基于BIM的装配式建筑施工空间冲突识别方法

李鹏飞，刘 光

（郑州城市职业学院，河南 郑州 452370）

0 引言

常见的施工空间冲突现象包括施工空间中既定结构与工程施工设施冲突（建筑地下结构）、建筑地上结构与地上施工空间冲突[1]。前者主要是指工程中的主体结构或本身结构与地下埋设管线冲突，当预设结构在空间中发生重叠、交叉等现象时，需要重新调整工程施工图纸，不可贸然施工，否则将引起地下结构或设施损坏，从而引发一系列的工程质量问题。此类冲突大多集中在地下管线漏水、连续供水无法得到保障等问题上。后者是指装配式建筑中的预制类构件在地上需要占用的空间较大，而既有空间无法满足工程需求，从而造成建筑整体空间存在重叠。无论上述提出的哪一种问题，都会对装配式建筑工程项目施工造成影响，也会使工程项目施工难以全面落实[2]。为了解决以上问题，实现装配式建筑工程项目在市场内的推广使用，本文引进BIM技术，以装配式建筑为例，设计一种针对建筑施工空间的冲突识别方法，通过空间建模等方式，定位并掌握建筑施工节点的重叠位置，提高建筑施工方案的合理性。

1 基于BIM的装配式建筑施工空间冲突识别方法设计

1.1 装配式建筑施工空间冲突类型提取

根据装配式建筑工程项目的施工作业需求，将建筑施工空间中可能存在冲突的要素划分为现场施工作业人员、用于现场辅助施工作业的机械设备、工程预制构件3个类别[3]。其中，每个类别在空间中对应表示为ES（实体空间）、WES（效率空间）与SWS（安全空间）。现场施工作业人员所需要的空间通常与工程预制构件有关，而工程预制构件又与工程需求的运动轨迹相关，因此，三者的关系可以用ES⊂SWS⊂WES表示[4]。根据上述分析，工程项目作业施工现场不同空间的占用情况见表1。

表1 工程项目作业施工现场不同空间的占用情况

根据表1可知，进行施工空间冲突类型提取，将发生冲突的类型划分为3个类别。第一类为ES与ES之间的冲突，即施工中2种不同的实体结构在作业空间内发生重叠与重合现象，冲突现象可以表示为M-ES与M-ES，L-ES，P-ES冲突；L-ES与M-ES，L-ES，P-ES冲突；P-ES与M-ES，L-ES，PES冲突[5]。第二类冲突为ES与WES之间的冲突，即施工中的实体作业空间与操作设备发生空间上的重叠与重合现象。第三类冲突为WES与SWS之间的冲突，当施工现场出现并行施工现象时，人员的安全将无法得到保障，出现此种冲突多是由于施工现场的安全秩序没有得到有效管理与控制。

1.2 基于BIM技术的施工空间冲突元素匹配

引进BIM技术，辅助计算机VR技术，建立一个针对建筑工程施工的三维可视化模型，对施工过程中所有涉及对象与操作空间中不同作业行为以秩序化表示，表示方式如图1所示。

图1 施工过程中不同作业行为的秩序化表示方式

采用采集原始工程信息的方式，进行施工信息的整理，完成信息的导入后，借助BIM建筑结构模型，可以得到针对建筑工程项目的多元化空间信息，包括建筑工程项目地上结构与地下结构面积信息、建筑中不同预制构件空间布局信息、位置信息等。按照模型比对的方式，将构建的建筑工程原始模型与施工模型进行整合，确保建筑工程模型在虚拟化环境中完全融合后，即可实现对冲突施工点的圈定。比对的方式多为智能化模式，由BIM技术进行整体施工逻辑的评估，包括对信息的智能化判定与参数的有效识别。

1.3 建筑施工空间冲突检测、识别与施工调试

按照建筑工程项目的标准化施工工序，将一个完整的工程项目划分为多个分项工程，将子模型与机械设备进行匹配，建立一个工程项目布置模型，输入工程施工节点的参数信息，对项目进行施工模拟。匹配人工设定的冲突参数，对冲突元素进行标记，将位于重合区域内的元素进行标注后，输出重合信息，根据冲突元素的性质，形成1个冲突检查报告。根据冲突检测结果，进行冲突类型的识别，明确识别类型后，定位工程在施工中的优先调整对象，以此为依据，提出对应的施工调试策略。具体内容见表2。

