BIM技术在装配式建筑中设计与建造应用研究

王 会

(连云港职业技术学院，连云港 222000)

引言

装配式建筑是指预制构件在工厂生产加工，在施工现场装配而成的建筑。装配式建筑与传统建筑相比，在施工效率、施工精度、施工质量以及绿色节能等方面具有较大优势。装配式建筑的发展促进了建筑产业转型升级，有利于节能环保、提高生产力。2016年2月国务院出台《关于大力发展装配式建筑的指导意见》的文件，提出力争到2026年，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。在国家政策的指导下，全国各省市因地制宜发展装配式建筑产业，预制装配式建筑已成为建筑产业的方向标。

然而装配式建筑在建设的过程中，涉及设计、生产、运输和装配等多个环节，具有显著的集成性和系统性特征，须采用一体化的建造方式。特别在设计和施工环节中，对信息有大量需求[1]，如果某一环节出现信息不对称，信息传递不及时，都会导致施工环节出现问题，从而影响工期和工程质量。为了解决上述问题，提高装配式建筑建造中参建各方的协同工作效率，在装配式建筑设计和施工阶段引入BIM技术，发挥BIM信息共享和集成优势[2]，促进装配式建筑产业更好地发展。本文以某装配式住宅项目为例，提出了BIM技术在装配式建筑应用的基本流程，采用多款BIM软件交互应用，探究了BIM技术在装配式建筑设计、生产和施工阶段的应用价值，为今后BIM技术在装配式建筑全寿命周期的应用提供参考[3]。

1 项目概况

本项目为苏州市虎丘C地块保障房建设项目11#住宅，建筑面积8 219.56m2，地下一层，地上18层，总高59.7m，结构类型为装配整体式剪力墙结构，抗震设防烈度七度，抗震等级三级，建筑设计使用年限50年。本工程按民用建筑工程设计等级为居住建筑一级，建筑耐久年限50年，耐火等级地上二级、地下一级； 屋面防水等级I级，项目的三维效果如图1所示。

图1 建筑三维模型

2 BIM技术在装配式建筑中应用的基本技术路线

现阶段装配式建筑的设计流程，不少设计院是在传统设计基础上增加了构件的拆分及深化设计，尽管设计方法比较成熟，但由于装配式项目加工和装配的精细化程度较高，协调难度较大，如按照传统设计方法和施工手段，造成大量的信息不对称，严重影响了建造的效率和质量。基于BIM 技术的装配式设计，优化了传统的设计流程，其最大的特点利用 BIM 模型库，采用模块化的设计手段，将整个设计流程串联起来，从而提高设计效率。首先运用建筑信息化BIM技术对建筑物前期的方案进行日照采光、自然通风等性能化分析，选择最优的户型组合方式。根据建筑模型进行结构部分以及MEP部分的组装，再将全专业的 BIM 模型导入到Navisworks、PKPM-BIM等专业软件，计算分析整体模型的结构和造价的合理性。最后，在 BIM 模型库中选出相匹配的构件模型进一步深化调整，优化后的信息传递至加工厂进行批量生产。BIM 技术的应用贯穿了装配式建筑的模块化设计、加工和装配的全过程，其数据高度集成，提高了装配式建筑施工效率，具体的实施流程如图2所示。

图2 基于BIM的装配式建筑设计施工应用流程

3 BIM技术在装配式建筑设计阶段应用

3.1 三维可视化协同设计

装配式建筑是集设计、生产、施工、装修和管理为一体的集成化建筑，相较于传统建筑集成化程度较高，全生命周期的各阶段都需要各专业人员共同配合才能完成项目建设。如按照传统的二维协同化设计，以二维图纸交付，将存在信息沟通不畅，造成较多的错漏碰缺等设计问题。为此，本项目在设计的过程中，采用了工作集协同设计方式，通过工作集将项目的建筑、结构和机电进行分解，将分解的子项目分配给多人协作完成，如双方设计内容有交叉，可以直接基于三维模型进行线上交流，向对方发送申请编辑权限请求进行修改，最后将完成的设计成果通过局域网同步上传到服务器的中心文件，实现专业间及专业内部之间设计信息的有效传递和交流，减少设计变更。因此，基于BIM技术可视化协同设计特点，能串联起装配式建筑设计、生产、施工、装修和管理的全过程，使得设计过程运转流畅，实现了BIM技术的真正价值[4]，有利于装配式建筑精细化施工和管理，提高了建造效率。

