基于BIM 技术的装配式住宅建设管理研究——以北京市某装配式住宅为例

■ 邢超雲 XING Chaoyun 王 薇 WANG Wei 干申启 GAN Shenqi

0 引言

近年来，建筑行业迎来发展的高速时期，BIM（Building Information Modeling）技术应用与研究在国内掀起了一场建筑革命。BIM 技术将传统的建筑二维平面图发展到三维可视化模型，将施工设计与深化设计、施工过程与施工管理紧密结合，实现建筑从设计到施工管理，再到后期运营的全生命周期管理。国内运用BIM 技术与工程实例结合的成功案例越来越多，例如，大兴国际机场通过BIM 技术协同设计平台，将上百人的设计团队整合，从方案设计到施工图的完成仅用了一年的时间；上海世博会博物馆应用BIM 协同管理平台，来自不同地方的参与方实现统一管理。此外，BIM 技术还在杭州奥体中心主体育场、重庆国际马戏城、济南大剧院等项目中有一定的运用。2020 年我国新冠疫情期间，武汉火神山、雷神山两座医院的建造，从设计、施工到交付使用仅用10 天，创造了建筑行业的传奇，这得益于BIM 技术的全过程参与。

近年来，国内外学者从不同角度对BIM 技术在装配式建筑中的应用进行分析研究。如寇园园、王淑嫱和冯晓科[1-3]探索了BIM 技术在施工管理中的应用；王巧雯、林树枝和胡延红[4-6]开展了基于BIM 技术装配式建筑协同管理平台的研究；舒欣、徐鹏飞和周文波[7-9]根据实际项目分析了BIM 技术在装配式建筑工程中的应用；吴大江[10]探讨基于BIM 技术的装配式建筑一体化应用；刘丹丹[11]提出BIM 不同软件间相互配合达到最优设计施工方案；张健[12]分析BIM 应用框架和系统流程；薛茹[13]分析信息化建模技术下装配式建筑施工的问题及对策。综上学者对装配式建筑与BIM 技术的研究，主要集中在通过BIM 技术实现施工过程的管理或者建筑工程全生命期的应用，但对建造过程管理研究不够全面。

装配式建筑的建造管理不仅是施工过程的管理，还包括设计阶段和施工准备阶段，这三个方面在BIM 技术的协调下更容易实现应用价值。目前，装配式建筑设计与施工过程的衔接与管理还不够完善，因此，研究BIM 技术对实现装配式建筑建设过程的精细化管理，具有更重要的理论与实践指导意义。

1 BIM 技术的内涵及优势

1.1 BIM 技术内涵

BIM 技术的出现和发展，实现了贯穿建筑全生命期的各项数据信息集成、共享，是建筑建造智能化控制管理的基础。BIM 技术的应用推动现代建筑向信息化、智能化、产业化发展，是现代化建筑行业转折性的变革。

BIM 技术发展主要分为三个时期：早期BIM 系列软件搭建模型时期，以数字化精确建模；中期BIM技术辅助施工生产，从早期策划、设计、生产、施工，到后期的运营维护全生命期；现在是BIM 建造管理时期，利用BIM 平台进行信息共享与实时管理控制。

1.2 BIM 技术优势

BIM 技术是继CAD 技术之后建筑行业的又一革命性技术，与CAD相比较有以下优势：①相较于CAD的二维平面设计，BIM 的数字化模型属于多维度信息模型（3D 模型、4D 时间模型、5D 成本模型），实现参与建筑全生命期建设；②BIM+技术是对建筑信息标准化的二次开发，实现使用者对具体问题解决的需求；③建筑建造全过程的各参与部门在BIM 应用管理平台上，实现数据信息资源共享，协同管理。

2 BIM 信息协同管理研究

2.1 信息参与主体

装配式建筑的建造过程是集人、材、机械、资金为一体的复杂的动态过程，涉及多个参与方，按照对建筑影响的程度分为直接参与方和间接参与方。直接参与方对建筑的最终呈现效果有着决定性的作用，它参与建筑投资规划、设计建造、维护运营，包括建设单位、设计单位、监理单位、施工单位、构件生产单位、材料供应商、建筑运营部门等。间接参与方不直接参与建筑的建造过程，但它制定的相关政策、行业规范对建筑形态产生重要影响，包括政府部门、科研部门等。

2.2 BIM 信息协同研究

项目管理的重点是各参与方之间的相互合作与交流，装配式建筑各参与方之间的信息具有双向性和复杂性，常出现信息传递不及时、不完整的情况。基于BIM 的信息协同管理模型能很好地解决这一问题，实现信息高效共享和传递。BIM 信息协同模型主要包括：数据层、模型层、应用层、用户层四个层面。其中，数据层是基础，收录和共享不同时期的各项数据；模型层为各设计方提供相互配合的平台，为各参与方提供直观的信息模型，方便及时查看做出反馈；应用层则将BIM 的数据信息提取分类，提供不同种类的功能服务，并及时反馈现场情况做出相应调整；用户层根据自己需要，登录平台账号，实时查看、修改、提取信息，实现数据共享（图1）。

