基于BIM技术的装配式建筑设计阶段协同度评估

孙 少 楠，孙 冰 冰，吴 家 伟

(华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046)

目前，由预制构件构成的预制装配式建筑在中国建筑行业已形成了新的发展趋势。虽然预制建筑在一些发达国家得到了广泛的研究和应用，但由于各国的特殊性，中国的预制建筑应用推广仍具有一定研究价值和意义[1]。与传统现浇混凝土建筑相比，预制装配式建筑提高了施工精度，增大了产品质量的可预见性，极大地缩短了施工时间，降低环境污染，并且现场施工人员数量也较少[2-3]。装配式建造模式是我国建筑业发展的必然趋势，由于其建筑构件工厂预制、现场拼装的施工特点，在建筑性能、建造技术、管理模式、施工方案等方面需各个参与方及时有效沟通，形成一个协同管理平台，加强组织之间的沟通与协作[4]。而BIM模型作为近年来工程项目的协同工具，促进了工程项目各阶段的信息交流，使各阶段信息完全透明。BIM模型同时也推动了整个工程项目建设周期的进程，加快了施工效率，故越来越多的管理者借助BIM将协同思想应用到工程项目建设中。但基于BIM的协同管理流程实施的效果并没有明确的案例数据，故对其协同效果进行测度是当下需解决的问题。

现阶段学者们多是分阶段、分流程研究BIM与装配式项目之间的协同。王巧雯等人构建了BIM一体化多专业协同设计流程框架，为设计阶段多专业的高效协同提供有益的方法借鉴[5]。徐照指出利用BIM技术能够实现生产过程中各利益相关方或参与方的协同工作[6]。刘宁等人指出在施工管理中引入BIM协同平台，在保证质量的同时，加快了施工进度[7]。王威威运用序参量原理，对项目管理协同度进行定性分析和定量研究，完善了项目管理的协同理论[8]。黄珺根据建筑工程运行维护阶段的工作实际，基于BIM环境设计了建筑工程运维管理系统，初步实现了运维协同管理的可视化[9]。BIM技术协同机制相对其最初发展阶段也逐渐成熟。张如翔提出基于BIM技术的工作机制的层次架构，促进了产业整合与流程管理的升级[10]。关于BIM与工业化建筑全流程协同，段羽和刘喆提供了理论支持，深层次挖掘BIM技术在装配式建筑中的应用价值，从本质上分析了装配式建筑“设计—加工—装配”过程的BIM协同应用问题及对策[11]。钟炜等人通过分析影响公建项目多参与方合作关系的因素及其相互作用机制，建立了基于BIM技术情景下多利益方协同要素测量表，确定了影响多利益方协同的主要因素[12]。Beata Grzyl，Emilia Miszewska-Urbanska指出由于建筑投资过程中利益相关者之间共享信息的高效性，BIM在投资设计的初始阶段消除了项目中的错误、碰撞、重复和遗漏问题[13]。此外，序参量理论的应用也很成熟，舒波、曹旸等人以河北省典型县域为例，基于不同产业，从规模、结构、绩效三方面建立了协同度测度指标体系，为河北省县域发展提出指导性建议[14]。吴笑等人基于协同学原理构建了协同创新的协同度测度模型，验证了成都市WSC协同创新复合系统具有正的协同度[15]。

本文以BIM技术与装配式建筑的协同效用作为出发点，结合具体案例，从软件协同、专业协同两个方面选取相应指标对装配式建筑设计阶段两者的协同效果做测度分析。

1 协同论

1.1 协同理论

协同理论作为系统科学的重要分支，是20世纪70年代综合多学科的研究逐渐形成和发展起来的一门新兴学科。它的主要特点是通过类比对从无序到有序的现象建立一整套数学模型和处理方案，并推广到更广泛的领域。

