火神山、雷神山项目中“BIM+装配式”应用优势分析

满吉芳 （辽宁铁道职业技术学院，辽宁 锦州 121000）

新冠肺炎疫情肆虐武汉之时，在全国千万“云监工”的注视下，火神山、雷神山医院飞快地“拔节生长”。短短13天建成2所医院，这令世人惊叹的“中国速度”背后，不仅有数千名建设者的日夜鏖战，更有强有力的技术保障——BIM+装配式。BIM与装配式建筑相辅相成，双剑合璧，发挥了“1+1＞2”的效果，最终确保了“两山”医院的按期交付。

1 火神山、雷神山项目建设困境分析

1.1 常规设计有壁垒，无法按“料”出图

设计单位与项目参建其他各方相互独立，缺乏沟通交流，无法根据资源供给状况开展设计。而“两山”医院项目工期极端紧张，物资设备需求量极大，却又恰逢春节假期，大批工厂放假停工，物资设备供求关系严重失衡。为解决这一问题，设计院必须根据物资设备采购情况，做到有的放矢，实现按“料”出图。

1.2 生产流程显弊端，不易节“时”保“准”

装配式建筑构件常规加工流程：人工统计构件数量和规格—深化加工图—人工加工构件。对于“与死神竞速”的“两山”项目而言，该流程存在两大弊端：一是人工构件统计和加工图深化耗时长，影响施工工期；二是人工构件加工存在误差，无法保证装配精度，甚至导致装配失败。

1.3 项目管理存短板，难以联动作战

“两山”项目参建单位众多，形成“由中建三局牵头，联合武汉市政等多家单位参与，上百家各类专业分包单位配合”的格局。而当前项目管理信息化程度不高，组织协调难度极大，很难实现各单位高效联动作战，各工序无缝衔接。

2 BIM技术在火神山、雷神山项目中的应用情况

2.1 BIM技术在项目设计中的应用

2.1.1 BIM深化设计，实现按“料”出图

为实现快速建造，“两山”医院均采用钢结构箱式房装配化施工，即对钢结构主体进行现场装配式施工，而对集装箱式活动板房进行模块化拼接。建筑设计中标准模块平面尺寸为3000mm×6000mm，而集装箱的平面尺寸为2990mm×6055mm。若直接按“两横+一竖”的原则布置，即病房位置横向布置2个标准模块+走道位置纵向布置1个标准模块，如图1所示，将产生拼装误差75mm（6055-2×2990=75mm），远大于标准模块拼装间隙10～12mm。

图1 “两横+一竖”单元布置（图片来源：作者自绘）

为此，设计人员开展了集装箱BIM深化设计，以走道箱体尺寸为总控，以密拼的方式（缝宽为10～12mm）连接走道箱体。病房箱体间穿过位置仍为密拼（缝宽为10～12mm），而标准模块间分户墙（双墙）位置设有宽缝，最终将拼装误差消除在3个走道箱体（1个标准组）范围内，如图2所示。通过深化设计，将集装箱科学有效地拼装在一起，完美解决了“集装箱型号规格与标准不符”这一问题，完成了精准定位，实现了按“料”出图。

图2 集装箱误差消除方案（图片来源：作者自绘）

2.1.2 可视化协同设计，提高设计精度

“两山”医院为呼吸系统传染病医院，建设中涉及基础工程、土建工程、污水处理、净化工程等多个不同专业。为从根本上解决碰撞问题，设计人员依托BIM协同平台，开展基于同一BIM模型的多专业协同设计，实时进行不同专业BIM模型的协调审查和碰撞检查，有效避免了信息壁垒带来的错、漏、碰、缺等问题，大幅提高了设计精度和设计效率，缩短了设计时间，为项目按期交付提供了保障。

2.1.3 3D场景漫游，优化空间布局

为有效避免交叉感染，最大程度地实现“医患分区，洁污分流”，“两山”医院按“三区两通道”的原则进行内部布局，呈中轴对称的鱼骨状形式，如图3所示。为直观分析医院内部布局的合理性与实用性，设计人员利用BIM技术的3D漫游功能，多角度观察整个医院内部布局，全方位分析其合理性，并根据分析结果，对内部空间布局进行了改进优化，优化后的雷神山医院内部格局如图4所示。

