基于BIM的装配式建筑精益化质量控制研究

2021-11-15窦慧娟李新乐

大连民族大学学报 2021年5期

窦慧娟，李新乐

(大连民族大学土木工程学院，辽宁大连 116650)

装配式建筑具有节能环保、缩短工期、控制成本、方便施工等优点，符合国家建筑产业现代化的发展要求。2016年国务院提出大力发展装配式建筑，并确定“力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%[1]”的目标。装配式建筑已成为建筑业发展的主要方向，具有广阔的市场应用前景。

装配式建筑是由预制部件在工地装配而成的建筑。和传统施工相比，装配式建筑的施工方法、施工场所及参与主体都发生了变化。装配式建筑将构件先预制，后拼装的施工方法，使其施工场所扩大到预制构件生产厂和施工装配现场。同时构件生产商也成为装配式建筑的参与主体。这些变化导致传统质量控制体系无法保证装配式建筑工程的质量。探索适应装配式建筑的质量控制措施成为当务之急。

近年已有学者对装配式建筑质量管理体系和BIM技术在工程管理中的应用进行了研究。曹江红等[2]构建了基于BIM的施工阶段装配式建筑质量管理体系。吴水根等[3]、齐宝库等[4]进一步对具体装配式建筑的施工质量进行了评估。文献[5-7]将BIM等新技术应用于工程管理过程或装配式构件生产和运输阶段的管理，说明了将BIM等新技术应用于工程管理的价值。已有研究成果为装配式建筑的质量管理提供了有益的参考，但仅对建设过程某个阶段的质量控制措施进行了分析。只有在装配式建筑全生命周期各个阶段，各参与主体共享建筑信息并协同质量管理，才能确保装配式建筑的质量安全。所以，本文利用BIM技术的协同优势和精益化管理理念，来研究装配式建筑在项目立项、设计、构件生产、施工和项目运营阶段的质量控制措施。

1 BIM技术应用于装配式建筑质量管理的优势

《2016-2020建筑业信息化发展纲要》指出了建筑业管理信息化的发展方向，并提出要深入研究BIM、物联网等技术的创新应用。BIM技术具有三维可视化、信息收集动态化、管理工作协同性的特点[2],将其应用于装配式建筑质量管理，具有以下优势：

(1)提升建筑信息传达效率。传统管理过程中，信息传递主要依赖于设计图纸、合同和书面指令等文件。参建各方人员对文件的理解偏差或指令延迟，导致设计、生产和安装之间的信息传递不畅，使各建设过程脱节，成为装配式建筑质量问题的主要原因。BIM技术和互联网结合可以为参与者提供信息共享平台。更新的建筑信息通过BIM平台可实时查看，使信息沟通更快捷，从而避免信息传递错误导致的质量问题。

(2)搭建多方协同的管理平台。质量控制过程不规范是装配式构件质量问题的根本原因。如在质量管理中，重视施工阶段、忽略预制构件生产阶段。构件的生产质量依靠构件生产厂自检控制，缺乏有效的质量监督，易造成装配式预制构件不达标和现场无法安装的质量问题。基于系统管理的思想，装配式建筑质量管理应贯穿全生命周期。项目立项、设计、生产运输、施工安装和运营阶段的参与方，都应成为装配式建筑的质量管理主体。BIM共享云平台的建立，能够协同设计、协同管理，为参与方搭建了共同管理的平台，便于将装配式建筑生产的各个阶段纳入到质量管理体系，实现装配式建筑全生命周期质量管理。且BIM与物联网等技术结合，还可对现场施工作业产品进行追溯，明确质量责任。

(3)有利于精益化施工管理。粗放化的传统管理方式是导致构件安装不合格的管理原因。装配式建筑先预制、后安装的施工方法，要求预制构件的生产和安装部位预留的尺寸要“严丝合缝”。构件生产和施工中，任何超出容许范围的误差都会导致构件安装不合格。将精益化管理思想贯穿装配式建筑质量管理全过程，可以很好的解决这一问题。

