BIM 技术在装配式混凝土建筑全生命周期中的应用

2020-06-17陈野平朱旭峰

江西建材 2020年5期

陈野平，钟晨，朱旭峰

1.合肥建工集团有限公司，安徽合肥 230088；2.安徽新华学院，安徽合肥 230088；3.建筑结构安徽省普通高校重点实验室（安徽新华学院），安徽合肥 230088；4.中国能源建设集团安徽电力建设第一工程有限公司，安徽合肥 230088

1 前言

装配式建筑是结构系统、外围护系统、内装系统、设备与管理系统的主要部分采用预制部品部件集成，且预制构件通过可靠连接方式建造的建筑。按使用材料的不同，常分为装配式混凝土建筑、装配式钢结构建筑和装配式木结构建筑［1］。由于钢结构、木结构天然具备装配式属性，且应用范围相对较窄，故本论文重点讨论的是装配式混凝土PC（Prefabricated Concrete）建筑，即预先在工厂按照流水线式生产，再到工地内搭积木式组装。随着绿色建筑和建筑工业化要求的提出，装配式建筑在我国从上世纪50年代发展至今，已在多个工程项目中试点应用，2020 年新冠疫情发展初期，国家以雷霆之势一周时间内建起火神山和雷神山医院，再次将预制装配式建筑推广到全速发展期。

我国的建筑业在改革开放30 多年以来，一直没有摆脱劳动量密集、建造方式落后的缺点。装配式建筑其工业化的建造方式带来设计、生产、施工全过程的改变。为了实现建筑产业现代化，将建筑行业从劳动密集型产业向技术密集型产业转型，需要大力发展装配式建筑。2016 年《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》强调，我国将加快标准化建设步伐，提高建筑技术水平和工程质量，争取在10 年内使装配式建筑占新建建筑面积比例达到30%。由此，每年几亿平方米的装配式建造量，累计达到2.5 万亿元的市场规模将会推动我国装配式迈入新的快速发展期。

装配式产业对建筑、结构、设备等各专业的模块化设计、制作、施工等各个环节工作的协调性要求更高，返工情况的发生就可能会造成很大的损失。而运用BIM 技术可以有效避免或减少衔接环节的错误，可以优化设计、制作、施工等各个环节的管理，从而保证质量、降低成本、提高效率、缩短工期，有助于实现建筑行业的自动化、智能化、产业化和标准化。

2 BIM 技术简介

BIM英文全称为Building Information Modeling，国内通常翻译为“建筑信息模型”，亦有将“M”理解为Management，即建筑信息管理［2］。它是一种基于BIM 云为项目构建信息资源共享平台，具有三维可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等5大特性，一方面通过统一模型为建筑、结构、设备等专业提供项目中各类数据的输入输出接口，另一方面通过模块化方式建立建筑信息模型，集成了设计、建造、管理、运维等项目实施环节的各类数据信息，使得项目相关的管理人员与技术人员对信息做出准确辨识、准确理解与高效应对，显著提供了沟通效率与质量，并达到提高生产效率、节约成本和缩短工期的目的。

图1 装配式建筑构件吊装现场

图2 装配式混凝土建筑各构件的BIM 模型

3 BIM 技术在装配式混凝土建筑设计中的应用

使用BIM 技术的受益者是上下游各个环节，但启动要从上游开始，即从方案设计开始。是否应用BIM，最关键的是作为最大收益者和付费方的工程项目业主或总承包企业。而从技术角度来看，启动BIM 技术应用需要工程设计人员与构件制作、施工安装人员密切配合，缺一不可。设计环节是装配式建筑方案构思-方案形成-信息完善的过程，目前仍有大量建筑工程的建筑-结构-机电-暖通设计基于传统的二维CAD 平台，不仅专业相对独立，设计师之间更是缺乏有效交流与协调，导致施工时反复提出设计修改方案，费时费力更加浪费资源。装配式建筑涉及多系统的集成，而BIM 技术天然具有信息集成优势，可实现基于BIM 技术的建筑、结构、给排水、暖通、电气、绿建全专业设计，在三维模式下实现模型创建、构件拆分、结构计算、构件设计、装配式检查、数据统计等，为设计、生产、施工、物流、运营提供准确信息［3］。

