BIM技术在装配式建筑施工阶段的应用研究——以菏泽市某商住项目为例

高明杰 （郓城县环境卫生服务中心，山东 菏泽 274000）

0 引言

传统的建筑产业具有高能耗、长周期、低效率、粗放发展以及高劳动力消耗等缺点，已远不能满足目前国家对环境目标的要求[1]。与此同时，在人口日趋老龄化的中国，可利用的建筑劳动力日益减少，劳动力成本不断攀升，发展智能化建造、装配化建筑、集成化制造成为未来的主流趋势，这也是传统建筑业迭代升级、建筑工业化的必然要求[2]。装配式建筑将建筑物拆解为不同部分，按照标准化的生产方式进行预制造，将成品运输到现场后采用拼装的方式将各个构件形成建筑整体，因此具有现场安装快速、施工简单、对人员素质要求较低等优点，使得装配式建筑的比例日益提升。建筑信息化是推动预制装配式建筑走向工业化的有效手段，BIM 技术作为建筑信息化、智能化的实现方式，与装配式建筑结合将极大地推动建筑智能建造的创新与实践[3]。

1 工程概况

菏泽市某装配式商住楼项目一期位于城市主干道北侧，交通便利，为菏泽市年度重点民生工程之一。总建筑面积为52081.92m2，其中地上面积36120.67m2，地下面积15961.25m2。项目主要功能用途为商业住宅、建筑主要为2 栋15 层民用住宅楼、2 栋28 层民用住宅楼，1 栋小区大门、1 栋商业用楼，均采用装配式建筑施工，装配率不小于65%，建筑结构的工程参数具体如表1所示。

8#楼结构形式采用天然地基+筏板基础，筏板厚700mm，结构形式为剪力墙。9#楼结构形式采用干作业钻孔嵌岩灌注桩+筏板基础，筏板厚850mm，结构形式为剪力墙。10#楼结构形式采用干作业钻孔嵌岩灌注桩+筏板基础，筏板厚1150mm，结构形式为剪力墙。11#楼结构形式采用干作业钻孔嵌岩灌注桩+筏板基础，筏板厚1150mm，结构形式为剪力墙。G2#楼（大门）、G3#楼（商业）与地下车库均为独立基础+抗水板基础，结构形式为框架结构。施工内容包含施工图纸范围内的土建、安装工程（管线以出外墙1.5m 为界限）总承包施工（入户门、单元门、防火门、电梯、电梯前室精装修、智能化、消防、专业垄断及市政管网工程等除外），合同工期720天。

2 BIM技术在装配式建筑施工阶段的应用

2.1 装配式建筑BIM施工模型的建立

由于装配式建筑的生产、安装以及运维均发生在不同的时空条件下，各个阶段的工作复杂且精细，构件设计、制造和运输、安装和维护的精细化全生命周期的管理均是在BIM 三维模型的基础上展开的，这有效地避免了信息流、物流和现金流在装配式建筑结构施工阶段的碎片化管理，创建基于BIM 技术的建筑工程信息模型，对于施工阶段的成本管理、进度管理和质量管理均可起到明显的效益[4]。装配式建筑按照一定的规则，比如梁、板、柱或墙面等，将建筑进行拆解，实现了构件在工程工业化以及流水化生产，BIM 技术通过建立虚拟三维数值模型，实现了建筑物建造的信息化，两者的结合将有力地推动建筑工业的转型升级，也有利于对装配式建筑全生命周期穿透式管理。因此，建立BIM 三维模型是本研究的重点工作内容。