图3 “三区两通道”内部布局（图片来源：全球知识雷锋）

图4 雷神山医院内部布局（图片来源：中国暖通空调网）

2.1.4 BIM正向设计，缩短建设工期

为满足医疗建设相关规范对医技楼开间大小和净高尺寸的要求，“两山”项目中医技楼均采用了钢框架结构。钢框架结构的传统建设流程：基于二维图纸的设计—翻模分析计算—绘制施工图—施工单位绘制加工详图—设计院认可—工厂加工—现场拼装。显然，该模式不适用于“与时间赛跑”的“两山”项目。为此，设计人员对医技楼进行了BIM正向设计，优化了其建设流程。通过TAKLA建模（选择该软件的原因：一是该软件搭建的模型可直接导入MIDAS等有限元分析计算软件；二是该软件可直接导出构件加工详图），将建设流程优化为：TAKLA建模—MIDAS结构验算—导出施工图—导出加工详图—工厂加工—现场拼装。不仅实现了“先建模，后出图”的目标，保证了模型与图纸的一致性，而且加强了设计、施工及构件生产三方的协作，几乎同步完成了结构分析计算、施工图导出和加工详图导出工作，大幅缩短了建设工期，为项目如期交付提供了保障。

2.2 BIM技术在构件生产中的应用

“两山”医院建设期间，千万“云监工”看到的是施工现场忙碌的身影，看不到的是构件生产厂的日夜奋战。为加快施工进度，需在工厂加工完成钢结构主体、集装箱式活动板房等相关构件后，直接运往施工现场进行装配施工。而时值春节假期，大批工厂放假，工人返乡，构件加工成为了项目建设中的一个“拦路虎”。

为成功消灭这一“拦路虎”，实现“用有限的工人加工大量的构件”的目标，构件生产单位将BIM技术与数字化加工集成起来。调用BIM模型后先将其转换成数字模型，再根据该数字模型进行数字化加工。BIM与数字化加工“强强联手”，提高了生产效率，缩短了构件生产时间。同时，构件生产单位直接通过BIM模型导出构件明细表，并据此进行科学排产，深入挖掘自身潜力，优化制约整体产能释放的关键工序，进一步提高生产效率，最大幅度地缩短构件生产加工时间，为“两山”应急项目的按期交付提供保障。

2.3 BIM技术在装配施工中的应用

2.3.1 BIM全过程优化，缩短施工工期

“两山”医院建设中，首先通过BIM施工模拟，对轻钢结构装配顺序、集装箱式活动板房吊装次序以及施工机械走行路线的合理性进行了分析验证，确保了施工技术的可行性和合理性。此外，通过基于BIM技术的虚拟漫游，对挖掘机、推土机、起重机等大型机械设备的布置情况进行了分析，优化了施工现场平面布置，最大程度地减少了因大型机械设备安置不合理而造成的现场拥堵、窝工等问题。最后，利用BIM技术进行可视化交底，通过三维模型将施工技术有效地传递给施工人员，使施工人员直观、清晰地了解施工要点，从而确保装配施工中无差错、无返工。BIM全过程模拟，优化了施工方案，改善了交底效果，缩短了施工工期。

2.3.2 BIM深化设计，辅助施工优化

①BIM管网优化，辅助“跳仓法”施工

雷神山医院原设计方案中每个病区之间均布设有雨、污、废管线，若按该方案施工，不仅需要场内大面积开挖，而且严重干扰集装箱式房吊装工作，降低施工效率。为此，通过BIM深化设计，按“隔一设一”的原则优化管道布设，合并多余管道（图5），辅助室外管网“跳仓法”施工。最终，为箱式房吊装作业提供了足够的工作场地，减少了现场开挖工作量，降低了施工机械投入。

图5 室外管网优化设计（图片来源：作者自绘）

②BIM基础优化，加快施工进度

为简化施工工艺，加快施工进度，雷神山医院还进行了BIM基础设计优化，将原设计方案中的混凝土基础优化为“混凝土条基+钢结构”组合式基础，即外部采用混凝土条基、内部采用梅花形布置H型钢基础。通过基础形式优化，不仅提高了施工速度，而且减少了工程量，降低了施工成本，此项共减少混凝土条基22576m（共计3387m³混凝土），减少管道穿孔1036个，减少劳动力投入约200人。

③BIM屋顶优化，实现快速施工

雷神山医院项目原设计方案中采用钢结构屋顶，该类屋顶不仅存在自重大、工艺复杂、应变性较差等一系列缺点，而且需要提前定制加工，施工周期较长，很显然不符合雷神山医院“时间就是生命”项目要求。为此，通过BIM优化，设计了钢管+彩钢瓦组合式屋顶，如图6所示。该屋顶以钢管（支撑架体）和槽钢（檩条）为屋顶支撑体系，以彩钢瓦为屋面板，并通过在四周设置缆风绳予以加固，四措并举，不仅满足了屋面的功能要求，而且实现了快速施工的目的。

图6 钢管+彩钢瓦组合式屋顶BIM设计图（图片来源：李文建等.武汉雷神山医院项目施工阶段BIM应用［J］.第九届“龙图杯”全国BIM大赛获奖工程应用文集.228-233）