图3 基于BIM 的机电设计

由于传统使用的BIM 软件不具备中国规范条件下的结构分析能力，因此研究BIM 三维条件下装配式混凝土结构建模接力结构分析显得十分重要，在国内可以借助PKPM、YJK、PCMAKER 等软件实现。根据现行规范《装配式混凝土结构技术规范》JGJ1-2014 中的要求进行装配式建筑的结构体系布置，以及设置内力调整系数。

装配式建筑基于BIM 设计方法的基本原理是：设计单位按业主需求从BIM 模型库中挑选-组合对应模块进行建筑设计，再基于模块化功能依次由结构-机电各专业完成各自整体模型设计，最后在BIM 协同合计平台中将全专业模型协调整合，进行碰撞检查和优化设计，完成基本BIM 的构件加工及安装施工，流程图详见下图。

图4 装配式建筑BIM 基本原理流程图

在设计阶段应用好BIM 的前提，即是需要建立BIM 标准化应用体系。包括以下7 个方面：

3.1 BIM 模型命名规则

BIM 模型中最重要的是命名规则，包括族文件名和模型文件名，甚至对文件夹命名都应该有严格规定，以方便检索、归档。

3.2 模型建立准则

因为协同设计需要各专业间进行配合，故对模型建立准则需要事先明确，如项目基点、轴网、标高，信息添加内容等。

3.3 颜色规定

项目模型文件中最基本的信息是构件，BIM 模型可通过规范、统一的颜色添加来进行不同构件类型的划分。

3.4 参数化标准族制作

族是BIM 项目模型文件的基本组织单元，施工中应用、竣工模型等一系列应用都建立在规范的族文件基础上，因此十分重要。

3.5 项目协同方式

以数据交换为核心的协同方式，使得BIM 信息数据与模块化模型在各专业设计阶段实现更加精准的传递、协调与互动。

3.6 文件存储标准

进行规范合理的文件归档工作，将所有模型和文档分类存档，做到体系完整方便及时调阅。

3.7 出图标准

虽然BIM 模型是三维的，信息也是完整包含其中的，但目前无论是审图还是交付设计成果，二维图纸仍然是主流方式，因此要制定基于BIM 的二维出图编制，以方便出图。

4 BIM 技术在装配式混凝土建筑施工中的应用

4.1 三维场布管理

通过BIM 技术可以提前模拟建筑场地的预布置，查验是否会出现二次搬运或起重臂交叉等实际问题的发生，亦可模拟分配运输车次和运输路线，使得运输高效且及时，降低经济成本。

场地布置是在拟建工程场地上布置各种临时建筑、设施及材料、施工机械等的过程。运用基于BIM 技术的三维信息模型结合施工场地规划将生产、生活、加工、交通区形象地表现出来，可合理优化场布方案，减少安全隐患，为后续施工管理提供有利条件。

4.2 基于BIM 的4D 工程进度模拟

所谓“4D”，即在三维模型基础上，增加了一个时间维度，形成动态的进度模拟。通过Project可制定出不同时间维度的施工计划，将每月-每周-每天的进度计划与BIM 模型挂接，可通过计算机模拟现场材料堆放和控制施工进度，实现资源配置优化和节约成本。

在施工阶段也可根据现场实际情况，对进度计划、施工模拟动画进行动态调整。BIM4D 的应用，提高了项目的进度管控和履约能力，且结合进度的BIM4D 动画可用来指导施工，反映合理的工序和工艺，为项目实施策划提供了科学的参考依据。

