BIM技術(shù)在村鎮(zhèn)裝配式發(fā)泡混凝土士住宅施工中的應(yīng)用

0 引言

隨著社會對綠色建筑和數(shù)字化施工的需求不斷增加，BIM技術(shù)正逐漸成為提高施工效率、優(yōu)化資源管理的關(guān)鍵工具。在村鎮(zhèn)住宅建設(shè)中，裝配式發(fā)泡混凝土因其輕質(zhì)、高效的特點，受到廣泛應(yīng)用。然而，施工過程中面臨的運輸難題、地質(zhì)復(fù)雜性及資源調(diào)度問題，嚴(yán)重影響了項目的效率和質(zhì)量控制。

本研究旨在通過BIM技術(shù)的引入，結(jié)合遺傳算法優(yōu)化施工流程，探索如何提升施工效率、提高構(gòu)件安裝精度，并減少資源浪費與碳排放，從而為村鎮(zhèn)裝配式住宅施工提供可行的解決方案。

1工程案例概述

1.1 項目背景

本項目采用裝配式發(fā)泡混凝土墻體系統(tǒng)，建筑面積約為 5000m²"。發(fā)泡混凝土自保溫墻板具有高效的保溫隔熱性能，材料密度低、強度高，符合現(xiàn)行GB/T27750—2011《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)。墻板采用600mm 寬、 2400mm 高的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制構(gòu)件，通過Revit軟件進行參數(shù)化建模，確保構(gòu)件尺寸與建筑主體無縫銜接。

該項目地處地質(zhì)較為復(fù)雜的區(qū)域，巖土工程勘察結(jié)果顯示，基礎(chǔ)土層承載力為150kPa，需采用深基坑開挖及樁基礎(chǔ)技術(shù)，以確保地基穩(wěn)定性。在項目整體設(shè)計結(jié)合過程中，運用BIM技術(shù)實現(xiàn)可視化施工管理，有助于優(yōu)化構(gòu)件安裝順序，減少運輸與吊裝設(shè)備的成本，顯著提高了施工精度與效率。

1.2項目技術(shù)需求與應(yīng)對策略

本項目面臨的技術(shù)需求與應(yīng)對策略涵蓋基礎(chǔ)設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件運輸、吊裝方案以及施工精度控制等多個方面。

1.2.1復(fù)雜地質(zhì)條件下的基礎(chǔ)設(shè)計

項目所在區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，基礎(chǔ)土層承載力為150kPa，且存在不均勻和軟土層。為確保地基穩(wěn)定，采用深基坑與樁基礎(chǔ)結(jié)合方案。設(shè)計中需要精準(zhǔn)建模土層特性，并通過BIM技術(shù)對基礎(chǔ)沉降進行實時監(jiān)控，確保施工過程中地基穩(wěn)定。樁基設(shè)計選用30m長、間距3m的鉆孔灌注樁，并結(jié)合BIM技術(shù)進行動態(tài)調(diào)整，實時反饋基礎(chǔ)沉降情況，確保工程安全。

1.2.2預(yù)制構(gòu)件運輸

由于項目位于交通不便的偏遠地區(qū)，預(yù)制構(gòu)件的運輸面臨巨大挑戰(zhàn)。構(gòu)件體積大且數(shù)量多，傳統(tǒng)運輸方式難以滿足需求。為降低運輸成本，采用輕質(zhì)高強的發(fā)泡混凝土墻體材料，使墻板質(zhì)量顯著減輕。構(gòu)件體積龐大，為此需精確設(shè)計運輸與吊裝方案，優(yōu)化運輸路線，選擇合適的吊裝設(shè)備，確保運輸過程高效、安全。

