BIM 技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用探索

李英姬，秦茂軒，賈子彤，丁 寧

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院,上海 201418；2.上海建工一建集團有限公司,上海 201100）

在碳中和背景下，我國近年來加快了推進新型建筑工業(yè)化的步伐，其中裝配式建筑因其節(jié)能環(huán)保、節(jié)材減耗等特點，也迎來了高速發(fā)展機遇[1]。但目前裝配式建筑受傳統(tǒng)的部門分割及封閉的組織模式影響，各專業(yè)之間缺乏協(xié)同合作，設(shè)計、生產(chǎn)、施工過程中存在信息傳遞閉塞、脫節(jié)[2]的問題，嚴重影響建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。而建筑信息模型（building information modeling，BIM）技術(shù)是一種建筑信息模型化的技術(shù)手段[3]，融合BIM 技術(shù)的裝配式建筑管理可以改善上述弊病。模型化后的建筑實物信息和建設(shè)過程信息，可以運用于裝配式建筑全生命周期的設(shè)計、建造和運營一體化工程管理中，可以實現(xiàn)所有相關(guān)方共享信息資源。BIM 平臺可以將裝配式建筑工程設(shè)計、生產(chǎn)供應(yīng)、施工安裝、運營維護全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)打通，進行裝配式建筑的協(xié)同信息管理，推動裝配式建筑組織實施方式和工程項目管理模式創(chuàng)新，有助于全面提高裝配式建筑的管理和經(jīng)濟效益，加快裝配式建筑的應(yīng)用推廣[4]。

1 BIM 技術(shù)與裝配式建筑中的研究現(xiàn)狀

自2002 年以來，國際建筑行業(yè)興起了圍繞BIM 的建筑信息化研究。信息化是BIM 技術(shù)的核心[5]，在裝配式建筑的全生命周期內(nèi)，通過BIM 模型為基礎(chǔ)的信息集成化管理平臺，可以實現(xiàn)裝配式建筑各參與方信息共享與交換[6]。

國內(nèi)外學(xué)者對BIM 技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用展開了各種探索和嘗試。O’Grady 等[7]將使用循環(huán)型經(jīng)濟（circular economy，CE）理念設(shè)計的BIM 建筑模型和虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)相結(jié)合，提出了VR 技術(shù)在裝配式建筑循環(huán)型經(jīng)濟中的應(yīng)用方法，并利用CE 大樓模型，進行VR技術(shù)的具體應(yīng)用研究。Bataglin 等[8]提出基于BIM 模型的精益生產(chǎn)（engineer-to-order，ETO）理念管理模式，以“拉動式生產(chǎn)”和“減少可變性”原則的方法，探索ETO 模式與BIM 技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)。顧浩聲等[9]介紹了裝配式建筑BIM 正向設(shè)計的概念及優(yōu)點，以實際裝配式宿舍樓項目為例，從各專業(yè)協(xié)同設(shè)計、構(gòu)件深化設(shè)計、施工指導(dǎo)等幾個方面探討B(tài)IM 正向設(shè)計的應(yīng)用價值。渠立朋[10]以某裝配式學(xué)生公寓為例，介紹了BIM 技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計和施工階段的具體應(yīng)用，并進行了基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計-施工協(xié)同管理應(yīng)用平臺原型設(shè)計。孫國忠[11]結(jié)合裝配式建筑技術(shù)與建筑施工管理現(xiàn)狀及存在問題，提出基于BIM 的裝配式建筑總承包管理模式，并基于實際工程項目，驗證了其有效性。

要實現(xiàn)裝配式建筑的轉(zhuǎn)型升級，既要提高施工技術(shù)，又要充分發(fā)揮工程總承包管理的資源整合優(yōu)勢?；诠こ炭偝邪芾淼腂IM 技術(shù)應(yīng)用[1，6]，對裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)進行集成化管理，是進一步發(fā)展裝配式建筑的關(guān)鍵所在。