3.2 预制构件深化设计及校验

由于装配式建筑的特点，BIM模型整体拆分界面不明确，单一预制构件族设计完成后，在模型组装的过程中容易出现构件拼装碰撞，尤其是构件外露的钢筋在墙板、梁柱交界处，极易产生钢筋的位置冲突，此外灌浆套筒和连接钢筋也容易产生错位，同时预制构件设计过程中机电管道洞口未预留，使得水暖电部件和预制构件发生冲突[5]，需要现场重新开槽开洞进行安装，影响施工进度。为避免出现上述问题，在本项目中将Revit创建的模型导入到PKPM-BIM协同设计平台，采用PKPM-PC拆分模块对模型进行三维拆分，拆分过程中同时考虑运输尺寸、吊装的重量以及装配的模数化，匹配工厂和构件库中现有的构件。当墙、板、柱和楼梯等预制构件完成拆分后，将预制构件进行三维预拼装，最后将拼装后的模型整合到Navisworks平台，进行碰撞检测、施工模拟，提前发现施工过程中可能出现的冲突问题，从而深化调整，最终将优化的预制构件通过软件PKPM-PC导出加工详图和材料统计表，将BIM模型深化数据信息提供给构件厂智能化加工，提高装配式建造效率，预制墙板构件深化模型及加工图如图3、4所示。

图3 预制构件NQY30-2墙板深化模型

图4 预制构件NQY30-2墙板加工图

3.3 管线分段和支吊架设计

在机电设计阶段，采用品茗HiBIM机电深化功能对本项目的水暖电专业进行了深化设计，依据优化后的全专业模型进行机电预制和管线分段，分割范围结合实际采用了单根、整段管线，以及管线类型的方式进行分割，暖通、桥架以及管道分段连接采用了风管法兰、桥架连接片和管道卡箍连接方式，通过对分段的管线进行编号、管线统计和预制出图，得到了本预制机电工程安装工程量和下料加工图，为项目后续施工提供了准确的资源采购计划，避免工期延误。

在机电安装准备阶段，本项目提前进行支吊架设计、选型和布置(如图5)，并进行承载力验算，对不合理的进行调整直到验算通过，最后导出支吊架计算书，作为验算的记录报告。在验算过程中主要设置支吊架规格、管线的规格类型、材质密度以及支吊架的布置间距，通过验算，可以得出支吊架的选型和布置是否符合规范的要求，如图6表示支吊架跨度验算不满足要求，主要由于支吊架布置间距3m超过了最大间距2.6m要求，其它杆件、焊缝、膨胀螺栓以及根部底板满足验算要求。优化调整验算通过后，对支吊架进行编号、按楼层统计支吊架规格数量、长度和重量，提高了支吊架施工效率。

图5 暖通分段和支吊架设计三维效果

图6 支吊架验算

3.4 立面砌体排砖深化设计

由于装配式建筑精细化施工的要求较高，为了使砌体砌筑精准定位达到设计的效果，必须提前做好策划。本项目采用基于Revit平台的HiBIM软件土建深化功能，对外墙砖块进行精准定位(见图7)，根据项目的要求，实现一键智能砌体排砖，直接指导施工[6]。通过应用BIM技术的可视化砌体排砖功能，设置砌体墙、塞缝砖、导墙的材料类型，调整相应的尺寸，结合现场实现砌体墙的单面和多面墙排砖、同时根据砖匹数修改构造柱槎高，导出砖的excel形式的材料统计表(表1)和砌体排砖CAD大样图(见图8)，根据计算出的砌体砖，塞缝砖以及导墙砖的使用量，制定了准确的材料采购量计划，在项目中指导工人精准施工，节约材料的消耗量，使砌体施工美观。排砖的过程中还考虑了砌体墙内设置有构造柱、圈梁以及翻边的情况，优化砖的最终排布方案，方便工人施工，最大化节约材料。

图7 BIM技术排砖立面深化效果

图8 排砖CAD大样图

表1 局部墙体排砖报表(JZQ 200MM)

4 BIM技术在装配式建筑加工和施工阶段的应用

4.1 预制构件生产阶段BIM的应用

在装配式预制构件生产加工阶段，采用PKPM-BIM协同设计系统平台将设计数据，通过自动接收、构件库选择和Excel导入等多种方式传递到PC构件加工厂，实现预制构件设计阶段的图纸信息、关键工序的钢筋以及预埋件信息和生产加工阶段无缝对接。对构件的生产过程，生产进度、以及生产的状态和工序，通过PDA和二维码的形式采集记录每道关键工序信息(如图9所示)，使构件的加工参数信息和BIM平台设计数据信息实时同步，避免预制构件的生产错误、提高了构件生产效率[7]。

