装配式高层钢结构住宅产业链信息化构架研究与工程应用

郭建营，孟然，完海鹰，陈安英，沈万玉，李伟

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2安徽富煌钢构股份有限公司，安徽 合肥 238076）

1 引言

在国家及地方政府大力推进建筑工业化的背景下，建筑产业转型升级正在向数字化建造与项目管理模式相结合、计算机仿真技术与互联网信息技术相联动的主题方向迈进。钢结构建筑主体结构的装配式天然属性[1]，建筑体系便于工厂化生产、机械化装配等特点，迎合了建筑业高质量发展的要求[2]，也是实现住宅工业化如参数化生产、数字化建模、智能化运维、一体化施工、标准化建造等的合理结构形式。结合预制部品件形成的装配式钢结构建筑作为一种预制化、工厂化程度高的结构形式在多高层住宅领域也得到了推广应用[3]。李惠玲等[4]总结了目前我国装配式钢结构住宅的优点和发展所遇到的问题，提出了相应的对策和建议。刘学春等[5]总结了各个国家装配式钢结构建筑的发展和研究现状，认为需要重点研究装配式钢结构的体系和节点连接。朱晓伟等[6]系统地研究了高层钢结构住宅建造中设计、施工以及外檐围护、保温、饰面的关键技术，并形成了相应的技术体系。黄亚江等[6]总结了上海浦东新区工程数字化建设的经验，提出利用BIM标准化模型库深化预制构件的设计。陈光等[7]对目前装配式建筑数字化技术应用进行了研究，认为通过在线协同管理平台等智能系统可以实现装配式建筑的数字化建造。

为加快推进新一代信息技术与住宅工业化技术协同发展，提高设计施工信息化水平，论文针对装配式高层钢结构住宅建造特点，开展基于BIM模型结合MES控制体系的深度融合技术构建装配式高层钢结构住宅全产业链信息化构架系统研究。

2 装配式高层钢结构住宅全产业链信息化构架系统研究

2.1 底层逻辑

装配式高层钢结构住宅建造全过程可细化为投资、开发、设计、施工、构件生产、物业管理及运维等多个阶段。从产业链视角出发则划分为头端企业，如规范制定行业标准的政府部门与研发企业，提供钢筋、混凝土、墙板等的原料单位；腹端企业即相应的设计、施工、物流、监管、生产等企业；尾端企业则以运营维护等管理单位为主。项目系统研究中，以BIM模型为核心，将虚拟数模和工程实体相关联，通过计算机与物联网技术的结合、数据的云端收集与识别处理，解决全产业链的信息协同与交圈融合问题，高效实现项目全生命周期智能化推进与可视化管理，尤其通过数据的信息化使得施工管理更加精细。

2.2 全产业链信息化架构系统

2.2.1 技术协同信息化

为实现全产业链信息管理，系统结合网络信息技术，搭建了涵盖设计、加工、安装及运维一体化的信息平台[7]，平台架构分为数据处理端、产品应用端及用户操作端的三个端口，如图1所示，为装配式高层钢结构住宅的建造全过程提供了信息收集云端及数据处理平台。利用本平台系统，将各个阶段所需的信息数据化集成，各方参与人员均可查看权限范围内最新且完整准确的信息库。利用虚拟平台，可实现模型处理、资料管理、信息协同等的智慧工地一体化建设。

图1 图装配式高层钢结构住宅全产业链信息化构架系统平台图

2.2.2 供应链协同信息化

供应链的信息化是实现全产业链一体信息化的重点。虚拟数据平台与信息处理云端是本系统实现各参与方多维度实现智能化管理的基础，设计协同与信息共享，便于设计单位根据设计要求及住宅品质实现云端选材与品控，供应单位加快铺排生产计划；各参与方有效交圈与资料更新，有利于建设单位尽早制定付款计划，降低预算成本；施工动态及时捕捉与上传，易于强排施工进度，最大可能避免设计变更引起的施工延误与成本增加。

2.2.3 产业链协同信息化

将传统建筑产业从全要素（空间维度）、全过程（时间维度）、全参与方（组织的维度）三个方面进行解构，再通过数字化、在线化、智能化进行重构，结合网络信息技术，可构造适应高层装配式钢结构住宅建造的新型产业模式。

3 系统应用的关键技术

3.1 预制构件在厂的深化设计与数字化加工

在施工图数据设计模型的基础上，严格参照地方数字化模型信息交换标准[7]建立涵盖完整基本、构件及节点信息等的虚拟模型，通过P-BIM软件导入相关施工数据如运输、进场、安装计划等绿色建造信息，导入合同规定的成本数据信息如合同价款、计价方式、市场价格及上系数、施工工艺及质量标准等，开展仿真模拟及安全演算。将深化后的模型转移至工厂，导入数控机床专业软件可直接进行构件数字化加工，提高加工精度和施工效率。

3.2 预制构件生产管理BIM-MES深度融合技术

在BIM设计模型进行数字化模拟分析的基础上，建立数据交互机制，构建P-BIM钢结构加工制作一体化信息管理平台，平台支持BIM模型对结构信息、属性信息、制造信息等进行在线工艺与计算分析，实现BIM深化设计系统与MES控制系统的无缝集成，并衔接ERP、制造系统网络，构建具有计划、执行、控制等层次的多曲面空间桁架钢结构复杂钢构件数字化制造模式（图2），解决了设计与制造过程的“信息孤岛”问题，实现住宅钢构件设计、工艺、制造、检测和物流等全生命周期各环节信息共享与高效协同。