图1 BIM 信息协同模型图

2.3 BIM 管理应用研究

装配式建筑建造管理是在利用BIM 建立的三维模型基础上，将项目数据和文件信息与BIM 模型关联，通过BIM 系统将施工管理系列软件系统和项目综合管理系统两大部分组合起来[4]，建立模型信息与数据管理双向对接；为项目管理提供包括施工进度、质量、成本、安全以及材料采购等信息，满足各参与主体业务管理需求；最终形成5D 数字化信息模型，为项目实时监测管理提供扩展功能，实现基于BIM 信息交换和协同管理，全面提高项目建造过程精细化管理水平（图2）。

图2 BIM 管理框架流程图

3 案例应用分析

结合我国装配式建筑工程项目建造的实际情况，BIM 技术在项目中的应用由建设单位主导，总承包单位负责，多个参与主体共同参与实施，主要包括模型深化设计、施工动态模拟、动态管理三个方面。

3.1 项目概况

北京某装配式住宅项目位于北京市通州区潞城镇（图3）。总建筑面积约28 万m2,共17 栋住宅楼，3 层以上是装配整体式剪力墙结构，预制构件种类繁多，包括：外墙板、内墙板、叠合板、楼梯、阳台板等，装配率高达53%，预制率43%。预制构件加工生产及施工现场安装连接是工程管控重点。

图3 项目鸟瞰图

3.2 模型深化设计

3.2.1 BIM 模型建立

装配式建筑模型建立需要建筑、结构、机电、给排水、暖通、预制构件等多个专业参与，各专业之间既是独立的子系统，又共同构成一个复杂的整体系统。通过BIM 协同管理平台，实现不同专业之间信息集成，将全部信息保存在一个数据库内，各设计人员根据自己的需求从数据库中提取，实现建筑模型信息的编辑、转换和共享[1]，提高设计效率与准确性。

在实际应用中，由于住宅小区建筑物形体比较规整，因此选用Revit进行三维建模。首先，将墙体拆分成不同模型的构件，设置构件参数性能、材料种类，建立构件模型库，根据构件特点提取组合进行初步设计；其次，结构、机电、管道等不同专业人员相互配合进行综合设计；最后，碰撞检测深化设计，及时修改设计中不合理的地方，优化设计方案（图4）。

图4 三维建模

3.2.2 预制构件深化设计

装配式建筑预制构件深化设计要以“少规格，多组合”为原则，减少模具种类，降低建造成本。装配式建筑预制构件深化设计内容包含：钢筋预留预埋、孔洞预留、钢筋连接方式以及现场施工安装。利用BIM 技术深化设计，实现预制构件加工图纸和三维模型参数化数据双向连接，满足施工生产的需求。

在实际应用中，利用BIM 技术进行的装配式建筑预制构件深化设计提取包括：构件标号、图纸编号、混凝土钢筋用量、预埋件、预留孔洞等信息[14]，为工厂集中生产加工提供助力。此外，为每个预制构件制作二维码标签，标签信息主要包括：工程项目名称、产品型号、生产日期、使用部位、检测人员，以及构件自身数据，混凝土强度、PC 方量、混凝土量、保温体积等，通过手机等电子产品扫描二维码显示构件的信息，实现不同专业人员之间构件信息传递快速、完整。

3.3 施工动态模拟

3.3.1 场地优化布置

预制构件在施工现场堆放、移动、吊装是装配式建筑场地优化管理的核心内容，利用无线射频技术（radio frequency identification，RFID）和BIM 技术相结合的方式，建立三维场地布置模型，对预制构件进行追踪定位，按照施工进度优化场地设计。根据楼号、楼层将预制构件堆放位置合理划分区域，同时，考虑垂直运输空间以及塔吊半径，在半径允许范围内尽可能减少构件搬运次数，提高场地使用效率。

在实际应用中，场地规划布置的要素有：出入口位置、车辆运输道路、材料堆放仓库、材料加工区、临时办公区、大型机械等。利用BIM 技术建立四维空间场地布置模型，动态模拟分析施工场地布置方案，优化不同时间节点场地布置情况，使不同施工阶段场地布置与整体项目场地规划布置相协调，达到最优状态（图5）。

图5 场地布置模拟图

3.3.2 重难点可视化交底

我国装配式建筑发展比较晚，目前还处于基础阶段，施工技术不够成熟，因此，装配式建筑在施工前，必须组织施工人员进行技术交底。相比于传统的技术交底方式，基于BIM的施工技术交底更详细、更直观，可有效降低施工人员理解难度，保障现场施工质量。

