BIM技術(shù)在裝配式建筑施工階段的應(yīng)用研究
——以菏澤市某商住項(xiàng)目為例

高明杰 （鄆城縣環(huán)境衛(wèi)生服務(wù)中心，山東 菏澤 274000）

0 引言

傳統(tǒng)的建筑產(chǎn)業(yè)具有高能耗、長周期、低效率、粗放發(fā)展以及高勞動(dòng)力消耗等缺點(diǎn)，已遠(yuǎn)不能滿足目前國家對(duì)環(huán)境目標(biāo)的要求[1]。與此同時(shí)，在人口日趨老齡化的中國，可利用的建筑勞動(dòng)力日益減少，勞動(dòng)力成本不斷攀升，發(fā)展智能化建造、裝配化建筑、集成化制造成為未來的主流趨勢(shì)，這也是傳統(tǒng)建筑業(yè)迭代升級(jí)、建筑工業(yè)化的必然要求[2]。裝配式建筑將建筑物拆解為不同部分，按照標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)方式進(jìn)行預(yù)制造，將成品運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后采用拼裝的方式將各個(gè)構(gòu)件形成建筑整體，因此具有現(xiàn)場(chǎng)安裝快速、施工簡(jiǎn)單、對(duì)人員素質(zhì)要求較低等優(yōu)點(diǎn)，使得裝配式建筑的比例日益提升。建筑信息化是推動(dòng)預(yù)制裝配式建筑走向工業(yè)化的有效手段，BIM 技術(shù)作為建筑信息化、智能化的實(shí)現(xiàn)方式，與裝配式建筑結(jié)合將極大地推動(dòng)建筑智能建造的創(chuàng)新與實(shí)踐[3]。

1 工程概況

菏澤市某裝配式商住樓項(xiàng)目一期位于城市主干道北側(cè)，交通便利，為菏澤市年度重點(diǎn)民生工程之一?？偨ㄖ娣e為52081.92m2，其中地上面積36120.67m2，地下面積15961.25m2。項(xiàng)目主要功能用途為商業(yè)住宅、建筑主要為2 棟15 層民用住宅樓、2 棟28 層民用住宅樓，1 棟小區(qū)大門、1 棟商業(yè)用樓，均采用裝配式建筑施工，裝配率不小于65%，建筑結(jié)構(gòu)的工程參數(shù)具體如表1所示。

8#樓結(jié)構(gòu)形式采用天然地基+筏板基礎(chǔ)，筏板厚700mm，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻。9#樓結(jié)構(gòu)形式采用干作業(yè)鉆孔嵌巖灌注樁+筏板基礎(chǔ)，筏板厚850mm，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻。10#樓結(jié)構(gòu)形式采用干作業(yè)鉆孔嵌巖灌注樁+筏板基礎(chǔ)，筏板厚1150mm，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻。11#樓結(jié)構(gòu)形式采用干作業(yè)鉆孔嵌巖灌注樁+筏板基礎(chǔ)，筏板厚1150mm，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻。G2#樓（大門）、G3#樓（商業(yè)）與地下車庫均為獨(dú)立基礎(chǔ)+抗水板基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)。施工內(nèi)容包含施工圖紙范圍內(nèi)的土建、安裝工程（管線以出外墻1.5m 為界限）總承包施工（入戶門、單元門、防火門、電梯、電梯前室精裝修、智能化、消防、專業(yè)壟斷及市政管網(wǎng)工程等除外），合同工期720天。

