綠色建造背景下BIM技術(shù)與裝配式建筑融合研究

摘" 要：綠色建造下BIM技術(shù)逐漸發(fā)展，與裝配式建筑融合不斷推行。在許多國家，BIM技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，人們開始逐漸意識(shí)到，將BIM技術(shù)應(yīng)用到建筑業(yè)中不僅可以挖掘出其內(nèi)在潛力而且還能夠推動(dòng)綠色理念傳播以及可持續(xù)的發(fā)展。綠色建造與BIM技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，可以解決當(dāng)前世界面臨的建筑與環(huán)境之間的難題，真正地實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

關(guān)鍵詞：綠色建造；裝配式建筑；BIM技術(shù)；信息化模型；產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化

中圖分類號(hào)：TU18" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）31-0181-04

Abstract： Under the green construction， the BIM technology develops gradually， and the integration with the prefabricated building is carried out continuously. In many countries， BIM technology has been widely used in various fields， and people begin to realize that applying BIM technology to the construction industry can not only tap its inherent potential， but also promote the spread of green ideas and sustainable development. The organic combination of green construction and BIM technology can solve the current problems between architecture and environment in the world， and truly realize the sustainable development of the construction industry.

Keywords： green construction; prefabricated architecture; BIM technology; information model; industrial modernization

隨著人們對(duì)綠色建筑的期望和要求不斷提高，BIM技術(shù)與裝配式建筑的有機(jī)融合刻不容緩。在設(shè)計(jì)階段，BIM技術(shù)的綠色建筑不僅可以對(duì)事前建筑環(huán)境、建設(shè)能源消耗量進(jìn)行合理優(yōu)化，還可以在設(shè)計(jì)階段更好地體現(xiàn)綠色建筑和BIM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，從而更準(zhǔn)確地反映綠色建筑的概念。而在建筑的施工階段，通過 BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了裝配式施工，促進(jìn)建筑業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。BIM技術(shù)在建筑工程的整個(gè)過程中發(fā)揮著重要作用，有利于將綠色建造的綠色環(huán)保理念和施工階段的裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化，使后期運(yùn)營平穩(wěn)運(yùn)行，為建造的全過程提供有效合理的保障。

綠色建造是當(dāng)今建筑行業(yè)的一大熱點(diǎn)問題。傳統(tǒng)建造過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生大量污染物，不僅會(huì)影響周圍生態(tài)環(huán)境甚至可能會(huì)危害到人們的身心健康，這與綠色建造的理念背道而馳。如何實(shí)現(xiàn)建筑綠色化、低碳化呢？首先要從施工階段著手，在建筑項(xiàng)目全工程周期中，施工階段是很關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，不但是整個(gè)建筑施工過程中最耗費(fèi)資源的環(huán)節(jié)，也是建筑施工全過程中對(duì)場(chǎng)地周邊環(huán)境影響最明顯的部分，更是廢棄資源量在建造全過程中產(chǎn)生比重最大的階段。因此，將BIM技術(shù)實(shí)施到裝配式建筑的施工階段對(duì)于實(shí)現(xiàn)建筑工程綠色化、低碳化顯得尤為重要。堅(jiān)持精細(xì)管理的原則，并運(yùn)用BIM技術(shù)將構(gòu)配件的施工流程模擬出來，根據(jù)每個(gè)流程大致所消耗的能源，自動(dòng)生成最優(yōu)的流程線，以實(shí)現(xiàn)綠色建造。

1" 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

1.1" 國內(nèi)外BIM技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向

美國的Autodesk公司在2004年舉辦了AutoCAD2005產(chǎn)品國際宣傳會(huì)時(shí)，國內(nèi)才開始初步認(rèn)識(shí)和逐步接觸到BIM技術(shù)。在國家“十一五”時(shí)期，發(fā)展BIM技術(shù)開始納入了國家信息技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)劃國重大工程項(xiàng)目；2011年，我國政府將建筑信息技術(shù)的發(fā)展納入到“十二五”規(guī)劃中；2012年，在國家有關(guān)部門的大力支持下，中國建筑科學(xué)研究院與國家相關(guān)部門共同成立了BIM發(fā)展聯(lián)盟，并積極開發(fā)建立了一套適用于國內(nèi)的BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)體系。目前，中國將BIM技術(shù)應(yīng)用于主要工程和高質(zhì)量工程，將其作為一種促進(jìn)中國本國建筑業(yè)信息化發(fā)展的手段[1]。