表2 建筑施工空间冲突识别与施工调试

根据建筑施工空间冲突检测、识别结果，选择对应的施工调试方式，考虑到工程调试会存在过度依赖技术人员的问题。因此，可在每次完成主体结构施工时间的调整后，根据结构参数配置要求，将调整后的工程施工信息导入可标注的建筑结构空间信息模型中，通过此种方式，进行冲突的重新匹配。

2 实例应用分析

为了满足测试中整体的真实性需求，选择天津市某地区由政府主导的建筑工程项目作为实例，根据技术人员的考察与技术交底勘查发现，该工程项目属于装配式建筑，各方面要求均满足此次实验需要。完成对此工程项目相关信息的获取后，使用建筑空间信息模型与BIM建模技术，构建一个针对此工程项目的可视化施工模型。选择此工程项目中的1号楼作为实验对象，此建筑共由30层构成，其中包括地下结构3层与地上结构27层，建筑整体层高为79.62 m。上部结构的整体占地面积约为9 697.51 m2，地上4层至地上27层整体采用装配式预制剪力墙结构设计。标准层的有效装配率高达73.6%，装配施工过程中，选用QT-JH5241-01A型号的起重吊装设备进行现场施工辅助，施工设备的独立高度为65.0 m，最大臂长为75.0 m，起重最大重量为15.8 t，施工中的最快起重提升速度为21.0 m/min。施工前记录装配式建筑不同结构层预制构件的数量、起重机吊装施工的次数，结果见表3。

表3 不同结构层预制构件数量、起吊施工次数

完成对工程中相关信息的处理后，根据装配式工程类型，提取装配式建筑施工空间冲突类型，使用BIM技术，建立建筑工程项目三维可视化模型，如图2所示。

图2 建筑工程项目BIM建模图

在此基础上，按照流程对装配式建筑施工空间中的冲突进行识别，如图3所示。完成对空间冲突的识别后，在建筑可视化模型中标注或圈出此工程项目在施工空间中存在的冲突点，匹配对应的冲突类型，统计在施工中可能发生冲突的次数，根据识别的冲突结果，进行标准化施工动态分析模型，如图4所示。

图3 建筑施工空间冲突识别流程

图4 动态分析

采取调整工程起吊施工工序、压缩现场施工人员效率空间等方式，进行工程的优化。完成调整后，按照预设的标准化施工作业流程，进行装配式建筑工程施工，记录施工过程中不同结构层发生空间冲突的次数，并将施工现场用于辅助作业的机械设备利用率作为评价本文设计方法有效性的指标。其中机械设备有效利用率可用下述公式进行计算：

式（1）中：P表示为施工现场用于辅助作业的机械设备利用率，%；T1表示为机械设备在施工作业现场的有效使用时间，h；T2表示为机械设备在施工作业现场的计划使用时间，h。统计不同作业层在施工中的冲突点与设备有效利用率，见表4。

表4 不同作业层在施工中的冲突点与设备有效利用率

综合上述，从实验过程与表4所示的实验结果可以看出，通过识别装配式建筑施工空间冲突点，并采用对其调整后再行施工的方式，可以确保不同作业结构在施工中的冲突点数量趋近于0。以此种方式，提高机械设备的有效利用率，使其达到90.0%以上，保证装配式建筑工程项目在施工中按照预设的标准保质保量完成。

3 结语

目前，装配式建筑工程模式已在我国普遍推广使用，但建筑施工空间冲突仍是工程项目中不可忽视的问题，为了解决此方面问题，优化工程项目的施工全过程，本文从提取装配式建筑施工空间冲突类型、匹配施工空间冲突元素、建筑施工空间冲突检测、识别与施工调试等方面，开展了基于BIM的装配式建筑施工空间冲突识别方法的设计研究。选取天津市某地区由政府主导的建筑工程项目作为实例，进行了此方法的实践检验，检验后发现，设计的方法可以在实际应用中避免不同作业结构的施工冲突，提升建筑工程项目施工的合理性。