張智（重慶市北碚區(qū)公共保障住房管理中心，重慶400700）

試論BIM技術(shù)在裝配式結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用與發(fā)展

張智
（重慶市北碚區(qū)公共保障住房管理中心，重慶400700）

0 引言

隨著環(huán)保政策的提出，建設(shè)節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展等要求越來(lái)越高，特別是《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》明確提出大力發(fā)展裝配式建筑的要求后，裝配式建筑施工已成為建筑產(chǎn)業(yè)化的必然發(fā)展趨勢(shì)[1]。裝配式建筑施工能實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工廠化、運(yùn)輸物流化以及安裝專業(yè)化，提高施工生產(chǎn)效率，減少施工廢棄物的產(chǎn)生[2]。

1 裝配式建筑

1.1 裝配式建筑的定義

在施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)可靠的連接方式將預(yù)制的構(gòu)件裝配而成的結(jié)構(gòu)，由此結(jié)構(gòu)組成的建筑稱為裝配式建筑(Precast Structure)[3]。

1.2 裝配式建筑的類別及特點(diǎn)

1.2.1 砌塊建筑

砌塊建筑是指采用預(yù)制塊狀的材料砌成墻體為主要裝配形式而形成的裝配式建筑，這種裝配形式主要應(yīng)用在3-5層的建筑中。建筑砌塊分為小型、中型、大型等多個(gè)型號(hào)，其中，小型砌塊的工業(yè)化程度比較低，但是這種砌塊具有靈活方便的特點(diǎn)，從而在實(shí)際工程中應(yīng)用較廣；中型砌塊由于可使用小型機(jī)械吊裝，因此比較節(jié)省勞動(dòng)力；大型砌塊目前大多數(shù)情況下已經(jīng)被預(yù)制大型板材所替代。

砌塊的接縫一般采用水泥砂漿粘結(jié)，小型砌塊除采用水泥砂漿以外，還可采用套接干砌的方法，用以減少施工中的濕作業(yè)工程量。同時(shí)表面經(jīng)過(guò)處理以后的砌塊，還可作清水墻。

1.2.2 板材建筑

板材建筑也被稱之為大板建筑，它是全裝配式建筑的主要類型，由預(yù)制的大型內(nèi)外墻板、樓板和屋面板等板材裝配而來(lái)。板材建筑具有結(jié)構(gòu)重量輕、勞動(dòng)生產(chǎn)效率高、建筑的使用面積相對(duì)較大以及良好的防震能力等特點(diǎn)。這種裝配式建筑的內(nèi)墻板多為實(shí)心鋼筋混凝土板或空心板；外墻板一般為帶有保溫層的鋼筋混凝土復(fù)合板，也可用帶有外飾面的墻板。為提高裝配化程度，常采用將建筑內(nèi)的設(shè)備（如室內(nèi)管道配件或盒式衛(wèi)生間等）集中的方式[4]。大板建筑對(duì)建筑物的造型和布局均有比較大的制約；小開間橫向承重的大板建筑對(duì)其內(nèi)部分隔限制多，因此缺少靈活性。

1.2.3 盒式建筑

盒式建筑是在板材建筑的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來(lái)的另一種裝配式建筑。它的特點(diǎn)是建筑工廠化的程度高，現(xiàn)場(chǎng)安裝快。一般在工廠就可以完成盒子的結(jié)構(gòu)部分、內(nèi)部裝修和設(shè)備，甚至是家具、地毯等均可以安裝齊全。各個(gè)部位的盒子吊裝完成、接好管線后即可交付使用。但是盒式建筑的投資相對(duì)較大，運(yùn)輸和吊裝均不方便，其發(fā)展也因此受到限制。

1.2.4 骨架板材建筑

骨架板材建筑由預(yù)制的骨架和板材組成。其結(jié)構(gòu)有兩種不同的承重形式：一種是由柱、梁組合成框架承重，再通過(guò)結(jié)合樓板和非承重的內(nèi)外墻板共同組成框架結(jié)構(gòu)體系；另一種是由柱子和樓板組合成板柱結(jié)構(gòu)形成承重體系。骨架板材建筑結(jié)構(gòu)比較合理，具有建筑物自重輕，內(nèi)部分隔靈活的特點(diǎn)。

2 國(guó)外裝配式建筑發(fā)展情況

2.1 歐美裝配式建筑

最早實(shí)施裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑的國(guó)家是法國(guó)，自1891年開始，迄今已有130年的歷史。其裝配式建筑從以混凝土體系為主，鋼、木結(jié)構(gòu)體系為輔逐步向大跨度發(fā)展。德國(guó)的裝配式建筑主要采用疊合板、混凝土、剪力墻結(jié)構(gòu)體系，耐久性好，同時(shí)德國(guó)也是世界上建筑能耗降低幅度發(fā)展最快的國(guó)家。美國(guó)自上世紀(jì)70年代能源危機(jī)期間開始實(shí)施了建筑的配件化和機(jī)械化生產(chǎn)，其城市裝配式建筑主要以工廠化、混凝土裝配式和鋼結(jié)構(gòu)裝配式為主，注重工廠通用性，增加施工的可操作性，降低建設(shè)成本。