BIM技術(shù)的發(fā)展與普及，標(biāo)志著我國建筑業(yè)迎來了第二次重要的信息化革命。據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查顯示，近年來BIM技術(shù)在世界各國的建設(shè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑工程項(xiàng)目中使用BIM的比例也在不斷增加。

與BIM相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)不斷改進(jìn)和完善，相應(yīng)的BIM技術(shù)的發(fā)展速度也將會(huì)提高，應(yīng)用范圍和領(lǐng)域也會(huì)不斷拓展。在20世紀(jì)50年代，歐洲國家率先采用了工業(yè)化的建筑學(xué)方法來建造房屋。其后，日、美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在20世紀(jì)60年代大量引入了預(yù)制建筑。到了20世紀(jì)90年代，尋找資源循環(huán)利用和節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展道路作為預(yù)制建筑的發(fā)展成熟時(shí)期的首要任務(wù)。截至2019年，在日本選擇使用BIM技術(shù)的建筑公司約占33%，在美國建筑工程項(xiàng)目中應(yīng)用BIM技術(shù)的占比份額約為74%，英國BIM技術(shù)發(fā)展的增長速度與日、美相當(dāng)，與此同時(shí)新加坡BIM技術(shù)也在不斷發(fā)展。總之，BIM技術(shù)研究和應(yīng)用的發(fā)展離不開政府政策的扶持以及各國建筑業(yè)自身的發(fā)展需求。

1.2" 國內(nèi)外裝配式建筑的研究概況及發(fā)展動(dòng)向

1.2.1" 國外裝配式建筑的研究概況和發(fā)展動(dòng)向

歐洲是建筑材料的起源地，17世紀(jì)以來，建筑材料的工業(yè)化發(fā)展一直處于起步階段。第二次世界大戰(zhàn)之后，隨著勞動(dòng)力的緊張和短缺，歐洲各國又進(jìn)一步挖掘探索了建筑工業(yè)化模式，一直在積極推進(jìn)預(yù)制裝配式建筑的設(shè)計(jì)和施工，制定了專門的預(yù)制建造體系以及標(biāo)準(zhǔn)的一般預(yù)制件，并編寫制定了一系列相關(guān)預(yù)制建造的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和應(yīng)用準(zhǔn)則。

裝配式建筑在美國的發(fā)展較為領(lǐng)先。在20世紀(jì)早期，美國就對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行了研究，并建立了美國預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)（PCI），長期積極地研究和推廣鋼筋混凝土預(yù)制裝配式建造，并制定了許多專門的有關(guān)鋼筋混凝土預(yù)制裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，根據(jù)有關(guān)材料數(shù)據(jù)顯示，截至2018年底，美國預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的比例約為52%。

日本裝配式建筑的發(fā)展，在大膽創(chuàng)新地借鑒歐美發(fā)達(dá)國家成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，不失時(shí)機(jī)地積極探索預(yù)制裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)施工，根據(jù)裝配式房屋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了整體抗震隔震設(shè)計(jì)。自1979年以來，日本新建的裝配式住房數(shù)量受到歷年來新建住房數(shù)量升降的影響，每年新建住房數(shù)量的規(guī)模與本國的經(jīng)濟(jì)增長率和社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)。