图9 预制构件加工信息采集与管理

本项目采用基于RFID技术的生产管理信息系统，以预制构件BIM模型为核心(如图10、11)，与生产管理信息系统进行链接形成生产数据库，以计算机辅助制造(CAM)为手段，以物联网(IOT)为媒介，通过BIM技术为设计院和构件厂提供数据传递和交互的平台[8]。在预制构件生成加工过程中，通过生产管理信息系统，实现生产设备对BIM信息的自动识别和自动化加工(如图12)，通过RFID和生产管理信息系统的综合应用，合理安排排产计划，整个生产流程采用电子交付方式，提高本项目预制构件生产效率。构件出厂前，按照BIM拼装模型中设定的构件编号，在装配式建筑构件贴上RFID标签(如图13)，经阅读器扫描出厂，出厂记录直接反馈于管理系统，通过RFID进行构件生产信息跟踪追溯，实现产品的智能化管理[9]。

图10 钢筋混凝土叠合板YB-8a模型

图11 钢筋混凝土叠合板YB-8a细部尺寸

图12 信息化自动加工流程图

图13 二维码智能化管理

4.2 三维场地布置应用

通过BIM施工策划软件，导入坐标点高程数据生成了接近实际施工现场的地形地貌，采用分阶段建模的方法，依据总平面图完成三维场地布置。通过布置安全文明施工的参数化模型，创建标准化的工地，同时可外接AR设备，实现场地三维全景漫游，增强可视化效果，可视化交底，使施工人员快速了解现场环境以及安全隐患。在项目前期施工准备阶段，根据平面布置的原则和规范，采用BIM技术对现场材料的堆放和布置进行模拟，减少二次搬运[10]。通过对塔吊吊运覆盖整个施工面进行模拟，减少多塔吊起重臂交叉，同时对预制构件的吊装施工模拟，提前优化场地布置和现场的行车路线，将施工安全问题提前暴露出来，及时解决，避免在实际作业过程中，出现安全隐患，产生较大的变更，严重影响项目的工期和质量。

由于本项目地处核心区，周边环境复杂，通过利用策划软件进行场地布置和施工模拟(如图14)，复核材料运输通道、PC构件的吊装方案，优化场地布置，最终施工现场的场地利用率提高约10%，各装配构件的堆场冲突率下降约20%，累计节约工期约20日[11]。

图14 项目三维场地布置

4.3 BIM5D施工模拟和全过程管控

品茗BIM5D是以BIM三维模型和数据为载体，通过关联施工过程中的进度、成本、质量以及安全等信息，为项目提供精细化管理的数据支撑。本项目通过 HiBIM 软件将.rvt格式的BIM 模型通过导入导出功能模块，导出为BIM5D所支持的 pbim 格式文件，通过采用BIM5D施工模拟建造过程分析，对本项目实际进度和成本与计划进度和成本进行对比，导出了偏差分析报告，找出了影响施工进度和成本偏差主要原因，并在后续装配施工过程中，对构件的现场吊装、结点的连接和灌浆等关键节点的施工方案进行了优化，最终缩短工期20天、节约成本150万。BIM5D模拟建造过程演示如图15所示，本工程还采用BIM5D技术对项目的施工质量和安全进行了管控，通过实时采集现场的质量和安全问题，云同步上传照片和文档，对项目进行变更动态管理，将变更信息与BIM模型进行关联，掌握施工过程结算和竣工结算时变更资金的去处。在项目实施的过程中，通过材料统计功能，导出项目的清单、定额以及钢筋工程量，提前做好了资源的采购、备料计划，保证项目顺利实施。

4.4 BIM可视化信息综合管理

品茗CCBIM是一款轻量化的移动用模工具，能够将BIM模型、CAD图纸等文件同步至移动端随时随地进行查看，并且将移动端采集的数据在后台集中管理，有利于数据的可追溯性，支持基于文件发起任务和评论，使项目参与方协作更快捷、更高效。

本装配式项目实施过程中，将BIM5D、Revit模型以及CAD文件导入到PM-CCBIM管理平台，参建各方基于平台进行在线浏览、问题沟通交流，业务流程管控，通过CCBIM发起任务实现多维度全过程信息协同，提高施工和管理效率。在CCBIM平台应用中，施工员在移动端轻量化查看模型并进行技术交流，现场的巡视人员通过WEB端、PC端上传并管理模型及文件，利用移动端查看并采集现场质量、安全和进度等有关的问题，同时将出现的问题数据信息同步上传至CCBIM管理平台，负责人通过平台及时了解问题，在规定时间内快速进行整改优化，实现高效的质量安全问题处理[12]，提高了装配式建筑的施工效率，CCBIM可视化项目管理流程如图16所示。

图16 BIM可视化项目管理流程

5 结论

BIM技术在装配式建筑设计、预制构件加工以及施工阶段的深化应用，能较好地实现装配式建筑预制构件的标准化设计和生产，能够准确直观地表达设计意图，提升拆分及深化设计质量。通过BIM技术的三维策划与施工模拟，有助于优化施工现场和施工方案，采用BIM5D和CCBIM技术对装配式施工进行全过程管控和信息化管理，提升装配式项目的建造效率和质量，实现装配式建筑产业高效发展。