2.2 日本裝配式建筑

日本于1968年提出裝配式建筑的概念，從部分構(gòu)件裝配化到高裝配化率的建筑，發(fā)展到1990年，他們采用部件化、工廠化生產(chǎn)方式提高生產(chǎn)效率，并且從開始就追求中高層住宅的配件化生產(chǎn)體系。

日本的PC住宅主要是剪力墻結(jié)構(gòu)，它起源于大量供給住宅的需求。因?yàn)楣と藬?shù)量不足，但是又需要縮短工期的情況下發(fā)展出來(lái)的住宅建造方式[5]。為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，日本制定了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，可使每套模具使用達(dá)到200次。1973年之后，標(biāo)準(zhǔn)模具開始不能適應(yīng)市場(chǎng)個(gè)性化需求，如何讓PC住宅滿足個(gè)性化的需求成為開發(fā)商最關(guān)心的事情。為了縮短工期又要保證質(zhì)量，于是“復(fù)合式工法”應(yīng)運(yùn)而生，使生產(chǎn)效率更高。

3 BIM技術(shù)及在裝配式建筑中的應(yīng)用

3.1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是以建設(shè)工程當(dāng)中的各種相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立數(shù)字化模型，并用于建筑工程設(shè)計(jì)、施工管理以及建筑成本核算等數(shù)字化方法。隨著BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域使用率的提升，使其在一些大型建筑工程的設(shè)計(jì)上得到廣泛的應(yīng)用[6]。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性、一體化性、參數(shù)化性、信息完備性等八個(gè)主要特征。

3.2 BIM技術(shù)在建筑中的應(yīng)用

3.2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段

建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，主要以采用BIM技術(shù)與CIS技術(shù)相結(jié)合的方式應(yīng)用于裝配式建筑中，對(duì)擬定的建筑場(chǎng)地空間進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，也是通過(guò)兩種技術(shù)的相互協(xié)作，幫助裝配式建筑管理人員選擇正確的施工場(chǎng)地，完善場(chǎng)地規(guī)劃[7]。

3.2.2 建筑施工階段

建筑施工階段采用BIM技術(shù)便于整個(gè)施工流程的管理控制。首先通過(guò)BIM技術(shù)構(gòu)建模型以后，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬預(yù)制構(gòu)件入場(chǎng)，從而合理安排堆場(chǎng)[8]；其次，BIM技術(shù)用于工程進(jìn)度控制，對(duì)施工方案進(jìn)行施工前的動(dòng)態(tài)模擬分析，使得施工人員能直觀地感受到計(jì)劃和實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的偏差，作出對(duì)應(yīng)的處理消除施工中隱患問(wèn)題[9]。

3.2.3 運(yùn)維階段

由于BIM技術(shù)是完全借助于電子信息平臺(tái)軟件，因此建設(shè)全過(guò)程的工程設(shè)計(jì)施工信息、實(shí)體完成情況以及目前運(yùn)維的狀態(tài)都可以通過(guò)BIM技術(shù)進(jìn)行完整的電子化保存，從而達(dá)到利用計(jì)算機(jī)程序用數(shù)字化的計(jì)算和儲(chǔ)存，優(yōu)化克服了紙質(zhì)檔案易損、體積大的弊端，減少運(yùn)維成本，提高了運(yùn)維效率[10]。

4 鋼結(jié)構(gòu)利于裝配式建筑的特點(diǎn)分析

鋼結(jié)構(gòu)在各項(xiàng)工程建設(shè)中的應(yīng)用極為廣泛，如廠房、橋梁、高層建筑等。鋼材的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、自重輕、整體剛性好、變形能力強(qiáng)，這些特點(diǎn)是決定鋼結(jié)構(gòu)建筑利于裝配式建筑應(yīng)用的基礎(chǔ)。

4.1 材料強(qiáng)度高，自身重量輕

對(duì)于裝配式建筑，需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，就要求材料要便于水平及豎向運(yùn)輸，因此材料在強(qiáng)度滿足要求的情況下，自重越輕越便于裝配式的應(yīng)用。對(duì)比混凝土、木材等普通建筑材料，鋼材的密度與屈服強(qiáng)度的比值相對(duì)較低，鋼材強(qiáng)度以及彈性模量也高。因而在同樣的受力條件下，鋼結(jié)構(gòu)的自重輕，便于運(yùn)輸和安裝。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)制造安裝機(jī)械化程度高