1.2.2" 國內(nèi)裝配式建筑的研究概況及發(fā)展動(dòng)向

我國從20世紀(jì)50年代就開始大力發(fā)展裝配式建筑，已經(jīng)建立起了一個(gè)初步的工業(yè)化的基礎(chǔ)，并進(jìn)入了大規(guī)模城鎮(zhèn)基建階段[2]。但由于技術(shù)方面發(fā)展的限制，裝配式建筑在我國的發(fā)展逐漸停滯。直到20世紀(jì)70年代，中國剛剛建立起一套裝配式施工的技術(shù)系統(tǒng)。1978年開始，中國掀起一波裝配式建設(shè)熱潮，并迅速形成了一套標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)90年代，隨著中國房地產(chǎn)行業(yè)的迅速發(fā)展，預(yù)制裝配式建筑再次被提出，隨著國家政府相繼頒布了一系列相關(guān)政策扶持措施，預(yù)制裝配式建筑在我國有了更好更深入的發(fā)展與應(yīng)用。根據(jù)2011年“十二五”規(guī)劃確定“十二五”期間要建成各類保障性住房3 600萬套。在此背景下，我國政府緊鑼密鼓地發(fā)布了一系列的文件政策來推動(dòng)新一代裝配式建筑的進(jìn)一步發(fā)展。2016年，《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》提出發(fā)展裝配式建筑，裝配式建筑開始了蓬勃發(fā)展。2018年12月25日，在全國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)工作會(huì)議上，特別明確地提出了將發(fā)展城鎮(zhèn)預(yù)制裝配式建筑產(chǎn)業(yè)列為2019年的首要工作和全年的總體目標(biāo)任務(wù)[3]。中國裝配式建筑發(fā)展歷程見表1。

1.3" 綠色建造理念在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

1.3.1" 國外綠色建造的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

20世紀(jì)60年代，意大利著名建造師保羅將建造學(xué)和生態(tài)學(xué)的理論結(jié)合，提出了著名的“生態(tài)建筑”新型理念，喚醒了人們?cè)诮ㄔ祛I(lǐng)域的環(huán)境意識(shí)。

1992年在巴西舉行的“聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展會(huì)議”，讓“永續(xù)發(fā)展”的理念為世界所公認(rèn)，同時(shí)也是第一個(gè)關(guān)于“綠色建筑”的概念。直到21世紀(jì)，日趨惡化的生態(tài)環(huán)境和城市化運(yùn)動(dòng)的迅速發(fā)展，降低物耗、實(shí)現(xiàn)低碳化成為了建造時(shí)的重要目標(biāo)，使得綠色建造迎來了蓬勃興盛的時(shí)期。世界各地掀起了一股綠色建筑評(píng)價(jià)的熱潮，紛紛推出了具有地方特色的綠色建筑評(píng)價(jià)系統(tǒng)，在很大程度上促進(jìn)了綠色建筑的發(fā)展。日本在綠色建筑領(lǐng)域提出了“建筑節(jié)能與環(huán)保并存”和“環(huán)保共生房屋”的理念，并對(duì)其進(jìn)行了分析。

1.3.2" 我國綠色建筑研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向

1999年，國務(wù)院出臺(tái)文件第一次明確提出建筑工業(yè)化；在2013年初，國家發(fā)改委聯(lián)合住建部共同發(fā)布了《綠色建筑行動(dòng)方案》，提出要大力推進(jìn)新型建筑產(chǎn)業(yè)化。《國家新型城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)劃（2014—2020年）》是2014年發(fā)布的一項(xiàng)重要文件。之后，超過30個(gè)省份（城市）相繼發(fā)布了一系列政策，從財(cái)政和稅收上給予幫助，引導(dǎo)和推動(dòng)我國綠色裝配式建筑的發(fā)展。比如，各種政府財(cái)政補(bǔ)貼方式，具體內(nèi)容有：支持科技創(chuàng)新的專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)、地方基建專項(xiàng)基金，以及城建相關(guān)服務(wù)的優(yōu)惠[4]。

2" BIM技術(shù)與裝配式建筑結(jié)合的市場(chǎng)分析及推廣前景

2.1" 市場(chǎng)分析

2.1.1" 工程實(shí)體模型的可視化可以優(yōu)化工程實(shí)體

在工程項(xiàng)目施工階段，施工人員可以通過使用BIM模型仿真漫游，以彌補(bǔ)在模型上的疏漏。通過BIM系統(tǒng)內(nèi)部的碰撞檢查系統(tǒng)和糾正功能，查找出工程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，以最大程度地避免施工問題的出現(xiàn)和工程事故的發(fā)生。