1.2.3 吊裝方案

吊裝方案優(yōu)化也是一大技術(shù)挑戰(zhàn)。施工現(xiàn)場空間受限，吊裝路徑與順序需要科學(xué)安排，以最大限度提高吊裝效率并減少設(shè)備調(diào)度。項目結(jié)合BIM技術(shù)與遺傳算法對吊裝順序進行優(yōu)化，精確模擬吊裝路徑，通過多次迭代生成最優(yōu)方案，確保吊裝操作順利進行并提高效率。

1.2.4施工精度控制

施工精度控制對于預(yù)制構(gòu)件的安裝至關(guān)重要。每個構(gòu)件的尺寸需嚴(yán)格與設(shè)計要求匹配，任何誤差可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。項目通過BIM技術(shù)進行可視化施工管理，實時監(jiān)控構(gòu)件安裝進度和質(zhì)量，確保每個環(huán)節(jié)精準(zhǔn)執(zhí)行，避免出現(xiàn)安裝誤差[1]。

2BIM技術(shù)在建筑設(shè)計階段的應(yīng)用

2.1方案設(shè)計與優(yōu)化

BIM技術(shù)通過AutodeskRevit軟件進行了三維模型的創(chuàng)建與參數(shù)化建模?；诖思夹g(shù)，構(gòu)建詳細(xì)的發(fā)泡輕質(zhì)混凝土（FLC）墻板模型，墻板模型包括厚度、保溫層分布及承載能力等關(guān)鍵參數(shù)。BIM系統(tǒng)利用碰撞檢測功能提前識別建筑內(nèi)部的結(jié)構(gòu)沖突，避免了管道、墻體和構(gòu)件之間的干涉問題。

在優(yōu)化施工方案時，結(jié)合遺傳算法對構(gòu)件的吊裝順序進行智能化優(yōu)化。遺傳算法通過適應(yīng)度函數(shù)，綜合考慮了施工時間、路徑及資源調(diào)度等因素，確保了吊裝過程的精確性與效率。所使用的吊裝設(shè)備采用QY50K型號起重機，最大起重量為 50t 。通過BIM的虛擬施工模擬功能（BIM-FILM），進行了吊裝路徑的動態(tài)調(diào)整與優(yōu)化，從而使吊裝時間從 180min 縮短至 159min ，提升了施工效率約11.7%[2]。

2.2BIM在發(fā)泡混凝土預(yù)制構(gòu)件設(shè)計中應(yīng)用

2.2.1發(fā)泡混凝土預(yù)制構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計

本項目利用BIM技術(shù)通過AutodeskRevit對發(fā)泡混凝土（FLC）預(yù)制構(gòu)件進行精確設(shè)計與優(yōu)化。FLC墻板的設(shè)計參數(shù)包括墻板尺寸（ 600mm 寬、 2400mm 高）、厚度、保溫層分布及其抗壓強度 （?2.5MPa ）和熱導(dǎo)率（?0.12w/m?k） 。采用的高強度發(fā)泡混凝土配比，通過優(yōu)化水泥與發(fā)泡劑比例，實現(xiàn)低密度 （0.7～1.0g/cm³. 同時滿足結(jié)構(gòu)強度要求。

2.2.2數(shù)字化生產(chǎn)協(xié)同

BIM平臺實現(xiàn)了墻板與建筑結(jié)構(gòu)的無縫銜接，可提前進行碰撞檢測，消除管道、鋼筋與墻體的空間干涉。在生產(chǎn)階段，BIM系統(tǒng)與工廠生產(chǎn)線結(jié)合，通過實時數(shù)據(jù)反饋確保構(gòu)件精度，將誤差控制在 ±5mm 以內(nèi)。生產(chǎn)過程中采用激光測量與CNC數(shù)控切割技術(shù)，精確控制墻板幾何形狀，保證各項設(shè)計參數(shù)的嚴(yán)格執(zhí)行。所有墻板的生產(chǎn)信息（尺寸、材料特性、質(zhì)量等）實時傳輸至施工現(xiàn)場，確保設(shè)計與實際生產(chǎn)的一致性。

