基于BIM的装配式建筑集成建造系统的应用

孟琳

(陕西交通职业技术学院,西安 710018)

0 引言

装配式建筑是将施工所需的柱、梁、楼板、墙体、楼梯等建筑构件预制好，在工地进行拼装完成的建筑构造形式，其具有绿色环保、建造效率高及质量好等优势性，与传统现浇建筑不同，装配式建筑对设计单位、生产厂家、施工单位等参与方的协同性提出了更高的要求，且自身具有标准化设计、工业化生产的特点，信息化技术已经成为装配式建筑发展的重要工具和手段。而BIM技术是在计算机辅助技术CAD基础上发展起来的多维建筑模型信息集成管理技术，是推动建造方式向三维数字化方向转变、提升建筑产业信息化水平的关键支撑，且通过借鉴CIMS(计算机集成制造系统)的成功经验，可实现装配式建筑集成建造系统的构建，针对此，本文将根据装配建筑信息化工业化发展需求，引入BIM-CIMS装配式建筑集成建造系统的概念，并根据其功能定位就其系统整体框架、各功能模块及支撑系统设计进行了细化分析，同时结合实际项目应用，分析了建筑设计阶段BIM-CIMS系统的具体应用效果，验证了其可行性。

1 BIM-CICS系统的功能界定

装配式建筑是通过预制构件的标准化设计、工业化生产、组装式施工而完成的一种新型建造模式，工业化、信息化及标准化是其基本特质[1]，但因为建筑主体及流程的复杂性，使得建造过程的协同及全生命周期管理成为了难题，而BIM技术具有信息集成和工作协同的优势，CIMS系统在制造业中的离散型生产方式和供应链管理模式，与装配式建筑的工业化建造存在共性，为此，本文融合两者的优势，提出了基于BIM装配式建筑集成建造系统概念，也即BIM-CICS系统(Computer Integrated Construction System，CICS)，其将市场分析、产品设计、构件生产、存储运输及施工装配等集成为一体[2]，为装配式建筑集成建造提供全过程管理支撑，功能定位如下分析：

(1)通过BIM和CICS系统的深度融合，来创新管理理念和技术手段，根据装配式建筑生产流程，利用计算机技术的数据处理和控制功能，对装配式建筑建造过程的全生命周期信息进行集成、优化、存储，从建筑设计、预制构件加工、装配施工及运营维护等全过程角度为各层次主体提供建筑信息管理服务，进而创新装配式建筑管理体制，提升建造效率、节约成本、提升经济效益。

(2)利用BIM模型在建筑信息集成、共享及传递中的优势性，以及CICS系统在构件设计、生产加工、存储运输及现场装配中的集成管理特性，构建统一的协同工作平台，解决各建造主体之间沟通不畅通的问题，使得装配式建筑建造过程的信息流、物资流及人力资源流得到有效融合，为施工进度及质量的跟踪和控制提供有效支撑。

2 系统的整体框架

BIM-CICS系统应该在建筑企业管理体制框架内，结合装配式建筑生产流程和协同需求，并融合现代计算机信息技术应用性，进行优化设计。装配式建筑建造过程中，关键支撑是预制构件的工业化生产， 为此，可将装配式建筑生产流程分为构件设计、生产、运输存储及现场装配等四个阶段，而质量控制作为建筑企业生存的根本，也应该纳入系统功能之中，而为了实现上述功能的集成，必须以数控系统和网络系统为支撑环境，由此，BIM-CICS系统由主模块及支撑模块构成，主模块包含建筑设计系统、预制生产系统、质量控制系统及物流保障系统，支撑模块包含计算机网络系统、工程数据管理系统，系统的框架体系,如图1所示。