2.1.2" 溝通流程改善及簡(jiǎn)化，工程參與各方的交流質(zhì)量提升

BIM系統(tǒng)是根據(jù)BIM信息數(shù)據(jù)模型建立的信息平臺(tái)，施工過程中參與的各單位利用這個(gè)信息平臺(tái)辦公。信息服務(wù)的數(shù)據(jù)格式一致，數(shù)據(jù)一致性好，各方信息共享，減少了信息不對(duì)稱。

2.1.3" BIM+VR模式，現(xiàn)場(chǎng)模擬預(yù)知施工風(fēng)險(xiǎn)，完善施工流程

通過BIM與VR相融合的結(jié)合模式，將BIM技術(shù)與施工方案、施工模擬和現(xiàn)場(chǎng)的視頻監(jiān)控有效結(jié)合，在真正建造之前就把設(shè)計(jì)、制作、安裝等各個(gè)方面通過VR的形式展現(xiàn)，模擬了建筑施工的全部過程，由此進(jìn)行全方位統(tǒng)籌管控，使其避免建造過程中再發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制作、安裝等流程中的錯(cuò)誤，提前排除整個(gè)流程中可能存在的錯(cuò)誤和問題，減少時(shí)間和成本的浪費(fèi)。

2.1.4" 推動(dòng)施工轉(zhuǎn)型，增強(qiáng)企業(yè)在行業(yè)中的軟實(shí)力

將BIM技術(shù)運(yùn)用到建筑工程的施工階段，使建筑公司能夠更有效地把控工程的質(zhì)量、安全、進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)。便捷多樣的多方溝通方式提高了項(xiàng)目施工階段中各任務(wù)的決策速度和管理效率，也有利于合作協(xié)調(diào)體系的建立。

2.2" 推廣前景

2.2.1" 生態(tài)友好節(jié)能環(huán)保

裝配式建筑是一種高效率、可持續(xù)發(fā)展的建筑物。由于使用了附加材料，常規(guī)施工方法可能會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)，必須堅(jiān)持精細(xì)管理的原則，并運(yùn)用BIM技術(shù)將構(gòu)配件的施工流程模擬出來，根據(jù)每個(gè)流程大致消耗的能源，自動(dòng)生成最優(yōu)的流程線。此外，構(gòu)件工廠控制生產(chǎn)加工環(huán)境和大批量集中生產(chǎn)單一統(tǒng)一構(gòu)件，可提高能源效率，體現(xiàn)綠色生態(tài)發(fā)展。

2.2.2" 形成數(shù)字構(gòu)件庫，降低財(cái)政支出

裝配式建筑的最大優(yōu)點(diǎn)之一，就是可以從一定程度上節(jié)省資金。但由于現(xiàn)階段構(gòu)件尚未完全標(biāo)準(zhǔn)化，其產(chǎn)品尺寸、質(zhì)量、功能等多方面不契合，導(dǎo)致了大量時(shí)間、成本的浪費(fèi)。而數(shù)字構(gòu)件庫可以輸入各大制造廠家所生產(chǎn)制造的不同構(gòu)件的尺寸、功能等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑所有產(chǎn)業(yè)鏈BIM應(yīng)用和數(shù)據(jù)共同分享，真正實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目、工廠之間的相互協(xié)作生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化建設(shè)的目標(biāo)，利用批量生產(chǎn)統(tǒng)一構(gòu)件創(chuàng)造預(yù)算點(diǎn)和價(jià)格點(diǎn)的降低。使得企業(yè)可以從原材料供應(yīng)商手中獲取相應(yīng)折扣，從而降低整個(gè)建筑項(xiàng)目的總成本。

2.2.3" 靈活性

裝配式建造工程將大量現(xiàn)場(chǎng)加工工程轉(zhuǎn)移至工廠，由工廠加工制造各個(gè)構(gòu)件再用可靠的附加連接方法現(xiàn)場(chǎng)搭建裝配，以提高整體水平，保證工程質(zhì)量[5]。而這種標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就能將各個(gè)構(gòu)件非常便捷地靈活地安裝、拆卸和重新組裝，極大地減少了對(duì)原材料的要求與數(shù)量，與此同時(shí)大大縮短了整個(gè)施工工期，減少了施工階段的能源消耗。

