BIM 技術(shù)在裝配式建筑智能建造施工過程管理中的應(yīng)用研究＊

陳東，劉陽，何祥榮，萬思雨，梁師林

（武昌工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢 430000）

1 智慧建造背景下的裝配式建筑

中國裝配式建筑目前仍處在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。裝配式建筑行業(yè)的智能化，不能僅依靠單一技術(shù)的升級，還需要依靠多方面的升級。在構(gòu)建多位一體智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入了BIM+EPC（Engineering Procurement Construction，工程總承包）模式，以數(shù)字化信息技術(shù)管理業(yè)務(wù)。該模式目前的發(fā)展和研究重點(diǎn)如圖1 所示。

圖1 智慧建造背景下裝配式建筑的發(fā)展重點(diǎn)

2 基于BIM 的裝配式建筑智慧建造體系架構(gòu)

裝配式施工是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化工程設(shè)計(jì)、廠房化制造、裝配式施工、機(jī)電一體化裝修，利用信息技術(shù)調(diào)動裝配式建筑全生命周期的建筑產(chǎn)品，涉及業(yè)主、施工方、設(shè)計(jì)方、監(jiān)理等。

智慧建造是指運(yùn)用BIM 技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)，利用測繪、數(shù)字化信息系統(tǒng)建設(shè)、遠(yuǎn)程共享服務(wù)以及智能監(jiān)測技術(shù)手段，利用在建造材料、機(jī)器設(shè)備、人以及工程管理對象等過程中所需要的物聯(lián)網(wǎng)，并利用各種信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段，把在預(yù)制裝配式建設(shè)整個生命周期內(nèi)的所有信息系統(tǒng)都集成在一個信息共享平臺上。在預(yù)制裝配式建設(shè)的整個生命周期內(nèi)，每個建設(shè)項(xiàng)目參與者都能夠利用信息網(wǎng)絡(luò)平臺有效地掌握并共享建設(shè)項(xiàng)目的有關(guān)信息，進(jìn)而達(dá)到建設(shè)項(xiàng)目信息與工程項(xiàng)目管理決策的有效傳播。要達(dá)到對預(yù)制裝配式建設(shè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造與安裝信息化管理的目的，就必須使用基于BIM 技術(shù)的全國統(tǒng)一信息通信網(wǎng)絡(luò)平臺，及時獲取各項(xiàng)建設(shè)有關(guān)信息，最大限度地充分發(fā)揮裝配式建設(shè)產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)越性[1]?；贐IM 的裝配式建筑智慧建造體系如圖2 所示。

圖2 基于BIM 的裝配式建筑智慧建造體系

3 基于BIM 的裝配式建筑智慧建造在施工過程管理中的應(yīng)用

3.1 場地布置管理

裝配式建筑在施工過程中面臨多專業(yè)、多工合作、深基坑、綠色文明施工、與既有建筑近距離的裝配、現(xiàn)澆、裝修等難題。同時還面臨著作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、工地布局易變等問題。受限于地質(zhì)等傳統(tǒng)方法，施工現(xiàn)場無法合理、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)。以往的現(xiàn)場布局使用了二維平面布置，對裝配式的施工吊裝并不能充分考慮三維空間的變化，更多的情況是不能充分考慮時間維度，但是BIM 信息技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)對裝配式施工的現(xiàn)場布局提出了非常好的規(guī)劃，能夠很直觀地呈現(xiàn)空間與時序的排列邏輯。在施工現(xiàn)場中和在施工條件不同的情況下，利用BIM 信息技術(shù)還能夠?qū)Ω鞣N情況的不同過程、現(xiàn)場布景的設(shè)計(jì)邏輯等產(chǎn)生三維表現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場的路線、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化堆放、實(shí)時可視化，同時還能夠提供給施工單位仿真數(shù)據(jù)[2]。

3.2 預(yù)制構(gòu)件管理

因?yàn)锽IM 模塊中所含有的信息內(nèi)容和二維碼以及RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）標(biāo)記信息內(nèi)容是相同的，所以施工單位只需利用BIM 數(shù)據(jù)信息就知道在每天的建設(shè)流程中需要什么預(yù)制件，和制造單位協(xié)商協(xié)調(diào)后就可以預(yù)制生產(chǎn)運(yùn)輸，可以有效解決在工地堆放工件的問題。施工單位利用工程信息協(xié)調(diào)系統(tǒng)查看預(yù)制建筑構(gòu)件施工狀態(tài)，并根據(jù)項(xiàng)目的施工進(jìn)度表和實(shí)際工程進(jìn)度，做好預(yù)制建筑結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)備工作。責(zé)任人應(yīng)對已投入到施工現(xiàn)場的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行質(zhì)檢，并采用三維激光掃描、標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)、卡尺檢測等手段檢驗(yàn)預(yù)制構(gòu)件的表面、內(nèi)部是否有裂縫、露筋等狀況，以確認(rèn)預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量等級并根據(jù)預(yù)制構(gòu)缺陷維修工藝控制方案制定。建設(shè)單位的責(zé)任人可使用手持讀取機(jī)或手機(jī)終端，錄入預(yù)制構(gòu)件的檢驗(yàn)日期、檢測時間和進(jìn)場日期，并對預(yù)制構(gòu)件的維修、回廠等方面進(jìn)行記錄操作，并反饋信息通過大數(shù)據(jù)合作系統(tǒng)至后端系統(tǒng)[3]。