2 BIM 技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用

2.1 工程概況

本項目為上海某科技智慧城商辦項目，總用地面積約為5.86 萬 m2，由8 棟塔樓和4 棟附屬樓房組成，地上總建筑面積約18.58 萬 m2，地下總建筑面積約10.74 萬 m2，建筑性質(zhì)為商業(yè)、辦公。其中多層商業(yè)、辦公建筑均采用裝配整體式框架結(jié)構(gòu)。采用設(shè)計-施工總承包管理模式，本項目的創(chuàng)新點是 “全專業(yè)協(xié)同BIM 設(shè)計，利用 BIM 技術(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)施工”。

本文以該項目5 號辦公樓為例進行BIM 技術(shù)應(yīng)用探討。5 號辦公樓地上建筑總面積為11 683.63 m2，建筑高度為23.465 m，預(yù)制率為30.2%，預(yù)制構(gòu)件包括預(yù)制疊合梁、預(yù)制疊合板、預(yù)制柱等。因場地有限，PC 構(gòu)件運輸及堆放均在250 mm 厚地下室結(jié)構(gòu)頂板上。

2.2 BIM 應(yīng)用總體策劃

為了更好地實施BIM 技術(shù)應(yīng)用[12-13]，裝配式建筑工程總承包項目部在組織機構(gòu)中，需要增設(shè)設(shè)計管理部和BIM 工作部。本項目是在技術(shù)質(zhì)量部下面專門配備了駐場BIM 負責(zé)人（見圖1），全面負責(zé)本工程BIM 系統(tǒng)的建立、運用和管理，協(xié)調(diào)總控項目BIM 應(yīng)用，并負責(zé)編制 “BIM 實施工作計劃”，經(jīng)建設(shè)單位批準(zhǔn)后作為BIM 實施工作的指導(dǎo)性文件和依據(jù)?！癇IM 實施工作計劃”主要內(nèi)容包括：整體BIM 實施方案、BIM 團隊及組織架構(gòu)、BIM 工作進度、模型精細度LOD（level of development）要求、BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)流程、各參與方BIM 提交成果要求及保障措施等。按照圖2 所示的BIM 建模流程建立各專業(yè)BIM 模型，根據(jù)項目BIM 應(yīng)用階段確定構(gòu)件需要包含的屬性信息，要求模型信息輕量化，避免過度建模。

圖1 項目組織架構(gòu)Fig. 1 Project organization chart

圖2 BIM 建模流程Fig. 2 BIM modeling process

2.3 裝配式建筑設(shè)計階段應(yīng)用

設(shè)計階段中的深化設(shè)計是裝配式建筑實現(xiàn)過程中的重要一環(huán)，起到承上啟下的作用。裝配式建筑深化設(shè)計是根據(jù)合同的技術(shù)要求[14]、施工規(guī)范[15-17]，綜合考慮構(gòu)件外觀、生產(chǎn)加工、運輸安全、施工可實施和便捷、設(shè)備預(yù)埋的一項綜合設(shè)計。

基于BIM 的裝配式建筑全過程設(shè)計管理，貫穿整個設(shè)計過程，對建筑全過程各個階段進行技術(shù)集成和專業(yè)整合，實現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。裝配式建筑設(shè)計應(yīng)充分考慮建筑結(jié)構(gòu)與建筑內(nèi)部裝飾體的協(xié)同性，內(nèi)裝與機電深化設(shè)計必須前置。

2.3.1 各專業(yè)BIM 模型深化設(shè)計

在深化設(shè)計階段利用Revit 軟件建立建筑、結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備等專業(yè)BIM 模型，進行構(gòu)件拆分、節(jié)點深化設(shè)計。優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件種類和規(guī)格，疊合板的拆分盡可能采用模數(shù)化尺寸做到了“少規(guī)格、多組合”，構(gòu)件拆分時充分考慮了最重預(yù)制構(gòu)件的（預(yù)制梁最重9.4 t，預(yù)制柱最重8.1 t）吊裝、運輸、施工安全的要求。BIM 建模流程最終形成施工圖設(shè)計階段的全專業(yè)BIM 模型如圖3 所示。