2.2.4" 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，提高質(zhì)量

由于裝配式結(jié)構(gòu)是在受控的生產(chǎn)條件中完成的，并按照相關(guān)規(guī)定的質(zhì)量要求與標(biāo)準(zhǔn)，因此結(jié)構(gòu)的所有子組件都按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)建造生產(chǎn)。這些可以改善結(jié)構(gòu)工藝和提高整體質(zhì)量效率。

2.2.5" 較短施工時(shí)間

裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工方式相比更為便捷，因?yàn)樗鼘鹘y(tǒng)建造過程中的大量需要現(xiàn)場(chǎng)澆筑加工制作的作業(yè)放到了工廠統(tǒng)一進(jìn)行加工制作，再以可靠的連接方式方法在工廠組裝裝配完成。這種大批量制作單一構(gòu)件既能在一定程度上降低成本，又可以大大縮減施工用時(shí)。構(gòu)件越標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，生產(chǎn)效率越高，施工時(shí)間也越短。

2.2.6" 安全性

由于單一構(gòu)件都是在工廠可控的環(huán)境中加工制造的，因此對(duì)環(huán)境的污染也在一定程度上是可控的，從而降低對(duì)施工周邊環(huán)境的影響和對(duì)施工人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

3" 經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益預(yù)測(cè)

在裝配式建筑中，把BIM技術(shù)和綠色概念結(jié)合起來，使得建筑設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)和施工都得到了有效的協(xié)調(diào)，從而對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)施工的進(jìn)度進(jìn)行了科學(xué)、有序的安排，并對(duì)部件的生產(chǎn)進(jìn)行了準(zhǔn)確的規(guī)劃，從而在建筑的全壽命周期中獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。在項(xiàng)目的前期規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，利用BIM技術(shù)，可以讓三維設(shè)計(jì)與二維圖紙相比較并驗(yàn)證，這樣就可以找到圖紙上的錯(cuò)誤，以此為依據(jù)可以減少很多的施工返工，進(jìn)而降低了返工費(fèi)用。在設(shè)計(jì)階段，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)可能在施工階段出現(xiàn)的錯(cuò)誤，可以降低生產(chǎn)和施工中的材料損耗；運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行施工模擬，能夠提前從總體上對(duì)工程進(jìn)行施工流程和進(jìn)度安排，有助于確定合理的施工方案，并通過具體的施工條件來篩選最優(yōu)的時(shí)間方案，大大避免了返工返修并節(jié)約了時(shí)間和原材料[6]。在此基礎(chǔ)上，利用BIM技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行建模，并建立了一條基于BIM技術(shù)的造價(jià)資源曲線，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析。為管理人員提供一種進(jìn)行成本分析的方法，可極大地提高工作效率，避免數(shù)據(jù)浪費(fèi)，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。BIM技術(shù)已經(jīng)滲透到了綠色建筑的全生命周期，尤其是設(shè)計(jì)階段，更是發(fā)揮著極大的優(yōu)化功能。比如，使用Navisworks系統(tǒng)對(duì)不同專業(yè)之間的沖突進(jìn)行檢測(cè)，在工程建設(shè)中找到并解決了大量的沖突問題，從而避免了設(shè)計(jì)變更的發(fā)生；經(jīng)過后期的全面分析，可以發(fā)現(xiàn)，BIM技術(shù)可以降低返工幾率，提高施工質(zhì)量，提高工作效率，明顯地提高了項(xiàng)目的整體管理水平，因此給項(xiàng)目帶來了更高的經(jīng)濟(jì)收益。

4" 結(jié)束語

通過對(duì)綠色裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑的對(duì)比分析，可以明顯地發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段綠色建造背景下的裝配式建筑尚未發(fā)展成熟，有很多問題和難點(diǎn)也尚未攻克。為提高效率，降低時(shí)間成本，順應(yīng)低碳發(fā)展理念，應(yīng)在裝配式建筑的各階段中秉承綠色建造理念，推進(jìn)BIM技術(shù)的有機(jī)融入，積極探索建筑產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展道路，以施工現(xiàn)場(chǎng)裝配化作為核心，通過集體智慧、共同努力，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新與合作，加快建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐[7]。

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