3.3 施工進(jìn)度管理

施工進(jìn)度管理是指項(xiàng)目人員按照原規(guī)劃工期制定相應(yīng)合理的工期，在實(shí)施過程中根據(jù)實(shí)際實(shí)施情況不斷修訂，使項(xiàng)目能夠在合同期限內(nèi)完成。在預(yù)制裝配式施工項(xiàng)目中，由于項(xiàng)目經(jīng)理沒有裝配式施工知識或工作能力不足，無法正確有效地按照用工計(jì)劃、時間控制施工進(jìn)度。利用BIM 虛擬現(xiàn)實(shí)建筑技術(shù)，管理工作者能夠利用直觀的三維可視化技術(shù)了解施工進(jìn)度，對工程進(jìn)度方案的制定起到有效幫助，同時通過仿真的實(shí)施流程測試項(xiàng)目施工進(jìn)度方案的執(zhí)行結(jié)果，對整個工程實(shí)施監(jiān)督，如空間檢測、時間測試、勞動量及壓力測試等，通過測試結(jié)果提升施工進(jìn)度。施工進(jìn)度管理如圖3 所示。

圖3 施工進(jìn)度管理

3.4 施工安全管理

BIM-VR 信息安全虛擬現(xiàn)實(shí)感受室是利用BIM 技術(shù)結(jié)合VR 設(shè)施而搭建的。體驗(yàn)者能夠利用VR 設(shè)施，把自身當(dāng)成受害人或旁觀者處于生命安全事故頻發(fā)的區(qū)域。高度真實(shí)的視覺和感官體驗(yàn)使體驗(yàn)者仿佛親自經(jīng)歷了安全事故。為了提高從業(yè)人員科學(xué)穿戴勞動防護(hù)裝備，加強(qiáng)通道、洞邊、基坑支護(hù)，安全用電等意識，在安全技能講解與訓(xùn)練過程中，從業(yè)人員進(jìn)入VR的虛擬環(huán)境，并按照說明內(nèi)容和實(shí)際作業(yè)流程，實(shí)施當(dāng)前任務(wù)，同時進(jìn)行安全性教育與安全技能交底，從業(yè)人員如果不按照要求就可能出現(xiàn)重大安全事故，從而提高了體驗(yàn)者的安全意識、強(qiáng)化了安全操作流程。BIM-VR 安全虛擬體驗(yàn)如圖4 所示。

圖4 BIM-VR 安全虛擬體驗(yàn)

3.5 施工質(zhì)量管理

裝配式結(jié)構(gòu)在開工之前提出施工組織設(shè)計(jì)、專項(xiàng)實(shí)施計(jì)劃、節(jié)點(diǎn)布置實(shí)施計(jì)劃，并通過虛擬施工提前判斷施工方案的可行性。在正式進(jìn)行安裝以前，應(yīng)當(dāng)采用機(jī)器人布局或測量位置的方法確認(rèn)預(yù)制構(gòu)件的正確定位和控制高度。施工人員將利用移動端檢測預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量監(jiān)控過程，采用人工及三維激光掃描確定預(yù)制構(gòu)件的平整度，并檢測預(yù)制構(gòu)件是否存在漏角等影響工程質(zhì)量的問題。一旦出現(xiàn)了事故，他們用手機(jī)終端設(shè)備拍攝，并以文字信息上傳給后臺數(shù)據(jù)庫。后臺服務(wù)管理中心負(fù)責(zé)人將接收信息，并采取整改措施。使用移動終端收集在裝配階段經(jīng)過檢驗(yàn)數(shù)據(jù)整改的工程質(zhì)量問題，在后臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中安排人員單獨(dú)建立工程質(zhì)量問題信息庫，按一周、月度、每季度統(tǒng)計(jì)并分析裝配式建筑工程在施工過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題和工程質(zhì)量責(zé)任。為了改善工程質(zhì)量問題或者消除工程質(zhì)量問題，工程項(xiàng)目主管可采用繪制統(tǒng)計(jì)圖表形式掌握工程項(xiàng)目狀況，并及時和工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員在出現(xiàn)工程質(zhì)量問題的環(huán)節(jié)上進(jìn)行技術(shù)交流，以掌握工程設(shè)計(jì)意圖。設(shè)計(jì)單位可以做好本單位的數(shù)據(jù)庫，為單位匯總智能化成果[4]。質(zhì)量檢查如圖5 所示。