图1 BIM-CICS系统的整体框架

从图1设计框架可知，装配式建筑集成建造系统需要设计、预制生产、质量控制、物流仓储等各个环节的支撑，基于BIM技术可将建筑全生命周期的机电、结构、建筑、总图等各个专业进行集成，转变了以往建筑设计中整体及构件分开设计的理念[3]，以预制构件的设计与族库的构建为出发点，通过调用预制构件库中标准化、通用化的预制构件即可完成装配式建筑信息模型的协同构建，并可在三维环境下进行预拼装[4]，提前展示装配式建筑设计效果，并进行针对性的优化，确定最终的BIM建筑信息模型，减少了因“错、漏、碰、确”导致的设计变更，增强了各专业的协同性和设计效率；在预制生产系统模块中，可从装配式建筑BIM模型中直接调取预制构件的设计尺寸及规格，以此确定预制构件生产工序、材料选型、加工流程及生产计划等内容，完成4D生产过程管理模型的构建；质量控制系统根据装配式建筑设计标准及建造要求，对预制构件生产全过程进行数据采集和有限元分析，以检查是否存在偷空减料、工艺偏差及质量隐患；物流保障系统通过在预制构件安装的RFID芯片，可实时查询和追溯物流配送和验收等信息，减少验收数量、构件存放位置、进场记录及装配需求等偏差问题，确保预制构件按质按量机床，满足装配式建筑建造需求，提升装配效率。

BIM-CICS系统框架下，装配式建筑的建造流程将发生变革，转变后的流程,如图2所示。

3 系统各模块构成

3.1 主模块

3.1.1 建筑设计系统

建筑设计系统以BIM技术为基础，采用基于BIM族库的标准化和模数化设计[5]，以三维数字技术为表达方式，将建筑项目功能特性和设施实体以数字化呈现，通过Revit软件建立BIM模型，以实现建筑设计系统的构建，系统中结构、机电、土建、设备等各专业可根据统一的基点、轴网、坐标系、命名规则、深度和时间节点在平台化的BIM设计软件中搭建模型，可从建筑标准化、各类构件族库及部品件库中选取相互匹配的构建及部品件来组建模型，以提高建筑设计系统的标准化程度和效率，BIM模型的数据交换通过IFC标准实现，IFC标准集成了装配式建筑的生命周期、资料分类、成本资料、图档模型等各类信息，是目前对建筑物信息描述最全面、最详细的规范，可用于支撑建筑设计、施工、运维等各类特定软件的协同工作，且在计算机网络系统支撑下，各专业根据权限和标准，可进行协同、并行及异地设计等。

图2 BIM-CICS系统框架下装配式建筑的建造流程

建筑设计系统主要是对装配式构件进行分类、编码，输入及定义构件信息，构件编码与构件存在映射关系，也即编码与构件为一一对应关系[6]。本文以BIM技术为基础，采用基于BIM族库的标准化和模数化设计，以三维数字技术为表达方式，将建筑项目功能特性和设施实体以数字化呈现，通过Revit软件建立BIM模型，以建立建筑设计系统，其主要集成了梁、楼板、墙体、楼梯等构件，可基于设计图纸进行梁族、板族、柱族、预留件族、附加构件族等装配式构件族库的开发，该族库包含各类构件节点族，点击相应的节点处便会出现属性信息对话框，对话框中包含构件名称、材料、坐标系、几何信息、工艺等参数，可根据装配式建筑的实际需求调整相应参数数据，则构件族会依据参数变化自动更新，形成新的BIM模型以指导设计图纸修订和工艺规划。

3.1.2 预制生产系统

预制生产系统是对构件生产全生命周期的管理，主要是对装配式构件进行分类、编码，输入及定义构件信息，构件编码与构件存在映射关系，可基于设计图纸进行梁族、板族、柱族、预留件族、附加构件族等装配式构件族库的开发[7]，该族库包含各类构件节点族，点击相应的节点处便会出现属性信息对话框，对话框中包含构件名称、材料、坐标系、几何信息、工艺等参数，可根据装配式建筑的实际需求调整相应参数数据，则构件族会依据参数变化自动更新。从构件库中提取构件的三维几何、物理及属性信息，结合装配建造需求，制定构件生产计划，并据此定义与生产过程和时间相关的生产信息，如生产工序、设备、材料、生产进度等，构建3D生产过程模型，同时，依据拟定好的生产计划对3D 模型进行生产阶段划分，编制相应的扩展数据接口，将3D模型中各生产阶段附着于相应的进度计划，实现以生产进度为基础的4D信息模型创建，最后，将涵盖构件三维几何信息、材料信息、工艺、生产进度信息的4D信息模型用于预制构件的生产管理。

