基于BIM 技术的装配式建筑信息化实践与探索

邓于莘 韩彧

（1.闽西职业技术学院 福建省龙岩市 364000 2.龙岩学院 福建省龙岩市 364000）

装配式建筑不仅提升建筑设计的质量和品质、缩短工期、提高效率、而且易标准化、绿色节能，节省材料和人力成本等，相比传统建筑方式，装配式建筑所需要的劳动力可减少至少30%以上，项目施工期可以缩短30%，建筑垃圾可以减少80%以上。更高水平的智慧建筑作为智慧城市的重要组成部分，是城市管理和建筑行业未来的发展方向，是建造方式升级和绿色施工得以发展的推手。BIM 技术是建筑信息模型技术，是实现建筑全过程管理的有效手段，旨在有效提高建筑工程设计、施工的整体质量、施工效率以及后期维护效率。

1 工程概况

本工程为某企业办公楼项目，位于泉州市洛江区，建筑占地面积1449.34m，总面积13313.14m，地上9 层，高度为47.00m。

工程为框架剪力墙结构，设计使用年限50 年，耐火等级二级，框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级，采用冲孔灌注桩+桩承台基础形式。采用装配式结构，分为工厂构件预制、组装和构件现场安装两个阶段，施工特点主要包括标准化设计、模块化组合、工业化生产，集约化施工，具有低能耗，更环保、更高效的优点。施工时需要充分考虑城市道路的拥堵和交通影响，因此，预制构件和材料运输难度较大。本项目采用BIM 技术，遵循“安全、通用、经济、实用”的原则。从项目设计、物料配送、施工、安装到竣工调试全过程实施信息化管理。

2 BIM技术在装配式建筑设计中的应用

2.1 基于BIM的施工方案设计

基于BIM 技术的装配式建筑全过程流程如图1 所示，系统设计协同设计中使用的BIM 软件主要有CAD、PKPM、Revit、Navisworks 等。在BIM 建模软件中依据建筑施工图、结构施工图、设备施工图，完成三维建筑信息模型的建模工序后将其导入Navisworks 设计验证工具进行碰撞验证（图2）。在确定装配式建筑构件类型、尺寸，明确设计要求后，设计人员可以利用BIM 设计软件对装配式构件如叠合板、楼梯、墙体等预制构件以及各种集成零件进行细化设计，创建BIM 模型。在利用BIM 软件深化设计的过程中，要坚持遵循原平面图和二维施工图的设计意图，必须满足各种技术规范的要求，并加强各工序、各施工单位、构件预制工厂之间的协调和沟通。此外，还要结合装配式建筑施工中实时需求，如电缆箱、管线、孔洞的定位、钢筋的碰撞、施工顺序、施工时人员和工具的操作平台等，预制构件的深化BIM 模型可以在设计协作平台（Navisworks）上组装成整体的包含全部信息的建筑模型。将模型导入Navisworks 软件集成后，进行碰撞验证，实现装配式建筑要求的精细化设计，保证结构的安全性。该项目主要进行钢筋、模板安装和管道集成方面的碰撞验证。最后，确认碰撞验证结果并将其发送回设计软件进行模型修改。在预校准和碰撞验证后，再次仔细检查施工图纸，可以利用Revit 创建相应的图纸，例如建筑平面图、建筑立面图和建筑剖面图，可生成CAD 或PDF 格式的施工图纸。

图1： 基于BIM 的装配式建筑全过程

图2： 碰撞验证

2.2 基于BIM的施工场地设计

场地一般是指建筑物所处的环境。传统的建筑设计是经验主义的，具有很大的不确定性。但在BIM 技术的帮助下，项目前期的场地分析变得合理合理，主要包括场地自然条件和结构条件的分析。

2.2.1 场地气候条件分析

BIM 技术在建筑设计初期综合分析场地气候条件，据此设计节能建筑，进一步降低建筑能耗。可以利用集成环境分析软件ECOTECT 的天气工具具有可视化分析和转换每小时天气数据的能力。通过在系统架构设计过程中对气象数据进行分析，可以直观、快速地获取气象数据。同时，可以大致了解建筑物所在的区域。基于焓-湿度图的策略分析获得建筑物所在区域的热舒适区，可以分析应用不同被动设计策略前后热舒适区的变化和影响。

