BIM 技术在装配式建筑中的应用

2020-08-25吴反反孙文静汪德江顾文政

实验室研究与探索 2020年6期

吴反反，孙文静，汪德江，顾文政

（1.上海大学土木工程系，上海200444；2.上海建筑设计研究院有限公司，上海200040；3.上海龙胜建设咨询有限公司，上海200434）

0 引言

近几年，建筑信息模型（BIM）技术已经以各类竞赛形式在高校内推广开来，学生参与度高，对新兴技术接受能力较强，而装配式建筑刚刚从一线城市发展起来，开始逐渐向中国内陆城市大面积推进，但具备BIM技术和装配式建筑设计、施工技能方面的人才严重匮乏［1］，高校更是缺少成熟的项目经验作为教学案例。因此，很有必要从教学的角度去研究现有装配式建筑项目案例，整合项目成果并运用到土木工程专业教学实践中，不断创新土木类课程教学方法，从而提升高校装配式人才储备能力。

发展装配式建筑有利于整个建筑行业节能减排，提高工程建造技术，符合现代建筑产业的发展趋势［2］。国外基于高昂的人工成本，发展成熟的预制加工工厂，预制装配式结构已经在欧美的建筑业中得到了广泛运用［3］。目前我国也通过结构性调整，引领建筑行业逐渐向工业化生产转型。

由于装配式建筑在我国刚刚兴起，因此装配式专业人才严重不足，市场上具备装配式建筑专业技能的工程师数量远远小于市场需求［4］。工业化从生产过程到现场实施组装都需要三维的设计参与，需要大量运用BIM技术、3D打印、VR（虚拟现实）技术等新技术，而这方面的专业技术人员也是严重不足［5］。装配式专业人才的不足严重阻碍了装配式建筑的发展。BIM技术为装配式建筑专业人才的培养提供了很好的手段，将BIM技术与装配式建筑施工相结合，可以让学生从三维的角度了解掌握装配式施工，让学生更为直观地感受装配式建筑，加强学生对装配式建筑的认知，提升学生对装配式建筑施工的了解，无疑将有效解决当前装配式专业人才不足的问题。

伴随着BIM热潮的兴起，国内运用BIM技术设计建造的项目案例不胜枚举。尤其是设计阶段，在碰撞检查、净高分析、管线综合等方面的运用已较为成熟，积累了大量实际项目的实施经验，但将装配式建筑设计与建造和BIM技术相结合的项目案例不多，相关教学案例更是匮乏。国内外许多专家学者研究了高校在BIM技术和装配式建筑方面的培养方案以及课程设置等，例如，赵彬等［6］指出国内高等院校在培养过程中存在的主要问题，并提出打造“双师型”教师队伍的建议。尚春静等［7］提出基于BIM的相关理论课程内容与实践教学模式创新及实施措施。曾在平等［8］着重探讨了装配式混凝土结构融入结构课程的“BIM工作室”实训教学模式。吴智明［9］构建了基于BIM的装配式建筑视角下高校人才培养体系。李秋娜等［10］提出应当打破传统培养模式，通过建设专业群的方式来制定人才培养方案。这些研究促进了装配式建筑课程建设的发展，但上述研究大多是一种理念，缺乏具体的操作指南，很难落实到教学实践中去。同时，在推广过程中会遇到诸多客观条件的限制，未从教学内容出发，分析可能遇到的问题及相应的解决方案。

为此，本文借助实际的项目工程来具体分析BIM技术如何与装配式建筑结合进行指导现场施工的，在此基础上进一步研究如何将项目成果转化成适应于高校推广的教学内容。该研究有利于促进建筑工业化发展，有利于快速构建装配式课程框架，有利于驱动装配式建筑人才培养新模式。

1 BIM技术在装配式建筑现场管理应用课程

BIM技术在装配式建筑现场管理的应用课程是借助BIM技术平台，建立装配式建筑三维立体模型，以BIM模型作为项目信息输出源来管理所有构件和项目施工节点信息，并基于BIM模型模拟现场施工过程，研究优化现场管理方案，最终将研究成果作为教学内容。

这不仅能培养学生在BIM技术和装配式建筑方面的技能，还能让学生真切感受到装配式建造工艺给行业带来的价值，以及运用BIM技术在推行装配式建筑过程中发挥的优势。

（1）BIM技术有利于装配式建筑进行标准化设计。建筑按照使用功能可分类为居住建筑、公共建筑、工业建筑等，它们各自有特定的使用对象和项目特征，比如文教建筑有标准的教室、医疗建筑有标准的病房、商业建筑有标准的商铺等［11］。工业化在做模块化生产的时候，PC工厂需要针对不同的使用功能生产出相应的标准单元，引入BIM技术后，可在设计阶段将这些标准单元制作成“族”，由各类参数控制，形成与装配式建筑匹配的“族库”。对于相似的工程类型，这些参数化的标准单元还可重复使用，大大节省了施工单位在做BIM深化设计时的时间成本。

（2）装配式建筑的兴起其实是建造技术升级的体现。单从精确度这个方面来看，装配式建筑对预制构件的精确度要求很高，仅靠传统的设计施工手段满足不了装配式的构件连接要求，常常会出现钢筋定位与构件预留套筒位置不一致的情况，而且现场进行的补救措施将严重影响到工程的质量以及整个工程的工期。若采用BIM技术，①可以精确建模，②可以实现信息流从设计到建造完整的传递，避免信息缺失，严格把控施工质量。