哈肯在协同论中，阐述了临界点上下波动的情况，总结了慢变量支配原则和序参量概念，认为事物的发展受序参量的控制，发展的最终结构和有序程度取决于序参量。序参量作为一种状态参量，它是系统内部各子系统间相互作用下的产物，其状态在一定程度上反映和支配着系统的协同水平。若将装配式建筑建设过程作为一个系统，该系统下又分布几个子系统，子系统之间的实施特点、技术要求不同，所需资源和信息也不同。为了使整个项目在确保施工质量、施工效率的基础上有序进行，需要信息的实时交换和资源的及时调整，故子系统的协同状态影响着整个系统的发展。

1.2 BIM协同论

装配式建筑的设计阶段要做好方案设计、初步设计、施工图设计、构件加工图设计、预制构件设计、构造节点设计。初步设计要结合不同专业间的技术重难点，完善协同设计；预制构件的设计要考虑各专业管线和设备所需预埋位置，也要考虑预制构建对成本、进度的影响；施工图设计在考虑预制构件的预埋预留位置的同时要注意构件之间的连接节点；构件加工图设计时，设计单位需要与预制构件生产单位协商，满足各专业对预制构件的设计需求。为保证整体设计质量，除了尽量标准化、模块化之外，还应注意预制构件运输过程、现场吊装条件、吊装设备等对预制构件的影响。

在项目全生命周期的各个阶段，需要各参与方之间的高效协调，提高建设项目的运行效率，协同过程如图1所示。BIM技术作为信息集成的工具，为装配式建筑各阶段施工搭建了沟通的桥梁。如：在设计阶段，通过BIM协同平台整合施工后期预制构件的关键点，进行综合性深化设计，提高预制构件可控性；在施工阶段，基于BIM协同平台实时了解项目进度，及时对不合理施工计划做恰当的调整。BIM技术与装配式建筑之间相互影响、BIM技术的更新、装配式子系统之间的不平衡性特点等影响着整个系统的协同效果，序参量原理适用于装配式协同建设过程。

注：① 代表先协同，② 代表后协同

图1 BIM协同设计思路

Fig.1 The composition of BIM collaborative design thought

BIM录入各专业建筑信息后，各单位在各阶段可随时提取及应用完整数据，为信息共享提供了契机。设计人员通过BIM对预制构件三维模型的分析与模拟消除了设计误差、提高了设计效率和质量，深化了各参与者之间的协同交流。BIM将一系列的技术与组织方案相结合，从而提高预制构件设计质量、运营效率等。

2 基于BIM的装配式建筑设计阶段协同度测度模型

2.1 子系统与序参量分析

假定装配式建筑建设协同过程是一个系统，鉴于其建设过程需多角色参与，子系统可分为阶段性协同、软件协同、专业间协同、项目参与方之间的协同。阶段性协同包含初步设计阶段、施工图设计阶段、预制构件分割与制造阶段等。软件协同主要保证设计阶段运用的BIM软件之间信息模型的交互率。专业间协同则为保证设计的完整性，将建筑、结构、电气、给排水、暖通等专业之间需要相互配合的“条件”提前拟列出来，减少预制构件的变更率、资源的浪费，保证预制构件拼装的效率。参与方之间的协同、阶段性协同与专业间协同在设计阶段有着相互影响且不可分割的重叠因素，各阶段设计要统筹考虑各专业之间的因素，设计单位在考虑多专业因素的同时也要满足各参与单位对预制构件设计的要求，故在测量BIM技术对装配式建筑协同度的影响时，只考虑专业协同和软件协同两个子系统。

装配式建筑需要从初步设计阶段统筹考虑预制构件的加工生产、施工安装、重复利用等一系列问题，并在设计过程中与建筑、结构、给排水、暖通等专业设计师紧密沟通，进行全专业、全过程的一体化设计，实现装配式建筑的标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理的整体目标。专业间协同与阶段性协同、参与方协同完成后，为实现三维模型的可视化、信息透明化，进而对软件之间的信息传递提出更精准的要求。子系统之间相互影响作用，其协同效用直接影响系统整体协同度。为使系统的整体效用达到理想状态，必须保证各子系统之间的稳定性。