4.3 可视化技术交底

可视化交底即在各工序施工前利用BIM 技术三维展示各施工工艺，能对关键部位和复杂节点通过可视化的模拟演示进行技术交底，减少错误理解从而更高效的指导现场施工，避免窝工返工现象。基于BIM 技术的施工方案及工艺模拟具有直观性、真实性、实时性的特点，可通过模拟施工程序、方法、设备调用、资源配置等情况，优选施工方案并提高技术交底效果。

图5 墙板吊装模拟

图6 节点钢筋施工模拟

4.4 BIM 三维管线综合技术

通过对机电设计图纸的碰撞检查和管线综合深化设计，实现机电各系统管线的统一布置和提前规划，将其与水、电、暖通、热控等多专业的BIM 模型进行合并碰撞检测，在项目施工前即完成了虚拟安装，可以发现在传统二维设计中难以发现的错、漏、碰、缺的问题，提高了图纸会审质量，有效减少施工中的错误和返工率。

图7 碰撞检查及管线优化

4.5 基于BIM 技术的预制混凝土构件钢筋、预留预埋防碰撞

通过BIM 建立包含钢筋、预留预埋的预制混凝土构件精细化模型，实现钢筋的防碰撞检查、准确定位钢筋，对预留预埋位置进行精确复核，为生产加工和施工的高效、准确提供保障。

图8 预制墙体钢筋检查

4.6 基于BIM 技术的铝模板配模技术

铝模板相比较与钢模板有成本低、适用能力更强、不依赖吊装设备、回收容易等优点；而相对于木模板有重复利用次数多、强度高、现场污染少、平整度高、加收价值高等优点。基于BIM 技术的铝膜板配模设计可实现识图建模、智能配模、碰漏检查、清单图纸、自动打包等功能。

图9 基于BIM 技术的铝膜板设计

4.7 基于BIM 的成本管理

可利用BIM 模型计算出的预期成本以及劳动力和材料、设备的虚拟使用情况，在工程结束后可与实际发生资金量进行对比分析，实现了项目的精细化成本管理。

4.8 BIM+VR 技术应用

通过现场BlM 模型和先进VR 技术相结合，让工作人员可以沉浸在虚拟的施工现场中对场地和操作有了更直观的体验与互动。利用VR 云安全教育模式，实物化各项危险源以及进行事故场景的模拟体验，使施工人员对施工现场常见的危险源、危险行为与事故类型做出准确预判、辨识和及时应对，高效学习全面的安全知识，掌握有效的自救方法和避险方式。

图10 洞口坠落VR 安全体验

图11 用电触电VR 虚拟体验

5 BIM 技术在装配式混凝土构件生产中的应用

可应用BIM 技术实现基于生产过程的智慧管控和优化排产。可借助基于BIM 的装配式智慧工厂管理平台实现与设计数据自动对接，实现自动化加工生产。按国标《混凝土结构用成型钢筋制品》等标准、规范，读取BIM 模型的预制构件中的钢筋信息，生成相应钢筋表，进而实现用BIM 模型驱动钢筋数控加工［4］。此外，在BIM 模型的基础上可完成布置边模和内模以及吊装钢筋网等步骤，同时借助混凝土浇筑自动化设备，可进行智慧备料、搅拌、运送、浇筑、振捣、养护、脱模、存放等工艺动作。利用构件编码体系和物联网技术，也可实现构件可追溯性质量管控。

图12 生产数据管理

图13 可视化模台管理

6 BIM 技术在装配式混凝土建筑运维中的应用

运维目的是能提高建筑项目的使用性、安全性和舒适性，当前已有一些高端园区和小区提出了智慧管理的概念，并付诸实施，业主对建筑基本需求满足的同时，运维还带来了附加的投资收益。

工程项目竣工后，可将竣工BIM 模型和工程环境的GIS 模型整合入运维管理平台中，将规划、设计、施工等信息完整的传递和保留进入运维阶段［5］。再将BIM 模型与楼宇自动化系统、物联网保修等信息整合对接入平台，可实现主动三维化运维管理方式，方便工作人员在模型中及时查找问题并通过定位、可视管理任一位置包括管道、设备等信息，对其进行综合分析评价与维护报修。