2 BIM技術(shù)在裝配式建筑施工階段的應(yīng)用

2.1 裝配式建筑BIM施工模型的建立

由于裝配式建筑的生產(chǎn)、安裝以及運(yùn)維均發(fā)生在不同的時(shí)空條件下，各個(gè)階段的工作復(fù)雜且精細(xì)，構(gòu)件設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)輸、安裝和維護(hù)的精細(xì)化全生命周期的管理均是在BIM 三維模型的基礎(chǔ)上展開的，這有效地避免了信息流、物流和現(xiàn)金流在裝配式建筑結(jié)構(gòu)施工階段的碎片化管理，創(chuàng)建基于BIM 技術(shù)的建筑工程信息模型，對(duì)于施工階段的成本管理、進(jìn)度管理和質(zhì)量管理均可起到明顯的效益[4]。裝配式建筑按照一定的規(guī)則，比如梁、板、柱或墻面等，將建筑進(jìn)行拆解，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件在工程工業(yè)化以及流水化生產(chǎn)，BIM 技術(shù)通過建立虛擬三維數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)了建筑物建造的信息化，兩者的結(jié)合將有力地推動(dòng)建筑工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，也有利于對(duì)裝配式建筑全生命周期穿透式管理。因此，建立BIM 三維模型是本研究的重點(diǎn)工作內(nèi)容。

在本研究中采用通用建筑BIM 模型程序REVIT 軟件，對(duì)建筑項(xiàng)目的各個(gè)實(shí)體進(jìn)行模型創(chuàng)建，并有機(jī)整合形成三維建筑BIM 模型[5]，如圖1所示。對(duì)于裝配式建筑施工階段而言，更為重要的是關(guān)注施工工序?qū)φ麄€(gè)裝配進(jìn)程的影響。為了更好地對(duì)裝配式建筑施工階段的進(jìn)度進(jìn)行管理，需要在三維建筑結(jié)構(gòu)BIM模型的基礎(chǔ)上集成施工工序時(shí)間信息，以形成建筑結(jié)構(gòu)施工過程的四維可視化模型。因此，在將建筑結(jié)構(gòu)三維模型結(jié)合施工進(jìn)度計(jì)劃前，需要對(duì)建筑建構(gòu)的基本信息進(jìn)行構(gòu)建。建筑模型的施工任務(wù)采用PROJECT 2020 軟件進(jìn)行創(chuàng)建，針對(duì)每一項(xiàng)施工任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的劃分，并設(shè)定了開始和結(jié)束時(shí)間，形成足夠精度的施工進(jìn)度計(jì)劃文件，并以“*.MPP”（*代表文件名）的格式存儲(chǔ)。建筑結(jié)構(gòu)的四維可視化施工模擬就是將建筑三維BIM 模型與施工進(jìn)度計(jì)劃通過BIM 軟件開放接口的形式進(jìn)行整合和關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)有機(jī)的四維可視化虛擬模型。由于建筑三維BIM 模型中包含了的實(shí)體空間幾何信息和物理屬性，比如門窗、樓梯、樓板和墻體的材質(zhì)、長度、寬度和高度等，而模型施工進(jìn)度文件中的時(shí)間信息能夠有效地反映實(shí)體建筑的施工次序，因此四維可視化模型在BIM 模型環(huán)境中有良好的演示和動(dòng)畫功能[6]。

圖1 菏澤市某裝配式商住樓項(xiàng)目典型樓棟的三維BIM模型

2.2 基于BIM模型的裝配式建筑構(gòu)件工業(yè)化制造

與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆法建筑施工模式不同，預(yù)制裝配式混凝土建筑施工是應(yīng)用工業(yè)化產(chǎn)品的生產(chǎn)方式，在工廠將建筑結(jié)構(gòu)分成柱體、梁體、墻體、樓梯、陽臺(tái)等構(gòu)件進(jìn)行預(yù)制，隨后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行吊裝拼接，連接方式有套筒灌漿連接、現(xiàn)澆連接等方式，達(dá)到“等同現(xiàn)澆”的效果，以形成整體的建筑結(jié)構(gòu)[7]。因此，裝配式建筑的施工不僅包括現(xiàn)場(chǎng)的裝配，還包括前端建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工業(yè)化生產(chǎn)。

