BIM 背景下装配式智能建造转型化应用

2024-01-26王淑娟杨睿彬

北方建筑 2023年6期

宋双，王淑娟，杨睿彬

（吉林建筑科技学院，吉林长春 130000）

0 引言

21 世纪是建筑行业转型升级的新时代，“十四五”规划中提到要发展智能建造，推广绿色节能建筑及装配式一体化建筑等。要利用当前一切智能化资源，例如：人工智能、物联网、5G 等新兴技术发展建筑业，为今后建筑业和新型工业协同化发展提供新的思路。以BIM 及装配式为首的智能建造生产方式所带来的革新席卷了国内外建筑市场[1]，我国建筑行业的发展正从劳动密集型向智能化建造及管理转型，随着现代互联网产业的兴起，信息技术的发展，以及无线互联网带宽的增加都促进了建筑行业的转型升级。

1 装配式建筑中智能建造的应用现状

1.1 智能建造应用范围及应用深度

为了适应建筑业转型升级，以“信息化”和“智能化”为特色的智能建造技术应运而生，推动了我国智能智慧项目建设发展。

智能建造是指在建造过程中充分利用智能技术和相关技术，通过应用智能化系统提高建造过程的智能化水平，减少对人的依赖，达到安全建造的目的，同时提高建筑的性价比和可靠性。智能建造是以土木工程专业为基础,融合计算机应用技术、工程管理、机械自动化等发展而成的工程建造+数字化、智能化、信息化的新型高度融合的技术,是智能建筑、智能交通、智慧工地、智慧建筑、智慧城市、智慧消防等智能智慧建设项目的建设和实施基础。其能够应用现代化技术手段进行智能测绘、智能设计、智能施工和智能运维管理；能结合传统和智能化建筑工程项目的设计、施工管理、信息技术和咨询服务进行土木工程项目的智能规划与设计、智能装备与施工、智能设施与防灾、智能运维与管理等工作。

1.2 以BIM 为例

BIM 技术是建筑学、工程学及土木工程的新工具。利用现有的BIM 技术和其他现代化技术进行结合, 以优化传统建筑行业的技术功能。目前常用的“BIM+”技术主要有五个方面[2]：BIM+3D 打印技术、BIM+无人机技术、BIM+智能监测技术、BIM+VR 技术、BIM+射频识别技术。BIM 技术涉及七大领域：BIM 模型维护、场地分析、建筑策划、方案论证、可视化设计、协同设计、性能化设计。

1.3 装配式建筑施工信息云同步

随着互联网技术的飞速发展，线上施工信息汇总已成为一种实用的数据汇总方式，对建设单位、监理单位、施工单位都有积极作用。对建设单位来说，线上施工信息汇总能较好掌握工程项目的进展情况，为工程项目的实施和管理提供有力的数据支持；对监理单位来说，可以通过线上施工信息汇总，掌握工程项目的施工进度、质量及安全管理情况等，为监理工作提供重要依据；对施工单位来说，线上施工信息汇总是工程进度、质量等关键数据的重要来源，为提高工程管理水平提供了重要保障（见图1）。

图1 施工云同步

2 装配式智能建造转型化应用

随着科学技术的发展，“BIM+”逐渐成熟并被广泛应用，为装配式建筑的智能化发展带来新的机遇。BIM 为智能建造提供设计、生产、施工等全生命周期数据信息，将精细化的BIM 模型同物联网、人工智能相结合，实现项目协同数据化、项目管理系统化、工程建设组织化，打造智能建造管理新模式。

2.1 BIM+装配式智能建造

以BIM 技术为背景，根据BIM 技术在建筑产业应用的深度，首先进行信息技术的汇总整合并形成数据库；其次对工程数据进行分析、优化、修正并形成工程信息库；最后将此信息库运用于工程管理、企业管理及产业管理，充分发挥BIM 技术和管理的优势。实现项目全寿命周期的细微化管理和智能化管控。BIM 在装配式建筑智能建造过程中应用的整体思路见图2。

图2 BIM 在装配式建筑智能建造过程中应用的整体思路

2.2 BIM 在装配式建筑智能建造设计过程中的应用

本文以华夫筒施工为例分析BIM 技术应用。华夫筒是一种主要应用于工业建筑中，作为洁净室设置及防微震等功能的结构部件（见图3），在国外已广泛应用。然而，由于华夫筒的施工难度大、技术要求高，施工过程中容易出现各种问题，因此如何快速、高效地解决施工难题，提高施工质量与效率需要进一步探讨。

图3 装配式建筑-华夫筒（图片来源：作者自摄）

2.3 BIM 在装配式建筑智能建造生产过程中的应用

项目采用高装配率的快速建造体系，应用BIM技术结合钢结构全生命周期管理系统辅助生产，进行工厂预制、智能运输、现场装配，为能116 d 完成高标准建设任务提供保障[3]。基于RFID 无线射频技术对预制构件的采购、切割、加工、运输、安装状态进行管理，实现构件全生命周期追溯可视化，实现构件管理数据化。

2.3.1 预制构件生产

以钢结构全生命周期管理平台为基础，将轻量化BIM 模型通过NC（数控）数据与加工设备对接，BIM 模型数据信息导入全生命周期管理系统，工厂生产前通过BIM 模型进行生产模拟，根据预制构件的用量信息进行组织排产。

