装配式建筑设计与施工管理中的BIM应用研究

装配式建筑把传统建造方式中的大量现场作业工作转移到工厂进行，在工厂加工制作好建筑构件和配件，运输到建筑施工现场，通过可靠的连接方式在现场装配安装而成，因为采用标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理、智能化应用，是现代工业化生产方式的代表。与传统建筑相比，装配式建筑具有设计标准化和安装专业化的特征，在工程实践中需要做好二者的协同管理工作。BIM技术作为建筑全生命周期信息管理的主要工具，有助于解决装配式建筑面临的各阶段不协调、信息收集困难等问题，是新型建筑工业化发展的推动剂。对于装配式建筑，借助BIM技术，通过实时信息共享和先进的模型构建，可以有效促进装配式建筑设计与施工管理，推动智能建造与建筑工业化的协同发展。

1.BIM技术在建筑设计及施工中的应用

1.1 装配式建筑协同设计及优势

为了在预制建筑设计阶段发挥BIM技术的作用，对整个设计流程进行优化，该过程分为四个阶段：原理图设计、预制组件库的形成和改进、BIM模型的建立和优化以及组件深度设计。

现有的预制建筑设计交付目标是二维工程图，基于BIM技术的预制建筑设计目标的BIM模型可以自动生成二维建筑工程图，减少了人为操作的环节，因此可以节省大量的人力物力。

通过整体分析和拆分设计的传统预制建筑物的设计思想，不可避免地会对各种预制构件的生产带来影响，从而使设计构件与工厂生产的构件不匹配，导致出现基于BIM技术的更多设计返工和组装。模块化体系结构设计的关键是构建预制组件库，大部分组件都是从预制组件库中选择的，没有独特的设计结构，可以与工厂内生产的组件进行结合，极大地提高了预制建筑物的设计和工厂生产的效率。

1.2 BIM技术应用点

1.2.1 BIM技术在建筑设计中的应用点

在建筑设计中，需要对预制组件库进行设计，构建一种基于BIM技术的设计方法，通过提供预制构件来支持模型的设计。而要完成预制组件，就必须要对组件的配置和管理进行完善，在组件不同类型的选择上分辨出各种信息，最后形成构件入库进行管理。

BIM技术的协同设计支持不同的设计单位在同一平台上采用同一标准进行各自的设计部分，不同单位获得的信息是相同的，互相可以共享设计成果，之后再将设计有机结合，保证信息传递的准确性与高效性，提高工作效率。采用这种技术，在进行设计时可以实现多个团队和技术人员进行同时合作，保证构件之间的无缝隙搭接。

这种技术在工程量上有两个方面的作用：一是对装配式项目中所有预制构件、所需部品在类别和数量上进行统计；二是对每个预制构件所需的各类材料进行统计，以便给构件生产商提供所需的物料清单，使项目在设计阶段就能够进行初步的概预算，实现对项目的把控。

1.2.2 BIM技术在建筑施工中的应用点

BIM技术在建筑施工中的应用点主要包括施工质量控制、进度计划和成本控制。预制建筑施工质量控制的重点是针对影响质量的因素采取质量控制措施：一是针对人员和机械因素的措施。加强对施工人员的专业培训，避免出现由于施工人员的操作而带来的质量问题；二是针对材料因素的措施。在项目的构配件运送至施工现场时，施工方需要检查构件的质量情况，并选择合适的场地安放构配件，由专人负责管理；三是针对方法因素的措施。在施工前，施工单位应借鉴已有的施工经验，针对项目的特点，选择合适的施工方法，编制该项目的施工工艺标准。

基于BIM技术的调度管理可以实现工程量的自动统计，确定人员、材料和机械的消耗，支持调度准备，提高调度的准确性和效率。进度表的准备工作完成后，工作人员可以检查进度表的合理性，并使用BIM软件的施工模拟功能来优化进度表。在施工过程中，通过扫描预先附着于构件中的标签，可以将实际进度和BIM模型匹配起来，创建实际进度和目标值的比较文件，实时比较实际进度和目标值，并调整时间偏差。

装配式建筑施工阶段包含多个方面的内容，无论是项目的成本管理还是成本预算的控制上，都存在着较多的管理内容需要处理。因此，在进行装配式建筑施工时，需要考虑到该工程项目的成本预算，对于编制的成本预算的计划也需要进行数据的及时跟踪，以保证数据是可控的。在施工准备阶段，施工单位根据工程量计算、资源计划和资金计划计算项目的预测成本，制定项目的成本计划（包括成本管理和控制规划）。在项目实施过程中，为了根据已制定的成本计划确定影响预制房屋建筑成本的因素，定期计算项目的实际成本，对计划成本进行偏离分析，以弥补不足之处。基于BIM的建筑成本管理可以自动计算最新的工程数量，并支持成本估算，工程进度付款和工程结算流程中的成本计算，有助于成本的精细化管理，施工单位可以根据需要，按照时间、区域、分部分项工程、构件等完成工程量的提取，获取对应的造价，有效帮助管理人员进行人-材-机计划的制定。

2.协同管理应用平台设计

在预制建筑设计与施工的协同管理阶段，需要多个方面的参与主体进行共同合作。参与单位由业主、测量单位、设计单位、建筑单位、监理单位和预制件生产厂组成，每家参与单位的协同管理流程图如图1(a)所示。预制建筑设计与施工协作管理平台，通过对预制建筑设计与施工阶段对协作管理平台的需求分析以及BIM技术在项目管理中的应用分析，采用B/S模式，并使用Revit软件生成BIM模型。由于每个阶段的模型都是轻量级的，信息存储在MySQL数据中，而Web和移动终端旨在提高建筑工地工程管理的水平和效率。预制房屋的设计和施工阶段涉及不同的单位，为了实现不同单位之间的协同管理，提高整体的工作效率，该平台配备了API接口，从而使各参与单位的内部管理系统和系统管理平台实现了数据传输，协作管理平台的计划技术路线如图1(b)所示。装配式建筑设计施工协同管理平台采用双核心理念实施项目管理工作，以时间线控制项目协同管理流程，预制件部品库作为平台协同管理的数据核心，平台的具体架构如图1(c）所示。