在实际应用中，利用BIM 技术对工人进行施工前的教育培训，三维可视化模型将各类施工信息汇总，以文件、图片、模型、动画的方式展现出来（图6），有助于工人清楚地理解施工过程的作业条件、材料要求、工序流程、技术要点、成品防护、环保措施以及注意事项，提高施工人员知识储备，保障施工生产。

图6 屋面构造模型图

3.4 施工动态管理

在项目施工管理中，施工进度、质量、安全、成本是项目管理的核心目标，决定着整个项目的综合效益。

3.4.1 进度管理分析

装配式建筑的施工进度动态管理模式区别于传统建筑的进度管理，装配式建筑预制构件工厂化加工生产与现场安装施工的方式，决定了各参与方信息协同的重要性，可加强信息传递效率，优化施工进度管理，有效节约时间成本。基于BIM 技术的装配式建筑施工进度管理，可从进度模拟和实时监控两个方面优化施工进度，提高生产效率（表1）。

表1 BIM 技术进度应用分析表

在实际应用中，建立项目进度横道图，采用可视化4D 信息模型模拟施工进度，以及从项目开工到项目结束的全施工过程。动画模拟过程中，随着时间的变化，项目建设不断推进，可及时发现施工进度计划中不合理的地方，优化工期安排。此外，对于复杂工序，按照时间节点合理安排机械、材料、人员等配备情况，提前做好准备工作，可有效减少施工间歇，加快施工进度。

3.4.2 质量管理分析

装配式建筑施工质量的控制要求高于传统现浇建筑。我国装配式建筑一般采用套筒灌浆法，为保障预制构件在施工现场精准安装，装配式建筑施工质量管理主要包括两个方面的因素：①预制构件制作加工的质量管理；②预制构件在施工现场安装的质量管理。基于BIM 技术的质量管理，从装配式建筑局部生产管理到整体质量管控，严格控制施工质量，减少了二次返工，节约了项目隐形成本（表2）。

表2 BIM 技术质量应用分析表

在实际应用中，运用碰撞检查功能，找出构件之间的碰撞点1 000 余处，其中，机电管线碰撞点940 处。碰撞检测生成的报告文件，包含构件碰撞类型，位置、标记代码及碰撞点图例等信息。根据文件中的碰撞点一一查看修改，优化模型信息，多次利用碰撞检查，直至碰撞点完全修改完成，以保证施工质量。

3.4.3 安全管理分析

装配式建筑施工现场安全管理分阶段、分区域进行，如预制构件安装阶段，吊装作业、高空运输是主要危险源，机电安装阶段，电梯井安全防护栏是主要危险源。分析总结各种危险源对工程施工影响程度，根据分析预测结果，制定行之有效的预防和事故应急处理措施[15]。基于BIM 技术的数字信息化模型，可以在空间、时间上动态模拟施工变化，预测实际施工过程中可能发生的事故，建立科学有效的安全管理体系，减少事故发生。BIM 技术与VR 技术相结合，虚拟模拟施工现场事故，操作人员看实景感受事故危险，提高安全意识。

在实际应用中，BIM 可视化模拟技术在模拟预制构件现场安装施工过程中，可及时识别具有危险因素的部位，按照施工进度表和施工部位将危险因素提前分类，根据危险因素影响程度划分危险级别，尽量减少甚至消除外部影响因素，编制应急预案，协助各部门做好预防措施。另外，通过智慧工地实时监测体系（图7），可随时查看施工人员在现场安全佩戴情况，规范施工作业行为，减少安全事故。

图7 智慧工地实时监测系统

3.4.4 成本管理分析

装配式建筑由于预制构件的生产、加工、运输等一系列工序，其成本往往比传统建筑高，要控制装配式建筑的成本，首先要提高信息集成与协同效率。基于BIM 技术的5D 成本管理，对装配式建筑成本管理有着巨大的改善作用，在投资分析、动态模拟、过程控制等方面有着诸多优势（表3）。

表3 BIM 技术进度应用分析表

在实际应用中，数据表明，BIM技术成本核算管理可节约90%算量时间，同时，减少人为因素导致的算量错误。基于BIM 技术建立三维信息化模型，包括建筑、结构、机电专业，建立施工图纸与三维模型信息参数双向对接，形成包括构件材料种类、位置、尺寸、厚度等属性的材料用量汇总表，分析归纳提取各项数据，汇总形成计划成本，从整体上调控项目成本计划，使其达到预期目标。

4 结语

BIM 技术在全国范围内的推广和应用，为装配式建筑建造过程智能化管理提供了条件。装配式建筑的管理核心是多个参与方的信息协同管理，BIM 技术相关软件及应用平台为装配式建筑管理提供有效方式。本文详细分析了BIM 技术的发展趋势以及信息协同管理的应用，并以北京某住宅小区的实际应用为例，总结BIM 技术在装配式建筑建造管理过程中的应用价值，可为实现建筑全生命周期精细化管理的目标，推动BIM 技术在装配式建筑管理中的应用提供借鉴参考。