2.3.2 预制构件管理

将BIM 技术融入装配式模型即导入智能建造管理平台，智能化自动形成相应的固定二维码[4]。在不同阶段进行扫码记录，得到相应构件从生产、养护、运输、使用、检验的全过程信息，并将收集的全部数据回传至智能建造平台，达到信息在建筑整个周期的留存，实现构件全生命周期的监管。对现场、平台、模型全流程数据，实现构件状态的实时掌控。

2.3.3 标准大区块养护

在混凝土施工过程中，养护是关键环节，若施工过程中养护不当，混凝土容易出现开裂现象。尤其在北方地区，冬季天气寒冷、温度低，混凝土的浇筑温度也比较低，为了确保混凝土结构的耐久性和安全性，应对混凝土进行有效养护。

传统的养护方式是以人工养护为主，这种虽然能保证混凝土施工质量，但存在很多缺陷，会费时费力，不能及时发现并处理问题。在施工过程中人工养护的标准也较难控制。因此某些企业为了节约成本往往采用一些不正规的方法进行大区块的养护工作。

标准大区块养护是一种比较先进的技术手段。它不仅能保证混凝土浇筑质量、降低施工成本，还能避免在大体积混凝土浇筑时由于温差过大出现裂缝现象。但这种方法在工程竣工后还需要进行定期的检查和维护工作（见图4）。

图4 标准大区块养护

标准大区块养护能保证混凝土浇筑质量，降低施工成本，并通过现场传感器传输信息到计算机系统上能有效提高施工效率、降低劳动强度。所以在施工过程中采用标准大区块养护技术能有效提高施工质量并降低成本。

标准大区块养护技术应用到工程中主要有以下优势：①标准化的施工流程使施工工艺更加规范、科学，操作更加便捷、安全，便于质量控制；②标准化的养护流程能有效避免混凝土出现裂缝现象；③大面积的养护能保证混凝土结构在冬季施工时不会出现冻害问题。

2.4 BIM 在装配式建筑智能建造施工过程中的应用

在智能施工过程中，可以使用移动互联网技术进行监控和管理。根据要求，该系统可以在施工现场进行实时监控。同时，还可以与工地施工人员的专业工作设备进行结合，及时发现和处理事故隐患。智能系统施工工序见图5。

图5 智能系统施工工序

智能施工将人工智能和物联网技术引入建筑施工管理中，从根本上改变了传统的监管模式，大幅提高了安全监管水平，实现了安全生产标准化管理。智能施工在建筑施工中的应用，能够及时发现和处理建筑施工过程中的危险情况，使施工单位在建筑施工过程中能够安全、高效地进行作业，在智能施工的过程中，可以通过无线网络和监控设备对施工现场进行实时监控，并通过视频监控系统和现场报警系统对危险情况进行实时报警[5]。当安全事故发生时，建设单位可以在第一时间采取应急措施，并及时通知相关部门。随着建筑行业的快速发展，建筑工程数量不断增加。由于多种原因，施工现场存在较多不安全因素，导致存在安全事故隐患。智能施工可以通过对施工现场的监控和检测，及时发现并处理事故隐患，从而为建筑工程提供一个良好的环境。

2.4.1 智能监控化管理

在建筑施工过程中，若存在施工人员违规操作、机械设备故障等问题，可能致使建筑结构发生坍塌，对周边的人员造成较大伤害。因此，如何在施工中及时发现和处理危险事故至关重要。

为预防安全事故的发生，建设单位应建立建筑安全监测预警体系，在施工过程中对可能出现的危险进行预警和检测。

2.4.2 BIM 模拟大场地结构整体吊装

随着我国装配式建筑的发展，建造施工中应用整体吊装的施工方式也逐渐成熟。这种整体吊装技术的应用，能够大大提高工程质量和进度，同时降低工程成本[6]。但是在实际应用中，整体吊装技术也存在着一定的安全隐患。由于整体吊装技术难度较小但局限性大，在施工过程中可能会出现意外事故。因此，运用BIM 技术进行整体吊装模拟分析，可以尽可能避免整体吊装过程中出现意外事故。

整体构件的吊装，对于起重设备和吊具的要求较高。在施工前，应根据设计要求、施工现场情况、所需起重设备和吊具的类型，以及当地天气等因素，选择能够满足吊装要求的起重设备和吊具，同时应该考虑到施工现场的安全和环境保护等问题（见图6）。

图6 整体构件的吊装（图片来源：https∶//img.mp.itc.cn/upload/20170622/fc6c97d897b74ac7aebc5a7cbe300a9b_th.jpg）

吊装要根据所选择的起重设备和吊具进行合理的设计，保证其能够满足吊装要求。在设计时，要综合考虑场地面积、重量、结构形式等因素，确保起重设备和吊具能够适应现场环境。构件在吊装过程中可能会遇到一些复杂情况，需要采取一些特殊措施，例如，可以采用多台起重机联合作业的方式，以提高起重效率；或者采用自动化技术、智能化控制等手段，以提高工作效率和安全性。整体式构件的吊装还需考虑成本、工期、技术难度等多方面的因素，在选择起重设备和吊具时，要充分考虑这些因素对工程进度和质量的影响。同时，还应该考虑施工现场的环境因素，如天气状况、风力等，这些因素都可以在BIM 相关软件中进行数值输入，从而进行施工模拟，得出相关的参考资料，使相关实验无需在实验室或现场进行，尤其是破坏性实验，可进一步减少相关成本。