2.2.2 场地地形分析

如果施工现场比较复杂，我们在规划设计中通常要对现场进行详细的分析。通过将 BIM 与GIS 技术结合使用，可以快速进行场地空间分析，例如：高程、坡度、坡度等纵横比分析可用于山体结构设计。一些初步研究为我们的设计提供了一些新的方法和思路。在使用高程分析图和地形分析图时，不同的色调代表不同的高程，可以对整个地形有一个直观的大致了解。通过GIS 建模和绘制坡度分析图，可以表达和了解给定区域的具体地形结构，为设计不同坡度的土地利用提供依据。用GIS 绘制坡面剖面分析时，地球坡的方位用不同深浅的颜色表示，坡的类型影响建筑物的采光和通风位置。在寒冷地区，建议选择面向太阳且避风的地方。使用GIS 建模技术可以快速轻松地创建透视图，让设计人员能够以不同的角度和方向观察不同建筑物之间起伏的地形变化和体量关系。此外，GIS 模型可用作进一步设计的输入，并传输到软件以进行进一步的处理。

2.3 基于BIM的建筑间距设计

2.3.1 利用阴影范围确定建筑间距

Ecotect 的“阴影范围”功能可以检查特定时间段内建筑物阴影区域的属性和变化。用于分析建筑物中太阳距离的强大工具，阴影区域旨在显示特定时间间隔内低于当前日期的特定时段。通过改变时间，阴影区域可以自动更新。以泉州万科金域梦想小区住宅建筑为例，图3 为一个长10m、宽5m、高8m 的建筑模型。日期是非常冷的一天（1 月21 日），阴影区是非常冷的一天，这是分析建筑物日照距离的基础。

图3： 住宅建筑阴影范围

泉州地区白天从早上8 点持续到下午4 点。因此，阴影区域的开始和结束时间分别设置为8:00 和16:00，间隔1 小时。最后，我们计算了泉州地区寒冷天早上8 点到下午4 点的阴影区域。从上午11:00 到下午1:00 的阴影长度为22.2m，相当于一个高度为18m 的建筑物。当建筑物之间的距离达到22.2m 时，寒冷地区可以满足2 小时以上的日照需求，因此泉州地区日照间隔系数为22.2/18=1.23。实际上，朝南的建筑物只是理想的情况。在大多数情况下，建筑物的朝向会根据地形等因素进行适当的调整。因此，有必要对其他方向性建筑物的足迹进行太阳辐射距离的分析计算。45°WSW，30°SWW，15°WSW，45°SEE，30°SEE，15°SEE 阴影范围以及08:00 至16:00 寒冷天13:00 阴影范围的模拟长度，并以大寒日正午11:00-13:00 的阴影长度与正南方向正午的阴影长度对比分析，得到6 个方位的折减系数。

2.3.2 利用通风分析确定建筑间距

确定适当的建筑物净空的目的之一是确保建筑物通风良好。在影响室外空间通风环境的因素中，周围建筑物对迎风面前方建筑物的阻塞影响最大。前方建筑物的宽度、高度和深度的差异会影响建筑物的背风区域。换句话说，建筑物的通风间隔不同，以获得最佳通风。在垂直于建筑物正面的风的情况下，如果建筑物之间的距离超过4 到5 小时，建筑物后面的迎风面可以保持正压，因此应增加建筑物之间的距离以保持建筑物气流。根据英国科学家的一项研究，只有建筑物之间的距离D 是前一栋建筑物高度H 的6 倍，才能避免“滑流”效应。阳光距离通常比通风距离短得多，这样可以节省空间和成本，在实际项目中很少使用。此外，在平面图中，如果风相对于建筑物倾斜，则后面的下风区域的范围和形状会发生显着变化。通过模拟建筑物不同的风向和角度，可以得出30°、45°和60°的风向入射角有利于室外环境的通风，也为通风提供了良好的增加条件。一般来说，风的距离和入射角越大（0°到60°以内），综合体的通风效果就越大。选择建筑物的入射角和通风距离。当风的入射角为0°时，与建筑物的距离对通风效果影响不大。因此，平面图应避免建筑物与风向的垂直夹角，减少建筑物的通风距离（图4）。