图1 协同管理应用平台设计

图2 装配式混凝土建筑案例方案设计

3.装配式混凝土建筑案例

该项目为江苏某人才公寓一标段项目，建筑结构形式为预制装配整体式框架-剪力墙结构，项目整体装配率为53%，预制率为23%。该项目的预制构件主要包括水平构件，例如预制层压板、预制层压梁、预制空调板、预制楼梯以及垂直构件，还包括预制夹层外墙、预制内壁和预制外叶片。为了更好地实现该项目既定的建设目标，有必要将BIM技术应用于该预制建筑项目的整个设计和施工过程，并且应用BIM技术将为该项目的预制建筑评估带来更多好处。

3.1 方案设计

由于我国在建筑工作上的特殊性，在建筑工程上有着一套完整的流程，以绿色建筑为例，在进行绿色建筑时，主要是为了能够保证环保性和节能性，在设计初期，首先需要进行绿建分析，包括绿建模拟分析模型、室内风环境模拟、室内天然采光计算分析、视野综合计算分析、建筑构件的室内室外隔音效果的分析等。在完成分析后，针对分析结果不断优化，以达到建筑节能最大化。以采光分析为例，设计人员在软件中输入规定性指标（包括计算配置、计算房间、计算方法、窗材料、构件、顶棚高度和内饰面），软件能自动计算出建筑的采光效果图，如图2(a)所示，橙色、黄色代表采光比较好，蓝色代表采光不佳，该项目采光基本达标。

在相关基本规范的基础上，采用PKPM软件完成装配式建筑BIM模型的设计。装配式建筑的设计应遵循模块化原则，设计时应划分为标准模块和可变模块，以方便构件的生产和组装，图2(b)为标准层的平面组装示意图。在完成三维建筑的设计之后，就能够形成更加立体的剖面图形。

在预制建筑物的机电设计中，对于最关键的部位，需要了解预制组件当中管道的预嵌入，以便预制组件在设计和生产过程中准确地定位和保留预制的管线、盒子、孔和套管。该项目的机电设计包括暖通、给排水和电气三个专业，设计时尽量减少管线在预制构件的预埋。电气设计师使用PKPM软件来设计三个主要模型：HVAC、给排水和电气。机电专业的设计结果如图2(c)所示，暖通专业的设计与建筑专业配合，以计算设备和管道的安装位置，软件中缺少的构件由设计人员自定义构建；给排水专业在排水时遵循的是竖向管线的集中原则，包含多个系统的排水功能；电气专业的设计与结构专业配合，管线采用沿顶棚暗敷的方式，为了区分装配式建筑和传统的现场浇筑混凝土建筑的区别，设计人员在电气专业做了预埋件。

3.2 优势分析

3.2.1 碰撞检查

在进行相关的碰撞检查时，单个专业的碰撞测试包括结构和机电碰撞测试。在结构专业领域完成BIM模型的设计后，PKPM软件可以自动完成碰撞检查，设计人员可以根据图3(a)逐一检查碰撞信息。设计人员通过修改钢筋细节参数（主要进行梁的参数设定），以解决碰撞。

3.2.2 工程量统计

与现浇混凝土建筑物不同，预制建筑物结构的工程数量统计主要用于指导工厂生产零件，为构件生产厂商提高所需物料的清单。工程量统计包括预制构配件的种类、数量以及每个构配件所需的材料。建筑专业和机电专业的工程量统计与传统现浇混凝土建筑相同，完成BIM模型的创建后软件就可以自动读取、分析模型中的设计数据，实现工程量的自动统计。

3.2.3 施工模拟

图3 优势分析

基于BIM虚拟施工技术，使用4D模型根据施工进度表对施工过程进行重复仿真，并以动画形式提供仿真结果。通过对施工进度表的模拟，施工单位发现了潜在的工作顺序错误和冲突，纠正了施工进度表并制定了响应计划，以指导实际施工，从而使项目能够顺利完成。

施工场地布置是为了合理布置现场的道路、临时建筑、材料仓库、设施设备等，确保现场施工顺利进行，应遵循以下三点：一是场地的布置要尽可能地减少空间占用，保持环境的整洁和道路的畅通；二是施工时最好是单个工总施工，避免多个施工单位同时进行干扰；三是施工场地的布置由专人负责管理，确保设备安放、材料堆放、临时设施的建设等满足已审定的施工平面布置图的要求。基于建立的三维BIM模型，该项目以三维的形式进行施工场地布置，合理安排塔式起重机、办公场地、生活场地、构件堆放场地、道路等位置，解决现场场地划分问题。此外，在施工场地布置完成后，施工单位以BIM模型的形式与业主沟通，对施工场地进行优化，为项目选择最优的施工路线，如图3(b)所示。

4.结语

本文首先对装配式建筑协同设计及优势、BIM技术在建筑设计和施工中的应用点进行了分析，提出了协同管理应用平台的设计思路，并以江苏某人才公寓项目为例，对BIM技术在装配式建筑设计及施工管理中的应用展开深入研究。研究发现，在装配式建筑设计及施工管理中，充分考虑装配式建筑的特性和BIM技术的优势，将二者进行有机结合，通过实时信息共享和先进的模型构建，可以有效促进装配式建筑设计与施工管理，为推动智能建造与建筑工业化协同发展奠定坚实基础。