基于BIM的装配式建筑深化设计应用研究

文/艾树安 刘喆

引言

我国逐渐步入老龄化阶段，人口红利正在慢慢消失，用人成本也在慢慢增加。传统的现浇建筑方式，施工现场脏乱差，是城市污染的一个重要来源，安全隐患也特别多，施工周期非常长，如果遇到意外情况，就无法在短时间内完成，并且各个环节之间并没有非常紧密的联系，信息沟通不及时，造成许多资源浪费。随着国家对于节约资源、减少能耗、绿色环保等政策的大力推动，近些年，我国的装配式建筑发展十分迅速，但是装配式建筑本身也有诸多局限，如预留构件的尺寸和预留孔洞的尺寸、位置是否精确，在设计施工运输的过程中各个环节是否能够做到无缝衔接，等等，所以，装配式建筑在国内发展一直比较缓慢，但是由于BIM技术的出现，装配式建筑迎来了春天。近年来，国内的很多建设工程都在其全生命周期中应用了BIM技术，特别是一些体量特别大的异形建筑。BIM技术的应用可解决装配式建筑中所存在的问题，以推动建筑行业的发展。

一、相关理论概述

（一）装配式建筑概念

不同于传统的建筑方式，装配式建筑先将整个建筑物分解成尺寸、形状标准的构件，在工厂里生产出之前设计好的预制构件，再到工地上将这些预制部品部件通过吊装的方式装配起来。装配式建筑有着标准化、模块化、工业化、装配化、信息化、智能化等特点。模块化的基础是标准化，标准化的设计、模块化的管理、工业化的生产，使装配式建筑与传统施工方式相比有了工期短、质量高、费用低、节约资源、环保等优势。为了推动城乡建设领域的绿色发展，我国大部分省市都已经出台了关于装配式建筑的指导意见和鼓励政策，装配式建筑俨然成了建筑业发展的新方向。

（二）BIM概念

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），就是以建筑工程相关信息为基础绘制出的模型，是信息时代发展的产物，是现在建筑业非常热门的一个话题，特别是在装配式建筑中.由于BIM具有信息化、数字化、可视化等特点，且其自身具备高度的真实性和可模拟性，可以通过建立三维的信息化模型，突破原有二维绘图模式的局限性，让系统相关性更强，将原本平面的点线图转变为立体模型。对于没有建筑专业背景的人来说，通过BIM模型可以更加直观地了解建筑物的造型。BIM软件基本涵盖了建设工程项目设计所需要的各个方面，可以通过工作集的方式，使项目各个参与方都参与进来，打破信息孤岛，真正实现各个项目参与方之间的数据传递和共享，实现各个专业的协同作业。

二、BIM技术在装配式建筑中的应用

（一）设计阶段

与传统的施工方式相比，装配式建筑需要的设计周期更长，前期要做的准备工作更多，需要设计人员在前期设计阶段就考虑在设计、生产、运输、施工、运维全过程中可能存在的问题，并尽量对其加以完善。

BIM技术在设计阶段需要发挥最重要的作用。传统的图纸大多数都是二维平面图纸，对于传统的建筑业来说，二维的图纸已经足够指导施工人员进行施工了，但是装配式建筑对设计要求更加严格，如果预留构件的尺寸不对或者节点位置不对，就会发生施工的时候无法进行装配的情况。通过BIM软件可以实现对构件的参数化控制，可以在不同的工程项目中直接对构件的尺寸进行控制，当某个参数的信息发生改变的时候，其他与其关联的参数就可以随之进行相应的改变，达到人们想要的参数化效果。可以利用BIM技术强大的信息化特点，将每一个构件的信息都记录在内，形成一个数据库，并可以通过BIM软件对其进行集中管理，这样就可以节省设计人员的时间和精力。因为BIM技术具有可视化的特点，可以在讨论设计方案的时候开发商、构件供应商、施工方一同讨论，从而在很大程度上提高工作的效率，减少错误的发生。传统的装配式建筑，往往在施工过程中发现设计图纸存在的问题，这样就会造成很大的经济损失，而通过BIM软件进行设计的时候，可以先进行施工模拟，如果发现例如管线碰撞等问题，软件就会作出提示，这样就可以在设计阶段对其进行改正，避免在施工的过程中出现此类问题，最大程度上减少经济损失。

