基于BIM 技术的装配式建筑施工模拟研究

杨博伦 杨自强 蒋 琪 孔 阳

相较于传统的现浇式整体建筑，装配式建筑施工周期短、建筑垃圾少、绿色环保性好，但装配式施工技术尚不成熟。装配式建筑可能存在预制板拼缝及板带处漏浆、叠合板与混凝土交接处较多或预制构件与现浇混凝土发生叠合等问题，产生各种隐蔽缺陷，导致后期修补费用较高，甚至会出现严重破损。在装配式建筑中建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术是一种新兴的建筑技术，因其应用较晚，在施工模拟上可参考的项目不多[1]。于是，研究BIM 技术在装配式建筑施工模拟中的应用十分必要。

1 装配式建筑施工应用BIM 技术的价值

1.1 BIM平台选择

在建筑工程领域，Autodesk 平台和Bentley 平台是比较完善的2 个BIM平台[2]，关于两者的详细对比如表1所示。在装配式建筑施工过程中，需多专业、多部门的相互协调，故而对数据交互能力的要求非常高，建议采用Autodesk 平台上的Revit MEP 软件、Navisworks 软件和施工现场布置软件进行施工模拟。

表1 BIM 平台对比

1.2 BIM技术应用优势

BIM 技术具有可视化、协调性和可出图性等特点，能够建立装配式建筑的3D 模型，并模拟施工流程，从而有效提高装配式建筑的施工质量[3]。BIM 技术在装配式建筑施工过程中的应用价值体现在以下方面。

1.2.1 解决施工组织问题

如果施工场地受限，可利用BIM的可视化功能模拟预制构件的生产、进场、验收、堆放和吊装等施工环节，直观展示施工重点。还可以借助BIM技术合理安排施工组织计划。

1.2.2 提高施工单位的管控能力

应用BIM 软件对装配式建筑的管线、梁柱和墙体等构件进行碰撞检查，以便在施工前发现问题，避免在施工期间出现较大变更，从而影响施工进度和成本控制效果。

1.2.3 协同性好

在传统的施工模式下，不同技术人员对接以纸质或电子文件为主，沟通实时性差。利用BIM 技术可以构建协同管理平台，并赋予技术人员权限，使他们能够实时查询建筑物的施工信息，从而更好地协同作业。同时，技术人员可以将装配式建筑施工过程中出现的各种问题详细记录在BIM 模型中，并且可实时更新，以免出现互相推诿的现象。

2 BIM 技术装配式建筑中的施工模拟要点

2.1 工程概况

龙德井片区危旧房改造项目—酒店工程，位于福建省莆田市城厢区凤凰山街道，东临胜利南街。该项目属于单栋建筑，采用框架-剪力墙结构，设计使用年限为50 年，结构安全等级为二级，结构耐火等级为一级，抗震设防烈度为7 度。

该建筑项目的总建筑面积为35081.22 m2，标准层层高为3.50 m，非标准层层高为3.85 ～4.10 m。酒店地上部分共20 层，建筑面积为27866.11 m2，主要作为办公室、旅馆和设备用房使用。地下共2 层，建筑面积为7215.11 m2，包括机动车库、消防水池泵房、生活水池泵房和配套设备用房等。该项目最大的创新点为“全专业协同BIM 设计、BIM 技术模拟施工”。

2.2 建立预制构件库

预制构件是装配式建筑施工模拟的基础。构件库既要具备通用性和可扩展性，还要有独立性。虽然Revit 软件未内置专门的装配式建筑构件族库，但可以利用拉伸、旋转、融合和放样等命令自定义族库。

2.2.1 构件编码信息

为方便装配式建筑构件的选择和拼装，要制订构件库编码原则。将装配式建筑划分为基础工程A、外封闭工程B、内部结构C、配套设施D 和建筑场地E 等部分，并采用UNIFORMATⅡ体系进行分级编码[4]。因为每个构件所包含的几何信息不同，且因使用者的需求也各不相同不同，其对构件信息的深度等级要求也有区别，如表2 所示。

表2 构件信息及深度等级需求

2.2.2 构件入库管理

装配式建筑构件自定义完成后，要检查每个构件的信息，检查无误后才能入库。构件入库后，要赋予不同级别管理人员不同的权限。如普通员工只能查询构件的基本信息，而管理人员能够增加、删除和修改构件。

2.3 构件碰撞检测

2.3.1 碰撞检测的流程和内容

在施工前，可利用BIM 技术对建筑物的不同构件进行碰撞检测，及时发现施工工序衔接问题，提前编写解决方案[5]，具体为：第1，将Revit 软件建立的三维模型导入Navisworks 软件，并在“Clash Detective”模块中添加检测对象，设置检测类型等参数。第2，进行构件碰撞检测，自动生成构件的碰撞检测报告。第3，技术人员根据碰撞点的位置和距离等相关信息，查明碰撞原因，并修改建筑模型。第4，再次进行碰撞检测，直至模型无碰撞点。在施工阶段无法处理的碰撞点，应及时上报建设方或监理，并移交设计单位修改。