图2 BIM-MES钢结构数字化制造模式流程

3.3 施工阶段应用关键技术

3.3.1 施工平面模拟

建立基于BIM的场地进行平面布置模拟模型，可直观展示施工活动的实施过程，确定各项临时设施、施工机械与建筑物等的位置。将所得BIM模型信息与实施应用各环节的信息进行对应结合，可动态展示以时间为维度的不同资源需求，即可为此后的各要素管理提供数字化基础，尤其是时间、质量及成本管理。主要包括前期准备、场地建模、平面布置计划、现场供水设计、比对与选定方案、出图并统计等流程。

图3 基于BIM模型进行三维施工平面布置管理

3.3.2 施工进度模拟与优化

通过不同施工方案信息数据导入后的BIM模拟，可直观地进行比选及优化，实现最优决策与高效控制。主要包括数据准备、工作任务分解结构（WBS）、制定进度计划、生成进度模拟模型、比选优化。

图4 优选施工进度方案

3.4 基于BIM+的智慧工地系统可视化管理

构建基于BIM+的智慧工地系统可视化管理平台，系统平台架构如图5所示。

图5 基于BIM+智慧工地系统进行项目信息化可视化管理平台

3.4.1 设计阶段各专业的协同

严格参照各专业CAD图纸进行子专业建模，严格审查正确性后，进行模型整合，如碰撞检查与孔盖控制等，确保总体模型的完整性及准确性，通过产品应用端使各参与方尤其是施工方及时查看。

此阶段各方应及时关注BIM信息小组的产品应用端动态，尤其是施工过程中的设计变更，各方应及时通过产品应用端交圈，保证设计方各专业随时联动协调，保证施工现场进度及质量等各方面要求。若出现变更较大或所涉及专业较多的紧急状况，及时进行模型设计变更交底，各专业人员应保证专业模型的准确无误，上传至产品应用端后BIM信息小组应及时进行专业间的协调检查。

3.4.2 施工阶段的模拟应用

从微观层面——构件视角，在前期设计阶段已根据专业协调一体化要求进行相关碰撞检查、仿真模拟与建筑美观效果检查，如电梯井布置等净空要求，机电设备端口预留、部分配套设备安装拆卸等二次利用计划、景观配套设计及住宅外立面色彩协调要求等。在施工准备阶段参照仿真优化后设计图纸进行施工计划、工艺工序及质量信息的模拟。在施工实施阶段，通过BIM模拟各个部品构件的进场路线、交通组织及安装顺序，大型及临时设备的定点定位，材料堆积区域范围，现场防火及绿色施工要求，制定更加符合所属项目特点的标准化动作流程，实现施工现场精细化管理。在施工完成阶段，施工单位通过BIM模拟与现场测量扫描结合，辅助质量进度验收，汇总信息资源并向平台上传，便于工程的竣工验收。

从宏观层面——建筑住宅视角，关于智慧施工，将BIM模型通过Revit系列软件进行完善的同时，结合Navisworks软件进行模型信息分析与审阅，增加时间维度制作4D动画进行效果仿真演示，通过实施漫游实现各方协调与施工预测。关于可视化管理，将BIM模型与施工相结合，采用物联网技术如RFID频射识别技术等构件基本数据及生产运输安装的实际时间进行动态收集，结合航拍及延时摄影等手段追踪实际施工进度，对比计划时间与实际时间，收集信息数据上传至云端平台，实现设计、施工、监理等各方的协调管控。

3.4.3 竣工阶段的模型验收与交付

在工程实施完成时，运用Revit、Tekla和Navisworks等软件处理后的最优BIM模型已落地，此阶段应进一步实施集成验证。将模型中不同构件部位信息采用全数字化的方式进行编码表达，将信息进行录入与集成，并与最终项目落地情况匹配关联后进行修正处理，保证虚拟模型与工程实体一致，得到包含虚实统一的工程竣工模型，并对竣工信息资料进行分类梳理，建立可视化信息资源库并上传至云端供各方获取。

4 工程应用

示范项目位于安徽省阜阳市城南新区，基地西侧为汇新路，基地北侧为三清路，基地东侧为颍州南路，基地南侧为府前路。本安置区住宅部分的主体结构采用钢框架支撑体系、外围护墙采用蒸压加气混凝土墙板+保温装饰一体板、采用预制楼梯、预制空调板；商业、配套及附属工程主体结构采用钢框架体系、外围护墙采用蒸压加气混凝土墙板+保温装饰一体板。如图6所示。

图6 阜阳九里安置区重点示范项目

该项目示范内容包括：①采用本课题研发的平台进行多方协同设计与三维施工平面管理等；②基于本系统搭建智慧工地进行可视化施工交底与信息化可视化管理；③设计、采购、安装一体化建造。

图7 基于BIM+智慧工地系统进行项目信息化可视化管理示意图

图8 基于BIM+智慧工地系统进行项目信息化可视化管理

在本系统支持下，各参与方通过已有ID登录平台用户操作端，通过产品应用端实现以模型为核心、以信息数据为基础、以云平台为支撑的各方协调，实现数据的云端处理与信息传递，降低交流成本，提高沟通效率，最终实现生产效率的提升。经云端协调与仿真模拟后的钢构件模型更加合理，专业间更加协调，实现了加工精细化以及装配高效化。

5 总结与展望

对装配式高层钢结构住宅进行了建造全周期、项目全产业链、信息技术多维度的信息数字化探讨，在依托BIM搭建项目各单体相关专业的建筑信息模型、进行三维施工平面布置管理、进行预制构件深化设计的基础上，基于BIM+智慧工地系统进行项目资源可视化管理、施工可视化交底等，搭建了装配式高层钢结构住宅全产业链信息化构架系统，并通过工程示范应用验证了其科学合理性。