圖3 深化設(shè)計模型圖Fig. 3 Detailed design model drawing

2.3.2 碰撞檢查和凈高分析

利用魯班s 軟件把各專業(yè)BIM 模型進行合并碰撞，檢查PC 構(gòu)件、管線之間的碰撞點（見圖4），校核預(yù)留洞口與預(yù)埋件位置，對構(gòu)件和管線進行優(yōu)化布置。通過碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)常規(guī)設(shè)計各專業(yè)間錯漏碰的問題共47 項，對因二維圖紙造成的問題進行提前預(yù)警，第一時間發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計問題，避免工期延誤、節(jié)約安裝成本，提高了工程質(zhì)量。

圖4 管線碰撞檢查Fig. 4 pipeline collision check

2.3.3 BIM 技術(shù)設(shè)計階段應(yīng)用總結(jié)

本項目采用的是現(xiàn)階段主流的“圖紙+BIM 模型”的并用模式，即在二維CAD 施工圖基礎(chǔ)上，利用Revit 軟件建立各專業(yè)三維模型，后期采用鏈接的形式進行模型整合和應(yīng)用，此方法增加了建立BIM 模型的工作量，設(shè)計工作效率相對較低?？紤]到深化設(shè)計工作內(nèi)容繁雜和一次成優(yōu)，采用BIM技術(shù)正向設(shè)計。運用Revit 或Tekla 軟件2 次開發(fā)系統(tǒng)直接建模、施工圖繪制，即 “先建模，后出圖”的設(shè)計流程，在同一個設(shè)計平臺完成PC 方案設(shè)計、構(gòu)件加工圖設(shè)計、模板設(shè)計等各項設(shè)計，實現(xiàn)全專業(yè)、全過程三維協(xié)同設(shè)計，不同的設(shè)計人員可以在一個模型上進行實時協(xié)作，施工零變更成為可能性。

2.4 預(yù)制構(gòu)件和部品生產(chǎn)階段應(yīng)用

信息傳遞的準(zhǔn)確性和時效性是BIM 在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段的最大優(yōu)勢[2-6]。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程中包括技術(shù)工藝管理、質(zhì)量管理、成品管理等宜應(yīng)用BIM 技術(shù)，可提高數(shù)據(jù)交換的精確性，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。裝配式預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段BIM 應(yīng)用交付成果宜包括：部品部件加工模型、加工圖、裝配圖、以及相關(guān)的技術(shù)參數(shù)和安裝要求等。

2.4.1 預(yù)制構(gòu)件圖紙深化

預(yù)制廠在構(gòu)件加工階段根據(jù)設(shè)計階段的施工圖紙進行預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計。讀取BIM 模型預(yù)制構(gòu)件的幾何及材料屬性信息，根據(jù)設(shè)計劃分的構(gòu)件單元，結(jié)合工廠生產(chǎn)設(shè)備及現(xiàn)場施工情況進行構(gòu)配件部品的生產(chǎn)拆分，形成生產(chǎn)階段專用構(gòu)件加工三維模型。對于柱，嚴格控制出筋定位精度和伸出長度，確保套筒連接準(zhǔn)確可靠。在進行預(yù)制梁深化設(shè)計時，預(yù)留支模用連接螺栓，保證模板與預(yù)制構(gòu)件的裝配可靠性，方便現(xiàn)場施工安裝。

利用BIM 參數(shù)化設(shè)計，精確進行構(gòu)件的外輪廓及節(jié)點鋼筋的優(yōu)化設(shè)計、水電預(yù)埋設(shè)計、吊點設(shè)計、施工預(yù)埋設(shè)計等，確保設(shè)計與生產(chǎn)加工的協(xié)同對接，有效減少了預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)周期。

2.4.2 模具制作與拼裝

模具設(shè)計應(yīng)兼顧周轉(zhuǎn)使用次數(shù)和經(jīng)濟性原則，模具構(gòu)造保證拆卸方便，并應(yīng)滿足預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量、生產(chǎn)工藝和周轉(zhuǎn)次數(shù)等要求。