（二）生产阶段

PC工厂的工人有可能没有建筑专业背景，无法看懂二维图纸，导致无法准确地加工预制构件，无法保证预制构件的质量。由于BIM技术有着信息化和可视化的特点，生产阶段可以通过应用BIM技术提高模型的制作效率。工人可以在加工之前就清楚地看到所生产的预制构件的形状，这样就会大大降低工人工作的难度。通过BIM和RFID技术的融合，设计人员在设计阶段可将每个构件的信息放置于RFID标签中，并构建一个数据库管理系统。RFID标签中包含了每个构件的所有信息，并且这些标签都是一件一码，可以确保构件信息的准确性和真实性。构件的生产厂商共享这些信息后，就会更直观地了解设计人员的需求和自己需要做的工作，合理地规划生产的时间、产品的数量和质量，当遇到一些复杂构件时，也可以根据这些信息合理地规划运输的车次和路线。在这个过程中,生产厂商需要把自己所掌握的信息如生产进度，产品的质量和库存情况及时反馈到管理系统中，从而提高工作质量和工作效率。

（三）施工阶段

施工阶段在装配式建筑整个生命周期中是特别重要的，由于其需要在工地上进行预制构件的拼装，人们需要考虑拼装过程中每一个节点是否能够精准对接。可以通过BIM软件构建三维的场地模型，清晰地展示出整个施工现场的施工机械设备、堆放材料的场地等，可以通过fuzor等软件对整个吊装施工过程进行模拟，组织现场施工人员进行技术交底，提高工人对施工的环境和工序的熟悉程度，通过模拟检查构件的节点对接是否准确，加强施工的安全可靠性。

在施工的过程中，还需要考虑每个位置的构件是否能够准确地找到。构件被运输到现场之后是否能够得到妥善的存储管理，考验的是现场施工管理人员的水平。在此阶段，可以继续使用上文所提到的BIM加RFID技术。由于RFID技术的唯一性和准确性，通过之前所构建的管理信息系统，可以快速且准确地对构件进行实时跟踪检查，方便现场管理人员进行管理，加强施工的质量和效率。

（四）运维阶段

装配式建筑的运营维护管理也同样很重要。装配式建筑有着绿色环保节能的优点，所以一定是可持续发展的。在预制构件的设计生产过程中，已经建立了完整的管理系统，整个工程项目的每一个预制构件都有其专属的RFID身份证明，后期进行运营维护的人员可以直接从数据库中提取其所需信息，迅速地检测各个阶段可能存在的问题，确定发生问题的位置，从而提高维护的效率。每个构件的设计人员、生产厂家、生产时间、运输过程、装配过程都会被记录在数据库内，这样对后期运营维护中出现的问题可以迅速进行责任的划分。

还可以通过BIM技术的运用对整栋建筑进行运营维护模拟，使用Revit软件对整个建筑的机电系统进行运营模拟，还可以通过Ecotect软件对整个建筑物进行能耗、日照、热量、朝向、声环境等分析，及时掌握整个项目的资产信息和设备使用的情况，在模拟的过程中，及时发现并解决可能存在的问题，降低整个建筑的安全风险。

三、案例分析

（一）工程概况

该项目是某地的第一个装配式住宅项目，建筑用地面积12063平方米，总建筑面积35620平方米，共6栋建筑。本文介绍的是5号楼。5号楼共17层，建筑高度49.6米，建筑面积4905平方米。

预制构件有预制梁、预制叠合楼板、预制柱、预制墙板、预制楼梯等。预制率为53.5%，装配率为65%。该项目是当地的示范项目，因此该项目的建设过程受到各方的关注，面临很多困难和挑战。