構(gòu)件的生產(chǎn)是居于裝配式建筑設(shè)計(jì)與施工的中間環(huán)節(jié)，構(gòu)件信息的精準(zhǔn)輸入和輸出顯得尤為重要。然而，裝配式建筑的構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式多樣、尺寸多變，因此對(duì)生產(chǎn)制造過程中構(gòu)件的信息管理顯得尤為重要?；贐IM 技術(shù)，可以輔助實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的定位和追蹤，其主要方法是在生產(chǎn)制造階段為每個(gè)生產(chǎn)構(gòu)件賦予一個(gè)ID（RFID 標(biāo)簽），每個(gè)ID 中具有唯一性，其包含了構(gòu)件的材料屬性、構(gòu)件尺寸、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)工程等個(gè)各種信息，在構(gòu)建的制造、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸、吊裝和安裝過程中產(chǎn)生的施工信息均根據(jù)ID 進(jìn)行定位和追蹤，以保證裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)和建造過程的無缺陷和按需生產(chǎn)。建筑裝配式構(gòu)件ID 是建筑信息化集約化管理有力體現(xiàn)，它直接將虛擬的BIM 數(shù)字模型與實(shí)際的構(gòu)件實(shí)體相互聯(lián)系，完成了從傳統(tǒng)粗放式生產(chǎn)向精細(xì)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，保證了信息在裝配式建筑全生命周期中的流動(dòng)。

在裝配式生產(chǎn)制造車間，采用工業(yè)化流水線的生產(chǎn)模式，可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建短周期的批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的裝配式構(gòu)件包括預(yù)制樓板、預(yù)制墻體、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽臺(tái)、預(yù)制飄窗等，如圖2 所示。這些預(yù)制建筑構(gòu)建可以通過BIM 技術(shù)的參數(shù)化功能實(shí)現(xiàn)尺寸的改變，而裝配式構(gòu)件的生產(chǎn)模具和設(shè)備可以根據(jù)參數(shù)化模數(shù)進(jìn)行定制，并重復(fù)使用，大大提高裝配式預(yù)制構(gòu)建的工業(yè)化程度。相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)澆筑而言，在構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)車間（如圖3所示）制造的裝配式建筑構(gòu)件具有更高的制造質(zhì)量和制造精度。

圖2 裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)產(chǎn)品

圖3 裝配式建筑構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)制造車間

2.3 基于BIM模型的裝配式建筑構(gòu)件信息化裝配

裝配式建筑的建造方式屬于“搭積木式”的施工，它通過將預(yù)制廠生產(chǎn)完成的構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，按照一定的拼接方式將構(gòu)件之間連接拼裝，BIM 技術(shù)可以構(gòu)建三維數(shù)字模型，結(jié)合GIS 地理信息系統(tǒng)對(duì)施工場(chǎng)地的設(shè)備機(jī)械、生產(chǎn)車間以及生產(chǎn)流程等施工場(chǎng)地進(jìn)行布置，并與時(shí)間軸相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)施工模擬的4D生產(chǎn)，并可直觀地提供動(dòng)畫施工交底，完成裝配式建筑的數(shù)字化生產(chǎn)，達(dá)到提供施工管理效率、提高工程建造質(zhì)量、節(jié)約工程造價(jià)、縮短建筑工期的目的。

在本研究項(xiàng)目的施工階段，基于BIM 模型可以對(duì)裝配式建筑的安裝模擬、工程量統(tǒng)計(jì)、設(shè)備和材料進(jìn)場(chǎng)時(shí)間安排以及勞動(dòng)力的分布進(jìn)行配置。BIM 技術(shù)在數(shù)字化建造上的優(yōu)越性能，打造BIM 綜合信息管理平臺(tái)，能夠良好地協(xié)同施工階段多專業(yè)、多技術(shù)的管理，對(duì)施工過程中的海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的裝配、安裝、驗(yàn)收等，如圖4 所示。依托BIM 技術(shù)的信息化以及裝配式構(gòu)件施工的工業(yè)化，可以實(shí)現(xiàn)安裝全流程的高度機(jī)械化，大大降低了施工的人力成本，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)施工階段裝配式建筑建造的可視化和精細(xì)化水平，達(dá)到“模實(shí)一致”的生產(chǎn)效果，可為智慧城市的建設(shè)提供數(shù)字化建造示范。