模具的精度決定預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量，基于BIM 信息模型的預(yù)制構(gòu)件模具設(shè)計，提高PC 構(gòu)件模具加工精度降低生產(chǎn)成本。BIM 三維模型加工圖便于工人識圖，并可仿真模擬加工工藝流程圖，為工人提供全新的技術(shù)培訓(xùn)場景，提高預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4.3 建立PC 構(gòu)件信息模型

在預(yù)制構(gòu)件信息模型基礎(chǔ)上，添加運輸所需的信息，建立材料、鋼筋和預(yù)埋件定位、管線、窗框位置、構(gòu)件編碼等重要信息，并在構(gòu)件生產(chǎn)和質(zhì)量驗收階段形成構(gòu)件生產(chǎn)的進度信息、成本信息和質(zhì)量追溯信息。預(yù)制配件、部品部件生產(chǎn)、制作的階段信息及時反饋到構(gòu)件加工模型中，保證模型信息的準(zhǔn)確性和及時性。所有預(yù)制加工產(chǎn)品的物流運輸和安裝等信息宜附加或關(guān)聯(lián)到模型中，方便規(guī)劃運輸路線、預(yù)制構(gòu)件倉儲、現(xiàn)場施工進度安排。

2.5 建筑施工實施階段應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計、生產(chǎn)制造階段的建筑信息模型進行施工階段深化設(shè)計，結(jié)合施工組織進度計劃實時更新BIM 模型，并進行專項施工方案模擬。

施工過程中逐步完善建筑信息模型的安裝信息，最終整合建筑物空間信息、設(shè)備信息、施工信息和質(zhì)檢信息形成竣工模型?？⒐つＰ图闪隧椖渴┕るA段的管理過程信息，為電子化竣工交付和運維階段BIM 應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.5.1 場地平面布置BIM 應(yīng)用

在裝配式建筑施工過程中，安全、高效地布置塔吊，可有效提高塔吊的使用效率和場地利用率，避免預(yù)制構(gòu)件的二次倒運現(xiàn)象，加快建筑整體施工效率。

二維平面施工場地布置圖，不能直觀地體現(xiàn)施工進度計劃。利用魯班軟件進行三維場地模擬和場地優(yōu)化，對整個施工現(xiàn)場生產(chǎn)區(qū)和構(gòu)件堆場以及塔吊位置生成三維效果圖，便于施工技術(shù)交底和場地布置優(yōu)化。利用 Navisworks 軟件仿真模擬運輸路線，優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件運輸平板車和商業(yè)混凝土運輸車行駛道路和轉(zhuǎn)彎半徑，并對群塔進行碰撞檢查，優(yōu)化塔吊布置，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。圖5 為不同工況下的場地及塔吊位置三維示意圖。

2.5.2 運輸與吊裝階段

構(gòu)配件、部品在運輸前應(yīng)基于生產(chǎn)階段交付的預(yù)制構(gòu)件裝配圖，結(jié)合工程現(xiàn)場施工進度、施工方法和順序、堆放場地等，制定專項施工方案并對專項施工方案進行動態(tài)施工仿真模擬（BIM+VR）[18]，以確定構(gòu)配件、部品的運輸順序和放置位置，方便施工技術(shù)交底。

預(yù)制構(gòu)件的吊裝是裝配式結(jié)構(gòu)工程施工中最重要的作業(yè)之一。構(gòu)配件、部品在吊裝前，結(jié)合施工現(xiàn)場、構(gòu)件的類型、機械設(shè)備的起吊能力、構(gòu)件的安放位置等，進行施工吊裝虛擬仿真模擬和對比分析工作，最終確定最優(yōu)的吊運方法及順序、臨時支撐設(shè)置等。

2.5.3 節(jié)點域安裝施工指導(dǎo)

連接節(jié)點構(gòu)造是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的關(guān)鍵，為達到與現(xiàn)澆混凝土等同的效果，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的后澆混凝土節(jié)點必須按照施工方案要求的順序進行施工。