在本研究中采用通用建筑BIM 模型程序REVIT 软件，对建筑项目的各个实体进行模型创建，并有机整合形成三维建筑BIM 模型[5]，如图1所示。对于装配式建筑施工阶段而言，更为重要的是关注施工工序对整个装配进程的影响。为了更好地对装配式建筑施工阶段的进度进行管理，需要在三维建筑结构BIM模型的基础上集成施工工序时间信息，以形成建筑结构施工过程的四维可视化模型。因此，在将建筑结构三维模型结合施工进度计划前，需要对建筑建构的基本信息进行构建。建筑模型的施工任务采用PROJECT 2020 软件进行创建，针对每一项施工任务进行详细的划分，并设定了开始和结束时间，形成足够精度的施工进度计划文件，并以“*.MPP”（*代表文件名）的格式存储。建筑结构的四维可视化施工模拟就是将建筑三维BIM 模型与施工进度计划通过BIM 软件开放接口的形式进行整合和关联，形成一个有机的四维可视化虚拟模型。由于建筑三维BIM 模型中包含了的实体空间几何信息和物理属性，比如门窗、楼梯、楼板和墙体的材质、长度、宽度和高度等，而模型施工进度文件中的时间信息能够有效地反映实体建筑的施工次序，因此四维可视化模型在BIM 模型环境中有良好的演示和动画功能[6]。

图1 菏泽市某装配式商住楼项目典型楼栋的三维BIM模型

2.2 基于BIM模型的装配式建筑构件工业化制造

与传统的现浇法建筑施工模式不同，预制装配式混凝土建筑施工是应用工业化产品的生产方式，在工厂将建筑结构分成柱体、梁体、墙体、楼梯、阳台等构件进行预制，随后运输至现场按照设计图纸进行吊装拼接，连接方式有套筒灌浆连接、现浇连接等方式，达到“等同现浇”的效果，以形成整体的建筑结构[7]。因此，装配式建筑的施工不仅包括现场的装配，还包括前端建筑结构构件的工业化生产。

构件的生产是居于装配式建筑设计与施工的中间环节，构件信息的精准输入和输出显得尤为重要。然而，装配式建筑的构件结构形式多样、尺寸多变，因此对生产制造过程中构件的信息管理显得尤为重要。基于BIM 技术，可以辅助实现构件的定位和追踪，其主要方法是在生产制造阶段为每个生产构件赋予一个ID（RFID 标签），每个ID 中具有唯一性，其包含了构件的材料属性、构件尺寸、生产日期、生产质量、生产工程等个各种信息，在构建的制造、仓储、运输、吊装和安装过程中产生的施工信息均根据ID 进行定位和追踪，以保证装配式建筑构件生产和建造过程的无缺陷和按需生产。建筑装配式构件ID 是建筑信息化集约化管理有力体现，它直接将虚拟的BIM 数字模型与实际的构件实体相互联系，完成了从传统粗放式生产向精细化生产的转变，保证了信息在装配式建筑全生命周期中的流动。

在装配式生产制造车间，采用工业化流水线的生产模式，可以实现构建短周期的批量生产，生产的装配式构件包括预制楼板、预制墙体、预制楼梯、预制阳台、预制飘窗等，如图2 所示。这些预制建筑构建可以通过BIM 技术的参数化功能实现尺寸的改变，而装配式构件的生产模具和设备可以根据参数化模数进行定制，并重复使用，大大提高装配式预制构建的工业化程度。相对于现场浇筑而言，在构件标准化生产车间（如图3所示）制造的装配式建筑构件具有更高的制造质量和制造精度。

图2 装配式建筑构件生产产品

图3 装配式建筑构件标准化生产制造车间

2.3 基于BIM模型的装配式建筑构件信息化装配

装配式建筑的建造方式属于“搭积木式”的施工，它通过将预制厂生产完成的构件运输至现场，按照一定的拼接方式将构件之间连接拼装，BIM 技术可以构建三维数字模型，结合GIS 地理信息系统对施工场地的设备机械、生产车间以及生产流程等施工场地进行布置，并与时间轴相结合，实现施工模拟的4D生产，并可直观地提供动画施工交底，完成装配式建筑的数字化生产，达到提供施工管理效率、提高工程建造质量、节约工程造价、缩短建筑工期的目的。