主要通过观察序参量的演化来测量子系统的协同度。以软件为例，其协同效用的高低主要看不同软件之间信息传递的正确性、完整性、传递效率、设计提升能力等，则将这些影响软件协同率的因素作为该子系统的序参量，同理将影响专业协同并支配系统协同水平的因素作为子系统的序参量，例如返工率、设计方案优化能力、信息协同效率等。

2.2 功效函数确定

假定基于BIM装配式建筑实施过程中的软件协同，专业协同为Sj,j∈[1,2]，子系统演化过程中的序参量变量为eji=(ej1,ej2,…，ejm)，βji≤eji≤αji，其中j=1,2,…,n,i=1,2,…,m。α与β为系统稳定区域临界点上序参量变量eji取值的上限和下限，上下限的取值要结合系统的实际情况。将序参量变量对协同系统有序度的功效函数系数用PE表示，且0≤PE≤1，即效用函数理想是取PE=1，最差时取PE=0。序参量变量对系统影响的功效一般分为两种情况：一种是效用值越大越理想，另一种是效用值越小越理想。由此序参量分量eji对子系统Sj有序度功效用函数PEj(eji)定义如下：

(1)

2.3 子系统有序度计算

综合功效函数组成，序参量变量eji对子系统Sj有序度的“总功效”，采用功效函数PEj(eji)的集成和整合方式来表示。集成的方法根据系统的组成结构，一般选择的方式为几何平均法和线性加权求和法。本文在确定有序度时，假设每个子系统之间及相应的序参量变量权重相等，故对子系统的有序度计算选用几何平均法。综上所述，对每个序参量分量eji的功效系数进行集成,求其几何平均数,得各子系统间的有序度

(2)

式中，PEj(eji)介于0和1之间，所以该子系统Sj有序度OEj(Sj)∈[0，1]，OEj(Sj)数值越大，子系统的有序程度越高，对整个系统Sj的贡献率越大，反之就越低。当OEj(Sj)=0时，有序度极小，极不理想；当OEj(Sj)=1时，有序度极大，达到最大理想值。

2.4 计算协同功效

将基于BIM装配式建筑设计阶段协同过程中的所有子系统相互影响作用后呈现出的整体有序度定义为协同功效，仍然选用几何平均方法对所有子系统的有序度进行计算，可得到该协同系统的综合协同功效，公式为

(3)

2.5 协同度分析

对该协同系统进行测度时，需要剔除系统之间无法量化的差异性因素。因为子系统之间是相互影响作用的，当其中一个子系统发生变化，另一个子系统的有序度也可能会受这种改变的影响，最终系统的整体协同功效会向不理想状态演变，达不到协同理想值。为了使这种影响程度降到最低，故选用标准离差率D消除计算结果的偏差，得到项目的协同度，公式如下：

(4)

(5)

式中，(1-D)表示子系统间的有序匹配度；CI表示基于BIM的装配式设计阶段的协同度。

2.6 协同度测度指标分析

根据以上分析，以及对国内外大量文献的归纳总结，确定子系统的分析指标为软件协同与专业协同，将这两方面作为协同度模型的一级测量指标，来评价BIM技术对装配式建筑的协同能力，具体分析如下。

2.6.1软件协同

BIM软件之间的交互性是保证装配式建筑协同设计的基础性指标。一个建筑项目从规划、设计、生产、运输、施工到后期运维的过程中需要建模、碰撞、分析、计算、管理等多种软件。BIM不止是一个软件的事，准确一点说BIM不是一类软件的事，而且每一类软件也不止一个产品，故一个完整的工程项目的设计过程用到的BIM软件数量就有十几个[16]，如：CAD、Revit、Navisworks、PKPM、Tekla Structure等。这些软件内部数据结构不尽相同，难以进行数据交换，从而会形成信息孤岛，违背了BIM的初衷，无法实现建筑全生命周期过程中的信息共享与转换[17]。