2.2.3基于遺傳算法的智能吊裝優(yōu)化

在吊裝階段，BIM技術(shù)結(jié)合QY50K型履帶起重機進行吊裝路徑優(yōu)化。通過遺傳算法對吊裝順序進行智能優(yōu)化，減少了設(shè)備空閑時間與吊裝路徑冗余，確保吊裝過程高效、精確。虛擬施工模擬功能對吊裝過程中的設(shè)備軌跡、空間約束進行實時調(diào)整，有效避免了現(xiàn)場沖突，提升了設(shè)備利用率和施工安全性[3]。

3BIM技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用

3.1巖土工程勘察與基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化

3.1.1 工程勘察

本項目位于地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，基礎(chǔ)土層承載力僅為 150kPa ，局部軟土層厚度為5m，需通過CFG樁基礎(chǔ)加固。巖土勘察數(shù)據(jù)通過鉆探、靜力觸探（CPTU）和聲波探測技術(shù)，獲得了黏聚力、內(nèi)摩擦角、孔隙率等關(guān)鍵參數(shù)，為基礎(chǔ)設(shè)計提供了精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

3.1.2地質(zhì)建模與樁基設(shè)計

通過BIM技術(shù)集成這些數(shù)據(jù)，構(gòu)建了精確的三維地質(zhì)模型，并基于有限元分析法（FEM）對地基沉降進行模擬，確保地基穩(wěn)定性。項目采用 Φ600mm 的CFG樁，樁長為 15～22m ，樁間距根據(jù)地層不同在1.8＼～2.5m間調(diào)整。樁基配置結(jié)合FEM分析優(yōu)化，確保沉降量控制在 30mm 以內(nèi)，降低不均勻沉降風(fēng)險。

3.1.3樁基施工過程控制

樁基打入過程使用BG-36型柴油打樁機，最大打擊力320kN。配備高精度位移傳感器，實時監(jiān)控樁基深度與垂直度，將精度控制在 ±5mm 以內(nèi)。打樁機通過PLC自動控制系統(tǒng)，確保施工精度與設(shè)計要求一致。

在施工過程中，BIM技術(shù)通過動態(tài)數(shù)據(jù)反饋，對樁基布置、施工進度、設(shè)備調(diào)度等進行實時監(jiān)控，優(yōu)化資源配置，縮短了設(shè)備空閑時間與施工周期。基于BIM的實時監(jiān)測系統(tǒng)，施工團隊能夠及時調(diào)整樁基打入深度和位置，確保各項參數(shù)滿足設(shè)計要求。

此外，樁基施工的起重設(shè)備采用LTM1100-5.2型全地面起重機，最大起重能力為 100t 。結(jié)合數(shù)字化路徑優(yōu)化技術(shù)，最大化設(shè)備利用率，減少吊裝過程中的空間占用，確保吊裝效率提升 20% 以上。

3.2巖土施工中的BIM監(jiān)控

BIM系統(tǒng)在實時數(shù)據(jù)集成與施工模擬方面，通過結(jié)合施工監(jiān)測數(shù)據(jù)與三維模型，確保樁基礎(chǔ)施工與地質(zhì)條件的協(xié)調(diào)一致。

通過BIM系統(tǒng)，計算樁基沉降量，其計算公式為：

式中： s 為樁基沉降量， P 為樁基上部施加的荷載，A為樁基的有效承載面積， E 為地基土的壓縮模量。

結(jié)合示范工程的數(shù)據(jù)，某單根樁基承受的荷載為2000kN ，樁基直徑為 0.8m ，土體的壓縮模量為 20MPa 按上述公式，經(jīng)計算得到該樁基的沉降量約為10mm。

通過BIM系統(tǒng)自動化監(jiān)控沉降值，能夠?qū)崟r捕捉地基的變化趨勢，確保在沉降超過設(shè)定閾值時調(diào)整施工參數(shù)，從而降低結(jié)構(gòu)性風(fēng)險。此外，BIM還可結(jié)合遺傳算法優(yōu)化施工工序，通過施工順序和資源調(diào)度的調(diào)整，實現(xiàn)施工效率的提升。