在本研究项目的施工阶段，基于BIM 模型可以对装配式建筑的安装模拟、工程量统计、设备和材料进场时间安排以及劳动力的分布进行配置。BIM 技术在数字化建造上的优越性能，打造BIM 综合信息管理平台，能够良好地协同施工阶段多专业、多技术的管理，对施工过程中的海量多源异构数据进行集成，指导现场的装配、安装、验收等，如图4 所示。依托BIM 技术的信息化以及装配式构件施工的工业化，可以实现安装全流程的高度机械化，大大降低了施工的人力成本，同时也可以实现施工阶段装配式建筑建造的可视化和精细化水平，达到“模实一致”的生产效果，可为智慧城市的建设提供数字化建造示范。

图4 基于BIM平台的装配式建筑标准构件吊装施工

3 基于BIM技术的装配式建筑施工控制效果分析

基于BIM 平台技术在施工阶段对装配式建筑施工成本费用进行数据采集和监测，得到装配式建筑施工成本费用节省效果曲线如图5 所示。从图中可以看出，基于BIM 技术对装配化建筑的装配率控制能够起到良好的效果，节省的费用最大，达到240万元；而基于BIM 技术的可视化功能，对外墙的里面施工和外墙施工工艺优化方面的节省费用次之，节省费用均为80 万元；而对配电间施工的节省费用最小，为15 万元。由此可以看出，BIM 技术在装配化建筑施工阶段能够有效地体现价值工程，在BIM模型数字技术的指导下，实现了装配式建筑施工的工艺对比、方案比选、装配率控制等，降低了生产成本，实现了项目综合效益的最大化。

图5 基于BIM技术可视化施工模型的成本节省分析

基于BIM 平台技术在施工阶段对装配式建筑施工进度进行数据采集和监测，得到装配式建筑施工进度计划分析结果如图6 所示。图中A 线为最早开工时间曲线，B 线为最晚开工时间曲线，C线为基于BIM 技术四维可视化施工模拟的进度计划控制曲线，项目的总工期为720d。从图中可以看出，C 线整体上呈现标准的“S 形”，初期施工进度速率较慢，中期施工进度速率迅速，而后期则处于收尾阶段，施工进度速率总体放缓。在380d之内，项目的计划完成工作量均位于A 线和B 线之间，表明实际的工期进度能够满足计划的工期进度要求，而在380～720d，C 线位于B 线之外，表明累计的完成工作量大于计划的完成工作量，施工进度超前。基于BIM 技术四维可视化施工模型的进度计划可以有效地提高项目的周期，为实际的工程施工提供充裕的工期保障。

图6 基于BIM技术可视化施工模型的进度计划分析

4 结论

以菏泽市某装配式商住楼项目一期为研究对象，采用REVIT 软件建立装配式建筑结构三维BIM 模型，运用PROJECT 2020 软件创建施工进度文件，通过BIM 软件开放接口将两者进行集成，用于实现装配式建筑生产的工业化以及装配式的信息化，得到以下几个结论。

①BIM 技术融合了计算机技术与空间虚拟图形图像技术，可以实现建造过程的直观形象展示，多源数据的采集与集成，实现数据信息的交互探讨性和信息动态性，并与图形、符号、视频和三维虚拟模型的载体形式进行表达，大大提升了现代建筑施工过程的信息化和智能化。

②基于BIM 模型对每个装配式构件赋予ID，实现构件的定位与追踪，依托BIM 技术的信息化以及装配式构件施工的工业化，可以实现安装全流程的高度机械化。

③结合项目，基于BIM 技术对施工阶段的管控效果分析表明，基于BIM 技术对装配化建筑的装配率控制能够起到良好效果，节省的费用最大，达到240 万元。在380d之内，项目实际的工期进度能够满足计划的工期进度要求，而在380～720d，施工进度超前。基于BIM 技术四维可视化施工模型的进度计划可以有效地提高项目的周期，为实际的工程施工提供充裕的工期保障。