2.3.3 BIM信息化施工管理，提升管理水平

“两山”项目均采用了基于BIM的信息化施工管理，通过统一协调管理，实现了高效联动作战，确保现场几十道工序齐头并进，近千台各种大型机械设备和几千名工人有序作业，各道工序有序衔接、无缝对接。

①BIM-QR系统，实现钢结构高效建造

“两山”项目中涉及大量的钢结构施工，施工工艺复杂，施工组织协调难度大。为实现精细化管理，施工单位自主研发了“BIM-QR系统”，其结构图如图7所示。BIM-QR系统的应用，实现了原料采购、构件生产、构件运输和质量验收全过程信息化管理，大幅提升了精细化管理水平。

图7 BIM-QR系统结构图（图片来源：作者自绘）

②起重荷载计算系统，实现地基承载力“速算”

为确保“两山”项目按期交付，近千台各种大型机械设备和运输车辆需同时进场，这对地基承载力提出了很大挑战。为检核地基承载力是否满足要求，施工单位研发了“轮式及履带式起重机行走及起重荷载计算系统”，仅用1天时间就算出了汽车吊、履带吊的行走和吊装作业时的地基承载力，为机械能否进场作业给出了明确的“答复”。

③智能化物流管理系统，实现集装箱全过程信息跟踪管理

项目部针对集装箱式房安装环节自主研发了“基于BIM的智能化物流管理系统”。该系统以BIM技术为核心，综合应用物联网、互联网、大数据等新一代信息技术，通过信息录入、查询管理、入库检查与审核、现场吊装管理等方式，完成集装箱式房数据自动采集、信息交互和智能分析等工作，实现“深化设计—下单管理—工厂生产—物流运输—入场跟踪—质量验收—安装管理”全过程的信息跟踪管理。该系统的研发应用，完成了BIM技术与集装箱调度管理的深度融合，有效促进了集装箱式房快速安装，仅用72小时就将火神山医院1832个箱式房安装到位。同时，雷神山医院3700余个集装箱也在短时间内安装完毕。

3 “BIM+装配式”在火神山、雷神山项目中的应用效益分析

3.1 BIM技术多维度服务装配式建筑，大幅缩短了施工工期

“两山”医院的迅速建成，向全世界展示了“中国速度”。而“中国速度”的背后，是BIM技术与装配式钢结构强有力的支撑。“两山”项目建设过程中，BIM技术“身兼数职”，从提高设计效率、加快构件生产速度、提高装配施工效率三个维度服务装配式钢结构，大幅度缩短了施工工期，最终确保了项目的按期交付，为全国抗击新冠肺炎疫情争取了战略主动。

3.2 项目全过程BIM技术应用，有效降低了建设成本

“两山”项目涉及大量的资金投入，且由于工期极端紧迫，以目前的工程管理水平，很难有效地控制项目投资。而BIM技术全过程应用，从根源上杜绝了这一问题的出现。首先，基于BIM技术的多专业协同设计，减少了设计中表达模糊、构件碰撞等问题，降低了设计变更带来的额外支出。此外，基于BIM技术的施工模拟，优化了施工方案，确保装配施工过程中无差错、无返工。第三，智能化施工管理系统，实时监控建设过程的每个环节，保证建筑材料性能发挥到最佳状态，有效降低了建筑材料的损耗，提高了资金使用效率，降低了工程建设成本。

3.3 基于BIM技术的项目管理，实现建设质量的有效管控

“两山”医院为应急呼吸系统传染病医院，建设质量绝不允许有任何问题。为此，项目管理方自主研发了基于BIM技术的协同管理平台，打通了项目参建各方的信息壁垒，将传统“串行模式”转变为以BIM模型为中心的“并行模式”。从项目全生命周期的角度出发，实时监控项目设计信息、采购信息和施工信息，将片面的结果控制转变成了全方位的过程控制，实现了对建设质量的有效管控，有效保障了“三边工程”（边勘测、边设计、边施工）的建设质量。

4 结论与展望

“两山”项目的迅速建成，充分展现了“BIM+装配式”的优势，装配式建筑因“工厂化程度高”而大幅度缩短了施工工期，BIM技术则从提高设计效率、加快构件生产速度、缩短装配施工时间三个维度服务于装配式建筑。二者相辅相成，构成互补，最终确保了“三边工程”的顺利实施，创造了令全世界惊叹的“中国速度”。但是，二者目前尚未达到“可产生化学反应”的深度融合，未来，还需继续探索促进BIM技术与装配式建筑深度融合的途径，进一步提高BIM技术在装配式建筑中的应用价值，以有效助推装配式建筑产业化发展。