（3）基于BIM的施工进度计划能够进行可视化仿真模拟。在装配式项目中，将进度计划信息与BIM各专业模型整合在一起，可生成施工动画，达到虚拟施工的效果。该过程包含对叠合楼板、柱、梁等构件及其相关节点连接形式的可视化以及施工工序的模拟，对于构件与现浇结构的连接做法、吊装方案等可通过动态信息展示，让学生直观而又全面了解装配式建筑的建造流程。在实际工程应用中，施工模拟解决了现场吊装涉及的工序问题，同时展示了所有构件在现场堆放的具体位置，保证了整个项目的工期及质量安全，真正实现BIM指导施工的价值。

课程面向高校建筑、土木工程类相关专业，以BIM教学模型作为建设载体，融入土木类实验虚拟仿真平台，打造虚实结合、理实一体化、特色鲜明的课程体系；建成可以满足认知教学、专业教学和实训实操等多方位培养手段的平台；改变传统的教科书式的教学模式，结合数字集成技术以及3D、4D的交互方式，形成多维度且具有创新性的教学模式。

2 课程研发——以装配式实验楼为例

该课程以某装配式实验楼项目作为研究载体，运用最前沿的软件配置，包含三维模型创建载体Revit系列，三维模型交付载体Naviswork，模拟动画载体Synchro 4D，施工进度计划载体Microsoft project等。利用Revit系列建模软件构建项目建筑、结构、幕墙多个三维模型（如图1、图2），模型构建完成后，对模型进行后期处理。在模型中预设好教学使用的相关视图，如专业三维视图，平面视图，节点详图及明细表等，这些视图便于指导老师查阅模型。学生在不熟悉BIM软件情况下，参照简要操作说明，可以方便快捷查找相关模型信息。另外，考虑到现有的教学资源条件有限，不完全符合Revit模型的安装要求，因而可以通过导出轻量化模型技术手段，压缩文件大小，提高其教学适应性。学生不用安装庞大的建模软件，只需安装审阅模型软件，可以明显提高学生的参与度。

图1 建筑幕墙模型

图2 结构专业模型

课程将理论教学与实践教学结合以三维动画的形式呈现，让学生清晰地了解施工现场工序和装配式建筑现场管理的关键技术。以某装配式实验楼为例，课程内容可围绕以下几个方面来设置。

2.1 吊装方案

预制构件从生产、运输到现场安装的整个过程都涉及吊装技术。如图3所示，依据不同构件的受力特性需设计出不同的吊装方案，包括预制楼梯梯段、预制梁、板等的吊环位置，脱模起吊的方式，以及运输构件时的支撑形式。通过模拟现场吊装环境，场地布置情况，可计算出能够覆盖整个吊装区域的回转半径，进而在虚拟环境中模拟机械吊装作业，优化机械设备管理［12］。

图3 预制构件吊装方案

2.2 预制构件连接

装配式建筑具有预制率高、建造效率高等特征，为了满足装配式建筑的整体稳定性及结构安全性要求，构件与构件之间、构件与现浇结构之间的连接节点的处理就变得尤为关键。常见的预制构件之间的连接方式采用机械连接，具有较高的稳定性［13］，如图4则为在BIM模型中模拟的预制柱和预制梁之间的套筒灌浆连接。叠合板常采用的是现浇式连接，并在预制叠合板与现浇结构的连接面设置粗糙面。

图4 套筒灌浆连接

2.3 施工进度动态管理方法

如图5～7所示，将模型的3D对象与资源分配和施工组织计划联动，每一个施工工序所对应的资源配置情况和施工对象在模型中的定位清晰可见，可为制定项目施工组织计划提供更为全面的信息，并能及时预判和发现进度延后的问题。

利用BIM模型模拟施工进度，直观的3D BIM模型以及4D施工工艺展示可实现数字教学与实践教学的一体化，提升了教学效果，有效地让学生掌握装配式建筑和传统建筑的区别，在今后的工作实践中有效地排查不合理的工期计划方案。同时，通过模拟进度管理活动，增进对项目管理任务的理解，提高协同管理的实践能力［14］。

图5 模型构件与资源关系图I

图6 模型构件与资源关系图II

图7 施工进度计划甘特图

2.4 造价管理

与传统现浇项目相比，装配式建筑的生产流程，施工工艺有很大差别，同时也是影响项目直接费和间接费计算的主要因素。此外，政府对预制构件定价标准还不够完善，造价人员的询价工作也较难进行。

目前，基于Revit平台下的明细表功能可以反映项目计量计价相关的信息，在明细表中可清晰预览预制构件的项目特征描述、工程数量等信息。在设计阶段，依据模型算量结果可计算出预制装配率指标，通过提高装配率来降低造价。在施工阶段，装配式建筑构件标准化程度直接影响现场支模周转率，从而影响工程造价里面直接费的计算。

通过分析PC模型构件明细表，学生对装配式建筑的基本构造有直观的认识，对市场上的预制构件厂家的生产现状有较全面了解。指导老师结合预制构件明细表对各节点处理方案形象而又系统地进行教学讲解（见图8），解决了教学内容滞后于行业发展的问题，并提高了学生对装配式建筑相关知识的重视程度。