圖4 基于BIM平臺(tái)的裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件吊裝施工

3 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工控制效果分析

基于BIM 平臺(tái)技術(shù)在施工階段對(duì)裝配式建筑施工成本費(fèi)用進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，得到裝配式建筑施工成本費(fèi)用節(jié)省效果曲線如圖5 所示。從圖中可以看出，基于BIM 技術(shù)對(duì)裝配化建筑的裝配率控制能夠起到良好的效果，節(jié)省的費(fèi)用最大，達(dá)到240萬元；而基于BIM 技術(shù)的可視化功能，對(duì)外墻的里面施工和外墻施工工藝優(yōu)化方面的節(jié)省費(fèi)用次之，節(jié)省費(fèi)用均為80 萬元；而對(duì)配電間施工的節(jié)省費(fèi)用最小，為15 萬元。由此可以看出，BIM 技術(shù)在裝配化建筑施工階段能夠有效地體現(xiàn)價(jià)值工程，在BIM模型數(shù)字技術(shù)的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)了裝配式建筑施工的工藝對(duì)比、方案比選、裝配率控制等，降低了生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目綜合效益的最大化。

圖5 基于BIM技術(shù)可視化施工模型的成本節(jié)省分析

基于BIM 平臺(tái)技術(shù)在施工階段對(duì)裝配式建筑施工進(jìn)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，得到裝配式建筑施工進(jìn)度計(jì)劃分析結(jié)果如圖6 所示。圖中A 線為最早開工時(shí)間曲線，B 線為最晚開工時(shí)間曲線，C線為基于BIM 技術(shù)四維可視化施工模擬的進(jìn)度計(jì)劃控制曲線，項(xiàng)目的總工期為720d。從圖中可以看出，C 線整體上呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的“S 形”，初期施工進(jìn)度速率較慢，中期施工進(jìn)度速率迅速，而后期則處于收尾階段，施工進(jìn)度速率總體放緩。在380d之內(nèi)，項(xiàng)目的計(jì)劃完成工作量均位于A 線和B 線之間，表明實(shí)際的工期進(jìn)度能夠滿足計(jì)劃的工期進(jìn)度要求，而在380～720d，C 線位于B 線之外，表明累計(jì)的完成工作量大于計(jì)劃的完成工作量，施工進(jìn)度超前?；贐IM 技術(shù)四維可視化施工模型的進(jìn)度計(jì)劃可以有效地提高項(xiàng)目的周期，為實(shí)際的工程施工提供充裕的工期保障。

圖6 基于BIM技術(shù)可視化施工模型的進(jìn)度計(jì)劃分析

4 結(jié)論

以菏澤市某裝配式商住樓項(xiàng)目一期為研究對(duì)象，采用REVIT 軟件建立裝配式建筑結(jié)構(gòu)三維BIM 模型，運(yùn)用PROJECT 2020 軟件創(chuàng)建施工進(jìn)度文件，通過BIM 軟件開放接口將兩者進(jìn)行集成，用于實(shí)現(xiàn)裝配式建筑生產(chǎn)的工業(yè)化以及裝配式的信息化，得到以下幾個(gè)結(jié)論。

①BIM 技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)與空間虛擬圖形圖像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)建造過程的直觀形象展示，多源數(shù)據(jù)的采集與集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互探討性和信息動(dòng)態(tài)性，并與圖形、符號(hào)、視頻和三維虛擬模型的載體形式進(jìn)行表達(dá)，大大提升了現(xiàn)代建筑施工過程的信息化和智能化。

②基于BIM 模型對(duì)每個(gè)裝配式構(gòu)件賦予ID，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的定位與追蹤，依托BIM 技術(shù)的信息化以及裝配式構(gòu)件施工的工業(yè)化，可以實(shí)現(xiàn)安裝全流程的高度機(jī)械化。

③結(jié)合項(xiàng)目，基于BIM 技術(shù)對(duì)施工階段的管控效果分析表明，基于BIM 技術(shù)對(duì)裝配化建筑的裝配率控制能夠起到良好效果，節(jié)省的費(fèi)用最大，達(dá)到240 萬元。在380d之內(nèi)，項(xiàng)目實(shí)際的工期進(jìn)度能夠滿足計(jì)劃的工期進(jìn)度要求，而在380～720d，施工進(jìn)度超前?；贐IM 技術(shù)四維可視化施工模型的進(jìn)度計(jì)劃可以有效地提高項(xiàng)目的周期，為實(shí)際的工程施工提供充裕的工期保障。