BIM软件期初是通过不同的数据格式进行信息交换与共享(见图2)，虽能进行不同软件之间的信息传递，但信息的完整性不能保证，传递效率也不高，信息交互率低。为解决此类问题，很多学者开始研究将不同软件的数据转换为同一类型数据格式，以提高不同软件之间数据共享率。最早由buildingSMART研发的IFC(Industry Foundation Classes)标准为BIM软件之间的信息交互打开了一条新的道路，能使不同的应用软件通过标准的数据接口，进行深一层次的数据交换和共享。赖华辉、邓雪原、刘西拉自主研发了基于IFC的结构模型服务器与基于IFC的BIM协同平台，为解决项目过程中的数据交互提供了有效路径[18]；满庆鹏，孙成双研究了IFC标准对所需信息的表达方法进行研究，建立了各自的模型，为促进建筑施工过程中不同专业的信息共享和协作提供了支持[19];高秋亚、高新闻建立了基于IFC标准预制构件生产信息模型，有效提高了数据信息的管理以及协同工作效率[20]。与其他类型的数据格式相比，IFC标准更适于装配式建筑的协同设计，它不依赖于某一特定的软件，有很高的开放性、稳定性、完整性。

图2 BIM软件之间的交互方式

虽然相对之前的数据转换方式有了一定的提高，但IFC标准在数据转换过程中仍会出现信息丢失的问题。为使基于IFC标准的BIM数据共享与交换效率更高，IFC标准现已完善为IFC4.0使信息传递的效率加快，正确率、完整性更高。

2.6.2专业协同

设计阶段包含多个专业如建筑、结构、电气、给排水、暖通、动力、智能等，每个专业又涉及多个参与人员，且各专业各参与人员之间又是相互依赖的，一方需要其他方的资料信息、实施图纸等，任一方修改变更都会影响其他方的正常工作。若不能及时传递变更信息，各专业各参与人员之间会出现无序状态，造成问题挤压，且解决效率缓慢。可见，协同工作对于设计阶段以及装配式建筑的重要性。

BIM模型的核心不是模型本身，而是集成信息与工作协同。设计阶段各专业各参与人员可从BIM模型中及时获取所需的设计参数和有关信息[21]。

装配式建筑的各专业及各参与人员通过BIM技术集成平台，进行专业间信息传递与交换。设计时将装配式建筑全生命周期所有因素进行分析，如预制构件受力分析、可装配性、不同构件钢筋碰撞问题等，减少了后期变更，提高了实施效率。

3 案例分析及协同能力计算

3.1 BIM应用过程

3.1.1三维模型建立

以某装配式建筑为例，工程总建筑面积达270 100 m2，由23栋楼组成。该项目一标段是为解决公务员住房问题而建设的一期周转房，是率先开工的全装配式住宅。该项目包含的预制构件种类有：楼梯、楼梯隔板、阳台板、空调板、叠合板、外墙板、内墙板。三维模型见图3。

在构建装配式建筑三维模型之前，为了保证协同度的最大化，首先进行建模工具的选取。

选择Revit 2018为主要建模工具，以它为信息传递的核心。因为Revit 2018具备全专业的多项功能集成作用，建筑、结构、机电三合一，可进行建筑设计、结构设计以及设备设计的专业性参数化建模，形成数据库集成平台，为装配式建筑设计在各阶段提供实时、准确的设计信息。其他建模工具如表1所示。

表1 模型工具的选择

在构建预制构件参数化三维模型时，要考虑各专业各阶段的施工要素。以外墙板为例，为检测其抗震性，考虑其预应力是否达到设计要求；为了保持上下钢筋连续性，要预设注浆管和预留插筋；为保证构件就位后的稳定性，预制构件设计阶段要预埋套筒来连接斜向支撑杆；为保证预制楼板与外墙板连接的整体性，设计时要在墙板上预留楼板拉结筋；考虑到预制楼板的搁置，为增强楼板构件与墙板构件连接整体性，墙板与连接处设置凹槽；为便于施工阶段的吊装，预设外墙板预埋吊件。如图4～6所示。