图4： 不同风向入射角度的通风状况比较

3 BIM技术在装配式建筑构件生产制造中的应用

构件制造是装配式建筑的重要步骤。在构件制造过程中，利用BIM 技术对构件制造信息进行管控，可以有效提高构件制造的自动化水平，构件制造过程不需要太多的人工干预，大大提高了构件制造效率，同时保证配件的质量。在构件制造过程中，可以基于BIM 技术加强设计、制造、施工之间的联系，围绕构件的类型、尺寸、数量、质量、原材料等信息，结合BIM-EPR 技术实现构件制造过程自动化控制，动态调整生产加工信息，最终达到精密加工的目的。如通过BIM可以对每一个构件进行编码，每个预制件都被分配一个唯一的ID，通过建立国家信息系统，可以按照BIM 中的IFC 标准对预制构件信息进行高效处理。所谓IFC 标准是指能够准确描述实体搜索的目标或抽象概念信息的复杂数据系统，根据IFC标准可以开出准确获取相关组件信息的具体内容。对于相关的预制构件，IFC 标准可以对其进行描述和划分等级。首先，通过明确各种预制构件的尺寸和材料成分信息，可以有效确定预制构件的具体类型。然后确定预制构件的交互性，并在其他预制元素模型之间建立良好的连接，这有利于预制元素的后续安装。建立IFC 标准体系，确定各种现成构件的信息状态，有效实现信息的实时交换，便于后续的预制构件统一生产、运输和施工。此外，BIM 技术与物联网技术的结合，可以实现通过扫码自动管理生产环节信息，为后续的装配式建筑施工打下良好的基础。

4 BIM技术在装配式建筑施工中的应用

4.1 建筑施工平面布置优化

使用鲁班的BIM 场布软件可以合理组织施工场地的整体布局，确保施工场地布局合理，用水用电安全方便，场地排水排污设施通畅，场地道路交通畅通。垂直运输既经济又合理。

4.2 装配施工过程模拟

如图5 所示，该房屋建筑工程可以利用BIM 软件对施工方案和过程进行建模，全面清晰地呈现施工过程，识别施工过程中可能出现的各种问题，及时调整方案。采取预防和控制措施。例如，在设计支撑系统时，必须满足一定的承载力要求和稳定性要求。在承重状态下，支撑梁模板和单杠的尺寸需要满足强度要求，确保不发生失稳现象。保证施工过程中模板支架有足够的承载能力和可靠的稳定性是构建模板体系的关键。可以使用 BIM 技术进行安装建模，以确保支撑系统的安全性和稳定性。在以往的建造过程可能会出现的结构与设备之间的碰撞，出现碰撞需要再像设计院请示更改方式，会损耗很多的工时与经济，造成一些不必要的浪费，如今通过BIM 技术可以在建造前期及时发现碰撞的存在，提前做好改善措施，可以大大减少工时与经济上的损失。

图5： 装配施工过程模拟

4.3 施工进度控制

在构件的BIM 模型中通过不同颜色标记预制构件的各种状态，直观呈现装配施工的进度。通过对比既定工期与实际工期可以清楚地看到工厂施工进度的快慢，方便项目管理人员分析施工进度的影响因素，并进行讨论分析，采取有效措施保证施工进度如图6 所示。

图6： 装配施工进度模拟

4.4 工程量统计与查询

装配式建筑施工与传统的混凝土浇筑施工不同，预制构件的混凝土方量已经固定，只要在装配施工前统计好施工工程量就可以明确构件的生产量，通过BIM 技术实现信息传递，再构建生产企业依图设计，在施工现场可以有效跟踪预制构件的使用状态，从而准确获取各个装配施工工序的完工情况以及工程量，通过计算机进行自动统计分析，方便项目管理人员随时查看和使用，也能大大减少人工计算所需要的时间，同时也避免一些计算的失误。

4.5 施工质量与施工安全管理

在装配式建筑施工中通过拍摄图片、录制音视频、文字记录等方式获取施工质量、施工安全相关信息，并输入BIM模型建立信息关联。通过BIM 软件在模型中以文档图钉形式展现，方便项目管理人员及时了解存在的施工质量问题、施工安全问题，以便采取有效措施及时解决，确保工程质量。

5 结论

综上所述，结合某装配式房屋建筑工程探讨将BIM 技术应用于装配式建筑全过程进行信息化管理，在装配式建筑施工中，预制构件的质量直接关系到整体建筑质量，通过BIM 可以有效提高预制构件的生产自动化控制水平，跟踪预制构件的状态，管理预制构件信息，从而有效保证预制构件的质量。此外，在施工过程中应用BIM 技术能够有效提高建筑工程各参与方的协作效率，更好地指导施工方案的实施。因此，在装配式建筑施工各环节可以利用BIM 技术将建筑工程信息整合，方便装配式建筑施工环节的管理，及时发现问题构件，在减少成本的同时提高装配式建筑工程的安全性和使用寿命。