BIM云平台为各参与方提供了准确的建筑信息，是精益化质量管理的基础，为装配式建筑质量精益化管理的开展提供了支持。

2 装配式建筑精益化质量管理的实现方法

“精益化”思想源自丰田公司的一种管理哲学。精益化管理的核心理念是: 最大程度的降低各种资源损耗率，以量化、流程化、标准化及协同化作为主要管理特征，以期用最小的资源投入获得最大的价值输出[8-9]。将精益化思想运用到质量管理中，可有效的解决传统粗放式管理带来的各种质量问题。在装配式建筑质量管理过程中采用精益化管理的理念，通过以下几个方面来实现，精益化质量控制模型如图1。

(1)建筑信息共享化。BIM云平台为各个参建单位提供了可共享建筑信息的平台和基础，准确的建筑信息是装配式建筑质量规范化管理的前提。参建各方按照权限读取建筑信息，完成各自工作并保证工程质量。同时参建方要及时做好建筑数据的维护和更新，以确保平台数据的真实准确。例如设计阶段设计变更资料、生产阶段构件生产信息、装配阶段构件安装信息和运维阶段维修保养记录都应及时上传更新。

(2)构件设计标准化。标准化设计可以提高各混凝土拆分构件的设计精度，优化设计方案，完善设计信息。可避免不合理拆分和不完整设计，从源头上控制装配式建筑的质量。

(3)构件生产工业化。装配式构件标准化设计，有利于预制构件厂标准化生产和规范化生产流程的建立，实现模板定型化、材料定量化和生产自动化。生产工业化便于控制装配式构件的产品质量，提高生产效率，降低工程成本。

(4)构件装配程序化。基于BIM的装配式构件安装模拟，可以模拟构件吊装、就位、临时支撑及连接的全过程，确定构件装配过程的质量控制点。在标准化设计的构件安装时，制定规范化的施工流程，按照施工程序进行吊装连接，可以提高效率，减少质量通病。

(5)材料度量精细化。在构件工厂化生产时，所采用的原材料质量、数量、模板尺寸要准确，以保证构件强度，控制构件误差，尤其是预埋件、预留洞口等细微构件的误差，才能保证构件装配的精准性。

(6)维护保养持续化。装配式建筑投入使用后，建筑运维企业基于BIM云平台的建筑信息可制定检查维修计划，定期进行相关部位特别是各种管线的检查维护，发现问题及时处理修补，以保证建筑的正常使用。

3 基于BIM的装配式建筑全生命周期精益化质量控制措施

基于BIM技术信息及时和管理协同的优势，以BIM搭建共享信息平台，贯彻精益化的管理理念，在装配式建筑各阶段的质量管理措施如图2。

图2 装配式建筑全生命周期质量管理措施

3.1 项目立项阶段的质量管理措施

工程实体的质量是决策、设计、施工等各方面各环节工作质量的综合反映。项目决策立项阶段虽然不形成工程实体，但项目方案的优劣对后期工程的质量起到关键的影响。在项目可行性研究中，通过BIM技术对拟建项目建模，利用其工程量计算功能计算不同方案的工程量并大致估算工程造价，利用三维漫游功能对项目的外形、空间布局、结构进行比对。从而综合选定技术可行、经济合理的方案。

3.2 项目设计阶段的质量控制措施

(1)BIM模型协同设计。BIM协同设计的优势有利于设计各专业间的信息共享。可避免传统CAD设计图中各专业之间的信息孤立，从而实现各个专业共享配合。有效避免设计信息传递错误带来的质量隐患。

模型协同设计实时对模型进行处理更新并保持数据的完整，为数据保存、文件交互等提供了最简单的操作方式，是模型整合和信息完善的重要环节。例如，某项目把Revit软件中的建筑模型与Revit-MEP安装管道之间的模型协同，共享模型信息，一处更改，处处更新，实现对模型整体的控制协调。

(2)BIM 碰撞检测及深化设计。在传统二维图纸设计中，由于各专业设计缺乏协同性及图纸不够直观，即使设计经验丰富的人员，也会有一些难以发现的碰撞点。造成工程返工及质量隐患。BIM技术将不同专业整合到同一模型中，利用软件进行碰撞检测，查找范围全面，碰撞点位置精确。通过对碰撞点进行深化设计，减少施工过程的碰撞隐患，提高工程施工质量和效率。

(3)标准化设计。标准化设计、工厂化生产和装配式施工是装配式建筑的显著特点及要求。标准化设计可有效提高设计效率和精度，促进装配式建筑构件生产的工厂化和自动化，可保证构件安装质量。