圖5 質(zhì)量檢查

4 基于BIM 的裝配式建筑智能制造實(shí)施建議

4.1 建設(shè)模式方面

第一，建立裝配式建筑專用的設(shè)計(jì)模式。現(xiàn)行的裝配式建筑設(shè)計(jì)大多是通過現(xiàn)澆混凝土工程設(shè)計(jì)完畢，然后通過結(jié)構(gòu)拆除工程設(shè)計(jì)。元器件種類雜亂，在實(shí)施過程中設(shè)計(jì)變更較多，使得大批量生產(chǎn)和安裝元器件的制造過程復(fù)雜，從工程設(shè)計(jì)、制造到組裝的效率低下。裝配型構(gòu)筑的精細(xì)化規(guī)劃和協(xié)同設(shè)計(jì)能力對建筑物的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率影響很大，因而推動裝配式建筑設(shè)計(jì)模型的發(fā)展顯得十分重要。

第二，發(fā)展裝配式施工建設(shè)智能制造產(chǎn)業(yè)鏈。目前，由于裝配式施工建筑行業(yè)仍處在萌芽階段，由于缺乏明確的專業(yè)分工，缺乏完善的生產(chǎn)管理體系，整個產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展并不均衡，從而導(dǎo)致了各個生產(chǎn)經(jīng)營主體間的相互協(xié)作和配套連鎖困難，進(jìn)而使得裝配式施工建筑行業(yè)發(fā)展緩慢，極大地降低了裝配式施工建設(shè)的產(chǎn)品質(zhì)量與效益。隨著裝配式施工建設(shè)整個產(chǎn)業(yè)鏈的逐步形成，將能夠發(fā)揮裝配式施工建設(shè)的效益，進(jìn)一步提高服務(wù)質(zhì)量，從而推動裝配式施工建材行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[5]。

4.2 信息平臺建設(shè)方面

把計(jì)算、通信、物理系統(tǒng)三位一體設(shè)計(jì)成物理信息系統(tǒng)，將傳感器實(shí)時收集的信息傳遞分享到各個生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)動態(tài)控制。以BIM 作為建筑信息的載體，其精細(xì)化、信息化的特點(diǎn)可以有效改善中國目前粗放的生產(chǎn)模式。通過BIM、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等手段，大大提升了技術(shù)服務(wù)的大數(shù)據(jù)效率，并能夠顯著提升裝配式建筑智能化施工水平。

4.3 建設(shè)環(huán)境方面

第一，加強(qiáng)專業(yè)知識培養(yǎng)。院校要加強(qiáng)裝配、BIM專業(yè)教學(xué)，使學(xué)校專業(yè)人員掌握的理論知識緊跟工業(yè)的發(fā)展趨勢，重視裝配人員崗位培訓(xùn)，完善崗位系統(tǒng)，提高裝配式建筑生產(chǎn)建設(shè)的質(zhì)量和效率。

第二，制定財(cái)政獎勵措施。沒有完善的行業(yè)體系、缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，裝配式建筑在企業(yè)中的實(shí)施難度很大。政府的激勵措施無疑是推動裝配式建筑智能化建設(shè)模式的有力推手?？梢越o予補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠和加快審批程序。

第三，加強(qiáng)市場宣傳。現(xiàn)階段，市場消費(fèi)者甚至從業(yè)人員對裝配式建筑知之甚少，甚至有著誤解和偏見，推進(jìn)裝配式建筑知識在市場上的普及，讓人們能夠清楚客觀地認(rèn)識到裝配式建筑的先進(jìn)性和優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而推動裝配式建筑的發(fā)展。

5 結(jié)論

將BIM 與裝配式相結(jié)合產(chǎn)生的建造方式是不同于傳統(tǒng)建造的新方法。它利用三維建模和漫游，可以讓建筑信息具體而高效地向建設(shè)人員和顧客進(jìn)行展示。它對于提高建筑質(zhì)量、滿足建筑業(yè)新發(fā)展具有重要意義，但中國BIM 技術(shù)發(fā)展與世界先進(jìn)水平具有較大差距，硬件條件、人才培養(yǎng)和技術(shù)都不夠成熟。隨著建筑業(yè)對BIM 的廣泛運(yùn)用，人們將對它有著更深刻的認(rèn)識和對軟件和技術(shù)的不斷研究。通過理論與實(shí)踐的不斷運(yùn)用，裝配式建筑的智慧建造時代終將會到來。