對主梁預(yù)留支模用連接螺栓進行BIM 三維模型深化設(shè)計，確定模板預(yù)制構(gòu)件的連接方式和預(yù)留連接螺栓的具體位置，有效避免了因模板無法安裝影響施工進度等問題。運用BIM 虛擬仿真技術(shù)模擬預(yù)制梁、板、柱的施工流程，并對工人進行套筒灌漿模擬培訓(xùn)和安全技術(shù)交底。比如模擬預(yù)制柱安裝施工工藝流程包括：基層處理→定位測量放線→鋪設(shè)漿料→預(yù)制柱吊裝就位→定位校正和臨時固定→鋼筋套筒灌漿。對施工工藝、現(xiàn)場、進度、施工難點進行預(yù)判與處理，從而實現(xiàn)對施工過程的有效控制。

2.5.4 標(biāo)準(zhǔn)層施工工藝流程模擬

預(yù)制裝配式建筑構(gòu)件吊裝方案對施工工序有很高的要求，構(gòu)件吊裝順序出錯會導(dǎo)致大量返工，造成工期和成本的增加。根據(jù)項目的吊裝工作計劃，對PC 構(gòu)件吊裝方案進行三維動態(tài)模擬，復(fù)核構(gòu)件的吊裝、裝配順序，查找施工中可能存在的動態(tài)干涉，優(yōu)化吊裝方案，形成構(gòu)件安裝的風(fēng)險防控文檔，并形成施工指導(dǎo)視頻。

施工過程中，將項目進度計劃和BIM 模型相關(guān)聯(lián)，產(chǎn)生具有時間屬性的施工進度管理BIM5D模型，可視化展示項目動態(tài)與計劃進度比對分析，對進度偏差進行調(diào)整，更新目標(biāo)計劃，同時對施工組織設(shè)計的合理安排進行校核。

2.6 運營維護管理階段實施建議

運維階段是建筑全生命周期中時間最長、管理成本最高的重要階段。建議本項目業(yè)主委托BIM顧問把土建竣工模型和機電竣工模型整合為運維所需的整體竣工BIM 模型，并對這些信息數(shù)據(jù)進行審核，審核通過后模型存檔?？⒐IM 模型數(shù)據(jù)信息與設(shè)施管理平臺（facility management,FM）進行關(guān)聯(lián)，為資產(chǎn)設(shè)施運營管理提供信息查詢、隱蔽工程改造、設(shè)備快速定位、圖紙管理、系統(tǒng)維護、實時監(jiān)控預(yù)警、互動場景模擬等功能，可以提高物業(yè)管理效率、物業(yè)服務(wù)質(zhì)量，降低管理成本，為設(shè)施的保值增值提供可持續(xù)的解決方案，最終實現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)、裝配、運維一體化的BIM 技術(shù)集成應(yīng)用目標(biāo)（見圖6）。

3 結(jié)語

依托上海某科技智慧城裝配整體式框架結(jié)構(gòu)項目，將BIM 技術(shù)融合在裝配式建筑設(shè)計、施工、運維管理中，探討了BIM 技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用價值。

（1）梳理了BIM 實施的組織與管理架構(gòu)，探索裝配式建筑全過程BIM 應(yīng)用流程。

（2）BIM 技術(shù)應(yīng)用于工程項目設(shè)計、施工、運營維護等各階段，可實現(xiàn)建筑全生命期各參與方數(shù)據(jù)資源共享，為裝配式建筑工業(yè)化建造提供技術(shù)保障。

（3）BIM 技術(shù)支持對建筑質(zhì)量、施工安全等方面的分析、檢查和模擬，推動工程建設(shè)組織實施方式的創(chuàng)新、工程項目管理模式的創(chuàng)新。

（4）BIM 技術(shù)支持裝配式建筑各專業(yè)協(xié)同工作、精益建造和精細化管理，實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同管理，對于實現(xiàn)智慧建造、低碳節(jié)能起到重要作用。