3.1.3 质量控制系统

预制构件工业化生产中的材料性能、加工方法、工艺流程及生产进度均影响着施工质量，是导致构件生产与设计偏差的主要原因，为了满足建筑构件全过程生产控制的需求，实现质量标准量化、质量分析、质量评定等功能，本文将融合BIM技术、仿真分析技术、检测与数据分析技术，在4D生产过程管理模型的基础上，利用ANSYS平台进行预制构件生产全过程的仿真分析[8]，尤其对关键节点的生产过程进行多视点的动态模拟，并结合有限元仿真分析数据与实际采集的生产数据进行对比分析，制定各生产阶段的质量控制标准和目标，提出质量评定的量化标准，并据此对构件生产过程进行管控，确保构件产品符合交付标准。

3.1.4 物流保障系统

物流保障系统是预制构件存储、运输、到场信息进行跟踪管理，其与工程数据管理系统相连接，将RFID芯片植入预制构件之中，使得构件的信息编码集成于标签之上，为读取和查询编码映射的属性信息提供支撑，在运输工具上植入RFID芯片，以便计算合理运输半径，控制运输成本、加快构件到场速度，同时，构件的到场和装配使用信息也应该录入RFID之中，以供信息查询。利用射频扫描仪器识别构件电子标签，根据RFID反馈的信息，提取构件存储、运输、进场及使用情况，精准预测构件是否能够满足装配需求，如若存在偏差，则根据装配式建筑施工进度进行适时调整，以规避出现窝工或构件堆积的问题，减少二次搬运，避免人力、物力、资金的浪费，控制建造成本。

3.2 支撑模块

3.2.1 工程数据管理系统

工程数据管理系统是支撑BIM-CICS主模块数据存储、管理及控制的关键，根据BIM标准对构件信息进行标准化管理和分类编码，确保信息的标准化、规范化，以实现信息存储、调用和共享功能，预制生产过程中利用读写设备将构件的数量、尺寸、拟装配建筑项目、作业状态等信息写入到RFID芯片之中，根据工程合同编码规则及标准编码方法，对构件进行编码,如图3所示。

图3 预制构件编码格式

K1-3:预制构件拟装配的项目名称，以英文字母标记，项目名称不足3个字母的，在前面补零，如奥运项目以0AY表示[9]；

K4-5:单位工程编码，以1-99数字进行编码，如奥运村第9号楼，以09表示；

K6:地上或地下工程，分别以0、1标记；

K7-8:楼层号；地上10层以010表示；

K9：构件类型，以英文首写字母标记，如柱(Cloumn)-C ；

K10-12:数量编码；

K13-14:作业状态，其随着RFID采集信息的状态进行更新，如，仓储阶段-CC，安装阶段-AZ；

K15-17: 扩充区。

在编码的基础上，对主模块各系统的数据进行轻量化后存储至MySQL 数据库，采用PHP进行PC及手机端的交互界面开发，并依据权限需求，提供API数据接口，建筑设计系统、质量控制系统等均可直接接入数据库之中，文本数据以Web网页端表示，文本、图表、平面简图等内容可以Javascript 相关库进行可视化，并支持跨终端浏览，各类电脑、移动终端均浏览相关数据。

3.2.2 计算机网络系统

计算机网络系统应该为BIM-CICS系统提供网络通讯支撑，支持云端数据服务、资源共享、协同工作、应用程序接口、分层递阶及实时控制等操作，以满足装配式建筑全生命周期各参与主体的不同需求，为此，该系统必须基于开放的网络通信环境，采用国际标准和工业标准规定的网络协议作为通信支撑，采用ADO方式访问数据库，以有线和无线传送作为网络中节点数据传送的物理媒介，以实现设计、预制构件生产、存储运输及装配施工全产业链的顺畅对接，提升装配式建筑的建造效率。

4 BIM-CICS系统的应用

4.1 应用流程分析

BIM-CICS系统主要功能是实现装配式建筑设计、预制构件生产、仓储运输及现场装配的集成化和模块化管理，为验证该系统的应用效能，本文以北京某预制装配式住宅为例，以BIM-CICS系统在装配式建筑设计阶段的应用为研究重点，以集成化的管理模式，基于BIM建筑信息模型，对构件协同设计、碰撞检测及深化设计图纸生成等进行全过程的统一化管理，根据应用需求制定的流程,如图4所示。