4BIM技術(shù)應(yīng)用效果評估

4.1施工效率評估

本項目采用BIM技術(shù)結(jié)合遺傳算法對施工順序進行優(yōu)化。通過BIM系統(tǒng)進行全過程施工模擬與反饋，提升了資源調(diào)度的精確性。具體優(yōu)化采用適應(yīng)度函數(shù) f（S） 為：

f（S）=_W1T（S）+_W2C（S）

式中： s 表示施工順序， T（S） 為施工時間， C（S） 為資源成本， W₁ ， W₂ 表示權(quán)重。

優(yōu)化后的施工路徑減少了非必要調(diào)度，外墻板吊裝時簡從 180min 縮短至 159min ，內(nèi)部墻體安裝從 150min 縮短至 135min 。BIM的實時監(jiān)控功能動態(tài)調(diào)整施工參數(shù)，保證資源配置與進度同步。施工參數(shù)優(yōu)化后，降低了現(xiàn)場資源浪費，實現(xiàn)了施工過程的自動化與精確化管理[4]。施工效率評估數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2施工質(zhì)量與安全評估

本項目的施工質(zhì)量與安全評估基于BIM技術(shù)的全過程控制。通過BIM模型進行實時監(jiān)控，利用激光掃描技術(shù)對構(gòu)件的尺寸、位置和裝配精度進行檢測，確保所有預(yù)制構(gòu)件的誤差控制在 ±5mm 內(nèi)。BIM技術(shù)結(jié)合施工前的碰撞檢測功能，減少了管線、結(jié)構(gòu)之間的沖突，使返工率降低了 12% 。

此外，BIM平臺與現(xiàn)場傳感器相結(jié)合，提供了施工現(xiàn)場的實時安全風(fēng)險監(jiān)測，特別是在吊裝作業(yè)和高空施工時，通過集成安全預(yù)警系統(tǒng)，使事故發(fā)生率降低了15% 。施工質(zhì)量與安全評估數(shù)據(jù)表如表2所示。

從表2分析可知，在對施工質(zhì)量和安全管理的優(yōu)化，尤其是在裝配精度和安全風(fēng)險控制方面，BIM技術(shù)通過數(shù)據(jù)監(jiān)控與可視化提高了整體施工過程的穩(wěn)定性與安全性。

4.3環(huán)境效益評估

在本項目中，BIM技術(shù)通過對發(fā)泡混凝土材料的生命周期評估，實現(xiàn)了材料和資源的精確管理與優(yōu)化配置。基于BIM平臺的建模和能源模擬，得益于預(yù)制構(gòu)件的精準(zhǔn)加工與現(xiàn)場裝配優(yōu)化，施工廢料減少了 20% 。通過BIM技術(shù)優(yōu)化能耗管理，二氧化碳排放量減少了 15% ，碳足跡降低。此外，BIM的實時監(jiān)控功能對水電資源進行動態(tài)調(diào)控，使施工現(xiàn)場能耗減少 10% 。該過程極大提升了資源利用率，踐行了綠色建筑的可持續(xù)性發(fā)展理念。

5結(jié)束語

本研究通過BIM技術(shù)在村鎮(zhèn)裝配式發(fā)泡混凝土住宅施工中的應(yīng)用，成功優(yōu)化了施工工序與資源調(diào)度，實現(xiàn)了施工效率提升 11.7% ，構(gòu)件裝配誤差控制在 ±5mm 以內(nèi)，安全事故率降低了 15% 。同時，基于BIM的資源管理與能源模擬，減少了 20% 的施工廢料與 15% 的二氧化碳排放。綜上所述，BIM技術(shù)不僅能提高施工的精確性與安全性，還在促進綠色建筑發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值[5]。

參考文獻

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