萬m3，所用水費(fèi)減少了近16 萬元。對于排污量，項(xiàng)目A 中84%的施工廢物都能夠進(jìn)行回收利用，很大程度上降低了施工對附近環(huán)境的影響和污染。

3 分析各建造方式的節(jié)能減排效果

3.1 評價節(jié)能減排的方法

此次研究選擇生命周期法來對各建造方式節(jié)能減排效果進(jìn)行評價，此評價方法包括了產(chǎn)品生命周期整個過程，比較客觀和全面，其主要包括三個步驟，分別為：目標(biāo)邊界的認(rèn)定、清單分析、評價結(jié)果。

3.2 認(rèn)定目標(biāo)邊界

此次選擇了四種代表性建造方式來對比分析節(jié)能減排效果，分別為傳統(tǒng)建筑、裝配式+BIM建筑、裝配式建筑、傳統(tǒng)現(xiàn)澆+BIM 建筑，對四種建造方式的生命周期進(jìn)行劃分，分別為設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營以及回收階段。

3.3 分析清單和評價矩陣

在設(shè)計(jì)階段投入指標(biāo)選擇土地占用與可研設(shè)計(jì)；施工階段投入指標(biāo)有施工現(xiàn)場與構(gòu)件廠生產(chǎn)形成的能耗排放；回收階段投入指標(biāo)和產(chǎn)出指標(biāo)分別為處置和回收率；運(yùn)維階段的產(chǎn)出指標(biāo)與投入指標(biāo)分別為得房率和使用運(yùn)維消耗。投入和產(chǎn)出分別為正向指標(biāo)與負(fù)向指標(biāo)，前者數(shù)值越大，節(jié)能減排效果就越好，后者數(shù)值越小就越好，在分析時統(tǒng)一將投入指標(biāo)的量變換為1tce，百分率為產(chǎn)出指標(biāo)的單位。通過上述分析構(gòu)建各建造方式下的全生命周期節(jié)能減排效果評價矩陣，結(jié)合數(shù)據(jù)計(jì)算分析后得出具體結(jié)果見表2。

表2 各建造方式下的全生命周期節(jié)能減排效果

由表2可以看出，各項(xiàng)目的投入指標(biāo)表現(xiàn)為線性趨勢，在設(shè)計(jì)階段的工作主要包括可研和設(shè)計(jì)，存在人力物力的消耗，但能耗排放比較低；施工階段能耗排放最高，占比超過66%；其次是運(yùn)營階段。同時能夠得出，傳統(tǒng)現(xiàn)澆建造方式的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了裝配式，這表示這裝配式建造方式在節(jié)能減排方面效果較好。除此之外，能夠看出不論是現(xiàn)澆+BIM還是裝配式+BIM的施工方式，各階段的投入量均小于單純的現(xiàn)澆、裝配式的施工方式，且各階段的產(chǎn)出率也都大于單純的現(xiàn)澆、裝配式的施工方式，這表示通過BIM 技術(shù)能夠明顯降低施工過程中的各項(xiàng)能耗，增加項(xiàng)目的產(chǎn)出率，做到降本增效。裝配式建筑主要通過工業(yè)化制造構(gòu)件、使用節(jié)能環(huán)保設(shè)備和材料、模塊化裝配的方式來實(shí)現(xiàn)工程的節(jié)能減排。過去粗放式的現(xiàn)澆混凝土建筑建設(shè)方式通過工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)行了升級優(yōu)化，大大提高了生產(chǎn)資源的利用率。在施工現(xiàn)場進(jìn)行模塊化裝配能夠降低污水、建筑垃圾、粉塵的產(chǎn)生，能夠高質(zhì)量達(dá)到節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、節(jié)電的目的。

各建造方式的正向指標(biāo)里最大的是裝配式+BIM，這表示此建造方式的節(jié)能減排效益是最好的。通過引入BIM 技術(shù)，其出色的施工指導(dǎo)和裝配方式在很大程度上降低了施工階段的能耗，降低幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了在設(shè)計(jì)階段所增大的能耗，由此能夠看出BIM 技術(shù)優(yōu)秀的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。結(jié)合了BIM技術(shù)的建筑建造方式，將建筑模型進(jìn)行了可視化，將其建造過程以三維的方式更加直觀地展現(xiàn)在技術(shù)人員面前，提高了各專業(yè)間的協(xié)調(diào)效率和質(zhì)量，在檢查管線碰撞、深化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。也正是這樣，通過BIM 技術(shù)能夠達(dá)到精細(xì)化施工，最大限度降低了人力和材料的浪費(fèi)，降低污水、粉塵的產(chǎn)生，增強(qiáng)工程的節(jié)能減排效果。在對項(xiàng)目負(fù)向指標(biāo)、正向指標(biāo)綜合考慮分析后能夠得出，在全生命周期情況下，在裝配式建筑中引入BIM技術(shù)擁有顯著的節(jié)能減排效果。

4 結(jié)語

為了對比分析BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用效果，通過全生命周期法對比了各建造方式的節(jié)能減排效果，主要得出以下結(jié)論。

（1）裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑相比，在木材消耗量、鋼材消耗量、混凝土量、電量、節(jié)地情況、水量消耗量、排污量方面降低明顯，且在分別對項(xiàng)目D 和項(xiàng)目C、項(xiàng)目B 和項(xiàng)目A 對比后發(fā)現(xiàn)，建造方式相同時，選擇BIM技術(shù)的項(xiàng)目能耗較低；其中項(xiàng)目A的BIM設(shè)計(jì)費(fèi)為122萬元，而通過BIM 技術(shù)減少的管理費(fèi)和工程成本達(dá)到了434萬元，其效果顯然易見。

（2）各項(xiàng)目的投入指標(biāo)表現(xiàn)為線性趨勢，施工階段能耗排放最高；各建造方式中裝配式+BIM的正向指標(biāo)最高，這表示此建造方式的節(jié)能減排效益最好；結(jié)合了BIM技術(shù)的建筑建造方式將建筑模型進(jìn)行了可視化，提高了各專業(yè)間的協(xié)調(diào)效率和質(zhì)量，在檢查管線碰撞、深化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。