利用Revit建模软件的“族”功能，可实现装配式建筑构件的标准化设计。“族 ”是具有相同属性构件模型的集合。Revit软件自带一些常用构件及设备的标准族文件，还可利用族编辑器将装配式构件拆分并优化设计，建立自有的标准化装配式构件族库。装配式建筑设计时，可以在标准构件库中“选”和“拼”所需构件，快速建立设计项目的BIM模型。族库中标准化的构件模型包括了详细的设计信息，可避免由于设计信息不完善导致的质量隐患，为构件生产和装配提供信息支持。

(4)保证设计质量的其他措施。利用BIM模型进行虚拟漫游，设计者可“亲身体验”比较不同的设计方案。辅助其他功能分析软件，可为不同用途的建筑设计提供数据支持。例如对公共建筑进行热能分析，根据分析结果选用合适的围护材料；对住宅进行光照分析，判定建筑设计是否满足当地采光要求等。利用这些辅助功能，能够提高建筑结构设计的舒适度和适用性，从而提高设计质量。

基于BIM模型直观准确传递信息的特点，设计方可利用BIM模型辅助设计交底，便于参建单位理解设计意图，在构件生产、安装和施工环节更好的贯彻设计思想，保证工程质量。

3.3 装配式建筑构件生产过程质量控制措施

构件生产阶段质量问题主要由设计信息不全和生产过程管理不精细造成。标准化设计可提供完整的设计信息。BIM云平台信息共享为构件生产阶段读取完整的构件信息提供了可能，构件生产过程中的质量控制流程如图3。

图3 构件生产过程中的质量控制流程

(1)BIM构件生产模拟。利用BIM模型可模拟预制构件的生产过程，明确生产过程的质量控制点及关键工序。在构件生产时，通过设置待检点和见证点，严格控制生产流程，确保构件质量。通过BIM技术模拟构件运输，取得包括装车临时固定方案、构件叠放数量及支点位置等资料，减少构件运输不规范带来的构件开裂、变形等问题。

(2)自动化生产。Jiang Lei[10]在研究调查基础上指出产业化生产是降低装配式建筑生产成本的重要途径。标准化设计是自动化生产的前提，利用BIM技术推行标准化设计，为自动化生产线建立提供了可能，有利于提高生产效率，降低生产成本。成熟的自动化生产线生产的产品合格率高，能极大地消除质量隐患。

(3)新技术的采用。利用射频识别技术(RFID)[7]，将RFID芯片植入预制构件，利用RFID追踪管理系统,可快速定位预制构件，便于构件管理、查找及构件运输过程的位置追踪。还可利用FRID进行快速信息交换和存储，读取预制构件的信息，记录预制构件的设计、生产及运维信息，便于质量管理及责任追溯。

此外，可利用三维数字扫描技术对构件成品出厂前进行扫描，得到成品构件的尺寸及预留孔洞、预埋构件信息，并将信息导入BIM模型中，通过成品和设计信息比对，找出超过误差的构件，控制不合格产品出厂。

3.4 构件安装阶段质量管理措施

(1)利用BIM模拟施工，优化构件安装方案。混凝土构件吊装和构件连接过程复杂，易发生构件碰撞脱落、构件开裂、接缝过大等质量及安全事故。利用BIM技术可视化的特点，模拟预制混凝土构件吊装、临时锚固和构件连接过程，通过BIM模型可查看复杂连接构件之间的相互关系，预先判断风险因素，制定构件安装专项施工方案。

(2)基于BIM的可视化施工方案交底。利用BIM可视化的优点进行现场施工方案交底，明确吊装和连接过程中的注意事项，可提高作业人员的作业精准度，有利于指导现场构件精确安装到位。

(3)基于物联网技术的质量管理。现场管理各方人员基于BIM云平台读取构件信息的同时，还可根据自身管理权限，通过物联网发布指令到BIM云平台，提升质量问题处理的效率。例如，当现场监理工程师发现施工质量隐患，可通过设备扫描并读取构件FRID芯片信息，利用物联网上传构件的图像资料，将质量问题及处理要求共享至BIM云平台，施工单位读取相关信息和指令后及时整改，整改完毕上传整改过程资料及处理结果。通过物联网及BIM云平台提高了质量问题的处理效率，简化了处理流程，并且留存了构件质量管理过程的第一手管理资料。