图4 外墙板仰视图

图5 外墙板俯视图

图6 外墙板三维视图

3.1.2碰撞检查实施

在Revit中导出nwc文件，然后导入Navisworks，对装配式建筑分别进行不同专业间碰撞和专业内碰撞，从而完成对装配式建筑设计阶段的预检查，如图7所示。不同专业之间的碰撞检查：首先要构建不同专业间的集合，可选择整个项目中的图元，也能以层为单位选择需碰撞的图元。专业内的碰撞检查：将不同构件分别归为不同的集合进行碰撞检查，一般进行预制梁中钢筋与灌浆套筒之间的硬碰撞、上下两层竖条外挂墙板之间硬碰撞、梁柱节点钢筋软碰撞，预制梁中钢筋与预埋件之间硬碰撞等等。构建好所需集合，实施碰撞检查，导出碰撞报告。

碰撞报告即为装配式建筑预检查的行为结果。根据导出的碰撞报告，与各专业参与人员沟通问题，可预见并且避免潜在的问题发生。为使装配式建筑的施工模拟更真实，选用Fuzor2018对全过程模拟，直接导入P6中的进度计划表，添加机械和人工，模拟场地布置及现场物流方案，提高了施工管理效率。

图7 装配式建筑应用BIM设计流程

3.1.3预制构件生产过程

为使构件模型所包含的生产相关信息，能够更有效地指导构件生产过程，将装配式建筑预制构件深化设计在生产阶段进行。结合多专业对预制构件提出的建筑需求以及工厂自身构件的生产工艺的需求以及施工吊装的需求，对预制构件进行深化设计。所有与生产相关的信息均可从BIM模型中提取，让生产人员对生产信息进行直观、快捷的管理。

3.2 协同度测度指标体系建立

为验证该案例中BIM技术对装配式建筑的协同效果，本文借用功效函数进行协同能力计算，选取具有代表性的指标作为序参量，以软件协同、专业协同为一级指标，选取22个二级指标对装配式建筑的设计阶段的协同能力进行计算。

通过大量阅读相关文献，结合项目具体实施现场存在的问题，建立了基于BIM技术的装配式建筑协同度测度的指标体系，具体见表2。表3进一步对指标进行了解释说明。

表2 装配式建筑设计阶段协同度指标

3.3 设计阶段协同度分析

为了将装配式建筑设计阶段的协同程度更清晰量化，将协同度等级划分为5个等级，具体见表4所示。

基于BIM技术装配式建筑设计阶段的协同度分析，结合实际实施过程，以定性指标为主建立指标体系，并通过专家打分法获取数据，其中，各序参量变量的效用值打分区间为(0，1)，具体见表5。并根据序参量数值计算出了该项目子系统的效用系数、有序度、综合协同能力等参数，具体计算结果见表6～7。

表3 序参量分量指标解释

表4 协同度等级划分

表5 序参量数值分析结果

表6 子系统效用系数

表7 子系统其他相关参数

4 结 论

该案例协同度计算值为0.622，按照协同度等级划分的原则，协同效果一般。虽BIM技术对装配式建筑的设计阶段有一定的促进作用，但无论是在软件协同还是专业协同，协同能力都属于一般状态，与理想状态还有一定的差距。整体来看，该项目运用BIM技术的协同能力还需要提高。主要结论如下：

(1)该案例应用的BIM软件中，支持IFC标准数据格式的软件太少，且IFC在信息传递过程中也会造成信息丢失，故BIM技术应加大对IFC格式文件的支持力度，完善软件对IFC数据的输入与输出，降低信息丢失率。

(2)Revit协同主要是多专业在设计阶段的集成，相比传统的装配式建筑的运营模式，BIM技术优化了装配式建筑的设计流程，有一定效果，但不是特别突出。结合案例最终的协同效果，BIM技术也有待完善，BIM技术人员应开发针对装配式建筑特性的BIM软件，建设开放性BIM数据接口，增强信息共享与转换的效率，以便更加高效地发挥BIM技术的协同优势。