装配式建筑的碰撞检测包含构件内部的碰撞检测和构件之间的碰撞检测：第1，预制构件内部的碰撞检测内容包括钢筋与预理件的碰撞、钢筋和灌浆套筒的碰撞、预制柱体顶出筋与套筒空隙的碰撞以及预制梁侧面出筋与套筒空隙的碰撞等；第2，预制构件之间的碰撞检测内容包括不同梁体、柱体、板体及给排水管道之间的碰撞[6]。

2.3.2 碰撞检测结果

对该酒店建筑进行碰撞检测后，发现了3 处碰撞点，即2 处预制梁侧出筋的碰撞，1处预制柱顶出筋的碰撞。立刻修改模型，将隐患和问题解决在施工前。

2.4 构件施工过程模拟

2.4.1 构件生产

在装配式建筑构件生产期间，生产人员可以通过Revit 软件建立的三维模型了解设计意图，并可自动提取建筑模型中各个构件的几何信息，这样有利于控制预制构件尺寸[7]。

2.4.2 构件堆放和装卸

施工场地随意堆放材料的现象，使材料装卸过程存在安全隐患。为解决这一问题，可以利用施工现场布置软件来模拟预制构件的堆放，以便提高场地利用率，避免预制构件的二次倒运。

同时，在BIM 数据库中增加“材料管理”模块，能够实时更新材料的消耗量、剩余量、堆放位置及堆放高度等参数。施工技术人员可以在移动端实时查询相关信息，避免材料装卸冲突。

2.4.3 构件运输

在装配式建筑施工场地中，大量机械设备混杂，在BIM 数据库中增加“机械管理”模块，输入机械设备的型号、数量、用途以及当前使用情况等信息，合理布置机械设备位置，按需分配机械设备资源[8]。同时，BIM模型还可以结合全球定位系统（Global Positioning System，GPS）技术，动态跟踪机械设备的位置，模拟预制构件的运输路线。

2.4.4 构件吊装

以外墙吊装为例，如果吊装点的位置存在偏差，会导致预制墙体无法吊装至设计位置，造成工程返工，甚至掉落，威胁施工人员安全。在构件运输至施工现场后，应将吊装机械设备的数量、起吊能力和构件安放位置等参数输入三维模型，利用BIM 技术确定最优吊装顺序。同时，利用Navisworks 软件对多个运行中的塔式起重机进行碰撞检测，如果出现碰撞，则需要调整塔式起重机的位置，优化现场布局。

2.4.5 构件装配

装配式建筑施工方式是“搭积木式”的构件装配过程。由于预制构件在生产期间具有唯一编码（Identity document，ID），因此其包含了构件详细的几何信息。

在三维建筑模型中，可以利用ID实时定位和追踪每个构件的位置，为构件拼装创造便利。同时，BIM 模型还可以与时间轴结合，实现4D 生产，为装配式建筑提供动画交底功能，提升其施工效率和施工质量。

3 基于BIM 技术的装配式建筑施工成本和进度模拟

3.1 施工成本

在过去的装配式建筑项目中，施工技术人员一般通过Microsoft Office Excel和Microsoft Office Word等软件，统计各分部、分项工程的工程量，准确性较差。对于隐蔽工程，技术人员无法在现场实时监督，难以准确判断分包单位上报的工程量与实际工程量是否一致，这样不利于控制施工成本。

借助三维模型能够提取装配式建筑各个构件的具体位置、长度、面积和体积等参数，并自动导出工程量明细表[9]。工程量明细表可自定义字段、过滤器、排序方式和格式等内容，如表3 所示。

表3 预制构件工程量明细表自定义内容

3.2 施工进度模拟

大多数建筑项目的进度模拟依赖于横道图或网络图，这不仅需要较强的专业知识，而且导致建设方对进度管理的参与感不足。在Revit 软件建立的三维建筑模型中关联进度计划，形成4D-BIM 模型，并借助协同管理平台，增强建设方的参与感。

4 施工效果评价

基于BIM 平台，统计龙德井片区危旧房改造项目—酒店工程关键分部分项工程的节省费用和节省工期，绘制折线图如图1 所示，由图可知利用BIM 技术能够有效降低装配式建筑的施工成本。各分部分项工程节省费用排序为外墙板、外墙立面、叠合板、给排水管道、配电间。装配式建筑施工期间应用BIM 技术，为项目按期交付提供了保障。

图1 装配式建筑优化效果（来源：作者自绘）

该酒店施工初期进度较慢，随着资金、人员和设备的陆续到位施工进度快速提升，但施工末期进度变缓。应用BIM 技术后，外墙立面的施工工期节省了6 d；配电间和排水管道施工工期减少，不够明显，仅为2 d。

5 结语

本文以龙德井片区危旧房改造项目—酒店工程为例，研究了BIM 技术在装配式建筑施工模拟中的应用。在装配式建筑施工过程中，应用BIM技术能有效解决施工组织问题，提高施工单位的管控能力，实现技术人员的协同作业。

Revit MEP 软 件、Navisworks 软件和施工现场布置软件的相互配合，可以实现三维模型建立、碰撞检测和构件库自定义的功能，并模拟构件的堆放、运输、吊装和装配等过程。此外，在三维模型中关联工程量明细表和进度计划，能够实现成本控制和进度模拟，有助于节约工程造价和缩短施工工期。