裝配式建筑的特點(diǎn)是施工便捷、工期短，因此在裝配式建筑使用的材料選擇上，也就要求越能降低現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)比例，越符合建筑特點(diǎn)的要求。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件方便于工業(yè)化生產(chǎn)，工廠機(jī)械化制造的構(gòu)件成品精度高、生產(chǎn)效率高、工地拼裝速度快，因此施工工期短。而且鋼材具有可焊接的特性，是混凝土、木材等普通建筑材料所不具備的一大特征，這又恰恰契合了裝配式建筑的特征要求。

4.3 可重復(fù)利用

鋼材可以回收再利用，因此鋼結(jié)構(gòu)建筑拆除后幾乎不產(chǎn)生建筑垃圾，這與裝配式建筑綠色環(huán)保的理念也做到了完美的結(jié)合。

基于鋼結(jié)構(gòu)的上述特性，可以看出，鋼結(jié)構(gòu)建筑很好地契合了裝配式建筑所需要的基本特征，能夠?qū)⒛K化、工業(yè)化的需求很好地運(yùn)用于建筑施工過(guò)程，也成為裝配式建筑發(fā)展的一個(gè)重要階段。

5 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展前景分析

由于鋼材的特性，使得其具有天然的工業(yè)化生產(chǎn)特性，無(wú)論是傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑或者裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，主要的建筑構(gòu)件都需要經(jīng)過(guò)工廠化生產(chǎn)，才能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的基本要求。

5.1 BIM技術(shù)應(yīng)用發(fā)展

伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工運(yùn)用BIM技術(shù)以后，進(jìn)一步提升了鋼結(jié)構(gòu)建筑的裝配化可行性，通過(guò)BIM技術(shù)將構(gòu)件和部件細(xì)化，盡可能使構(gòu)件和部件趨于模塊化，以利于工業(yè)化生產(chǎn)，從生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、批量化上降低生產(chǎn)成本，有利于模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的實(shí)際運(yùn)用。因此，鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合BIM技術(shù)，使設(shè)計(jì)、施工標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化，也必然成為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展方向。

5.2 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展探討

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過(guò)程中，逐漸由現(xiàn)場(chǎng)自制混凝土發(fā)展到商品混凝土階段，從混凝土的生產(chǎn)環(huán)節(jié)控制了混凝土質(zhì)量，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了建筑產(chǎn)業(yè)化。因此，在鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑發(fā)展進(jìn)程中，也可以借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)現(xiàn)今鋼鐵產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出低端產(chǎn)能過(guò)剩的局面，在鋼鐵廠技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)入高端技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，部分不具備創(chuàng)新能力的企業(yè)可以轉(zhuǎn)型為裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工單位或者建設(shè)單位的生產(chǎn)配套企業(yè)，也可以由大型鋼鐵企業(yè)兼并小型企業(yè)以后，專業(yè)從事裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的定制生產(chǎn)。從這種思路入手，一是可以順應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要摒棄過(guò)剩產(chǎn)能，提高鋼鐵產(chǎn)品的附加值，形成可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)鏈；二是從根本上解決鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑定制化構(gòu)件產(chǎn)品的特定生產(chǎn)造價(jià)高的發(fā)展瓶頸，利用現(xiàn)有的地區(qū)固有產(chǎn)能，轉(zhuǎn)化成專業(yè)化、規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，最大限度地降低生產(chǎn)成本，推進(jìn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化。

[1]李治，任藝璇，戴倩東.淺析國(guó)家推廣裝配式建筑的問(wèn)題和前景[J].中國(guó)住宅設(shè)施，2016（2）：19-21.

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Application and Developmentof BIM technology in Prefabricated Structure Construction

裝配式建筑是用預(yù)制品部件在工地裝配而成的建筑。裝配式建筑能有效地減少施工現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，可降低材料浪費(fèi)，減少施工噪聲、粉塵等污染，利于節(jié)能環(huán)保，裝配式建筑的應(yīng)用及發(fā)展具有重要意義。該文闡述裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的特征及BIM技術(shù)在裝配式建筑的應(yīng)用，對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用以及發(fā)展前景進(jìn)行了探討分析。

裝配式建筑；鋼結(jié)構(gòu)；BIM

A prefabricated building is theonemadeof prefabricated partsassembled on the site.It can effectively reduce thewater construction,material waste,and construction pollutions like noise and dust,conducive to energy conservation and environmental protection,so its application and developmentare quitemeaningful.This paper describes the characteristicsof the prefabricated steel structurebuilding and the application of BIM technology in theassembly building,and discussesand analyzes theapplication and developmentprospectsof the prefabricated steelstructurebuilding.

prefabricated building;steelstructure;BIM technology

TU-02，TU 741

A

1671-9107（2017）07-0041-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.07.041

2017-04-11

張智（1986-），男，湖南瀏陽(yáng)人，本科，工程師，主要從事房屋建設(shè)與管理工作。