（二）BIM设计阶段的应用

在设计阶段，不同专业的建模人员需要从已有的模型库中选择适合的构件进行BIM建模，对于模型库中没有的构件，则需要自己去做一个参数化的构件，并在做好之后加入模型库以便以后使用。利用模型库可以节省大量的时间。利用装配式建筑模块化的特点，可以把整个项目拆分成标准化的楼梯构件、标准化的梁构件、标准化的外墙构件、标准化的柱构件等，以此减少结构构件种类，为PC工厂的模块化生产提供非常便利的条件。虽然建立BIM模型是分不同专业的，但是可以通过集成的平台进行协同设计，这样就解决了之前传统施工中所存在的各方沟通障碍的问题，并且可以对管线进行碰撞模拟，优化布置方案，提高设计质量，防止后期施工时再修改设计。利用参数化设计，可能在出现问题时轻松修改构件的信息，如在创建楼梯构件的时候（如图1），可以通过Dynamo对其踏板深度进行控制（如图2）。每个构件的信息都被准确地输入数据库中，形成一个数据管理系统，便于项目各参与方进行查询。

图1 楼梯构件

图2 dynamo节点图

（三）BIM在生产阶段的应用

在构件生产阶段，可以利用BIM技术为预制构件的加工提供强有力的保障，实现信息共享，使得设计和生产之间能够无缝衔接。比如在本工程中我们可以通过BIM模型直观地读出各预制构件的空间几何关系，自动生成关于其相关参数和生产流程的信息图表，并将其上传到数据库中。BIM技术的可视化特点，方便了工厂工人的生产和管理，从而提高装配式预制构件的产品质量。由于前期精细化的设计，使人们可以利用管理信息系统直接将信息传递到PC工厂，后者根据设计模型决定其生产流程（如图3）。

生产阶段还有一个非常重要的部分，就是构件身份信息的植入。通过BIM加RFID技术，在构建生产时直接将RFID标签植入构件当中，标签中包含了该构件的位置、尺寸、生产厂商、生产日期等信息，生产完之后由质量检测人员通过扫描二维码的方式读取该构件的所有参数，并在现场检查其参数与实际构件是否一致，生产的质量是否合格，并且将其反馈到芯片当中，之后厂商再将这些检查过的预制构件加以运输，并将运输的信息同样反馈到构件中。这样可以提高厂商的工作效率，提高构件质量。

图3 预制构件模型

（四）BIM在施工阶段的应用

在施工阶段中，可以利用BIM技术在原有项目模型中再加上时间轴，生成含有时间轴的四维模型。可以将之前在Revit中创建的模型通过API导入Navisworks软件中，对其进行进度管理控制（如图4）。预制构件自身不会出现碰撞，因为在设计阶段早已经对其进行了精细化的设计，但是在现场装配的过程中，梁板柱之间或者管线和建筑之间的节点是现浇的，且其中的钢筋非常密集，一旦发生碰撞，将给整个吊装的过程带来很大的麻烦，不论是重新设计加工还是直接在现场修改，都会使整个工期大大延误，也会产生很多的浪费。可以通过BIM技术对此进行施工模拟和碰撞检测（如图5），这样既能够对工程进度有一个准确的整体把控，又可以对某一细微的节点进行讨论，达成提升效率的目的。有了之前所构建的管理系统和植入的RFID标签，可以使现场管理人员很轻松地掌握每个预制构件的信息，并对其进行吊装指导。

图4 施工进度模拟

图5 碰撞检测

通过在该项目当中应用BIM技术，展示了BIM技术强大的能力，但同时也暴露出很多的问题，例如BIM人才的紧缺——既有丰富的施工经验又会建立BIM模型的人才。现在项目各个参与方对BIM的认知程度不同，导致协同作业也存在一些困难。

五、结语

随着社会的不断进步，人民生活水平日益提高，建筑工程的发展理念已经不再是之前的只追求低造价，而是追求绿色环保，力争减少无效的损耗，所以建筑工业化势在必行，而BIM技术就是推动装配式建筑发展的最强动力。BIM技术需要贯穿于装配式建筑的全生命周期，通过BIM技术的普及使用，提升装配式建筑的设计标准化和通用化，通过参数化设计提高设计人员的设计效率，有效提高装配式建筑的质量水平和施工安全水平，目前装配式建筑所面临的成本问题、设计标准问题将是我们未来研究的重点。