图4 BIM-CICS系统在装配式建筑设计阶段的应用流程

(1)在初步设计阶段，各专业设计人员可对装配式建筑预制构件的三维几何、材料属性、工艺要求、空间定位及时间属性等进行定义，采用BIM技术建立预制构件库，并通过调取预制构件库的信息，完成协同设计，构建基于BIM的建筑信息模型；

(2)碰撞检测，各专业设计人员根据预制构件对应的族类型，采用Revit软件根据对应位置将构件族、埋件族及钢筋族载入，形成嵌套族[10]，以更好的进行碰撞检测；

(3)深化设计阶段，构件设计人员将BIM建筑信息模型中的预制构件设计信息与生产厂家共享，根据加工设备及模具型号，合理调整和优化设计方案，生成深化设计图纸，并在相应的构建族中进行参数的修改，BIM建筑信息模型将随之更改。

4.2 应用过程的实现

(1)协同设计

首先，参与装配式建筑设计的各专业人员采用 Autodesk Revit系列软件创建建筑、结构、机电、给排水等BIM可视化模型，依托于Autodesk Revit系列软件的协同工作环境可完成BIM模型的高效建模，实现装配式建筑各专业的协同设计，如图5所示。

图5 基于BIM模型的协同设计

同时，借助BIMN-CICS系统的工程数据管理系统，可从中提取和挖掘装配式建筑建造信息，在BIM模型中自动生成3D动态图、大样图等相关信息，以精准预测装配式建筑项目的预制构件数量、生产工艺需求、建造成本等内容，生成管理数据统计表，为装配式建筑建造过程全生命周期管理提供支撑。

(2)碰撞检测

预制构件相互之间的碰撞检测是关键，精度要求较高，通过对Revit软件的二次开发，形成碰撞管理器插件植入BIM-CICS系统之中，以实现系统智能碰撞检测功能的开发，负责检测对梁、板、柱等结构的碰撞点，根据出具的碰撞检测报告及碰撞点显示功能，能够迅速确定构件间的空间关系，点击碰撞点显示按钮，系统将会对碰撞点位置进行局部放大，以便各专业人员根据碰撞点对BIM模型进行优化设计，利用系统的碰撞检测功能，对北京某预制装配式住宅进行碰撞检测的结果,如图6所示。

(a)碰撞点1

(b)碰撞点2

基于碰撞点检测结果，可进行BIM信息模型的优化设计，碰撞点解决方案有两种：

(1)直接修改碰撞点处的构件参数，该种方法直接、针对性强、效率高，但是不适用于碰撞点较多的情况。

(2)返回复杂构件BIM族库菜单中修改相应构件的参数，只要对一种构建族进行修改，则整个BIM模型中基于该构件族的所有构件均将自动更新。

可见，第二种方法更为适用于装配式建筑，而后，再次启动碰撞检测功能，得出的碰撞检测报告中提示碰撞点为0时，即表示碰撞冲突解决[11]，可据此调整相应的设计方案，获得优化后的信息模型文件，此时，利用BIM模型可自动生成各平、立、剖面图以及构件深化详图，自动生成的图纸与模型存在动态链接，若根据碰撞检测结果修改了模型数据，则与其关联的所有设计图纸将自动更新，节省了手动修订设计图纸的时间，实现了建筑设计的智能化发展。

5 总结

装配式建筑的发展和BIM技术的深化应用，将推进建筑技术及建造流程的全面革新，并趋向信息化、工业化及标准化方向发展，而计算机集成制造系统CIMS在供应链集成管理、工业化生产方式上与装配式建筑存在诸多共性，将其引入集成建造系统之中具有可行性，而本文以BIM技术集成信息及工作协同为基础，利用CIMS系统在集成管理中的优势性，构建了装配式建筑集成建造系统，实现了构建设计、预制生产、存储运输及现场装配的协同管理，为装配式建筑信息化和工业化生产提供有效支撑，且经工程实例证明BIM-CIMS系统的实际应用价值。