吳反反， 孫文靜， 汪德江， 顧文政

（1.上海大學(xué)土木工程系，上海200444；2.上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海200040；3.上海龍勝建設(shè)咨詢有限公司，上海200434）

0 引 言

近幾年，建筑信息模型（BIM）技術(shù)已經(jīng)以各類競賽形式在高校內(nèi)推廣開來，學(xué)生參與度高，對新興技術(shù)接受能力較強，而裝配式建筑剛剛從一線城市發(fā)展起來，開始逐漸向中國內(nèi)陸城市大面積推進，但具備BIM技術(shù)和裝配式建筑設(shè)計、施工技能方面的人才嚴重匱乏［1］，高校更是缺少成熟的項目經(jīng)驗作為教學(xué)案例。因此，很有必要從教學(xué)的角度去研究現(xiàn)有裝配式建筑項目案例，整合項目成果并運用到土木工程專業(yè)教學(xué)實踐中，不斷創(chuàng)新土木類課程教學(xué)方法，從而提升高校裝配式人才儲備能力。

發(fā)展裝配式建筑有利于整個建筑行業(yè)節(jié)能減排，提高工程建造技術(shù)，符合現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢［2］。國外基于高昂的人工成本，發(fā)展成熟的預(yù)制加工工廠，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)已經(jīng)在歐美的建筑業(yè)中得到了廣泛運用［3］。目前我國也通過結(jié)構(gòu)性調(diào)整，引領(lǐng)建筑行業(yè)逐漸向工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型。

由于裝配式建筑在我國剛剛興起，因此裝配式專業(yè)人才嚴重不足，市場上具備裝配式建筑專業(yè)技能的工程師數(shù)量遠遠小于市場需求［4］。工業(yè)化從生產(chǎn)過程到現(xiàn)場實施組裝都需要三維的設(shè)計參與，需要大量運用BIM技術(shù)、3D打印、VR（虛擬現(xiàn)實）技術(shù)等新技術(shù)，而這方面的專業(yè)技術(shù)人員也是嚴重不足［5］。裝配式專業(yè)人才的不足嚴重阻礙了裝配式建筑的發(fā)展。BIM技術(shù)為裝配式建筑專業(yè)人才的培養(yǎng)提供了很好的手段，將BIM技術(shù)與裝配式建筑施工相結(jié)合，可以讓學(xué)生從三維的角度了解掌握裝配式施工，讓學(xué)生更為直觀地感受裝配式建筑，加強學(xué)生對裝配式建筑的認知，提升學(xué)生對裝配式建筑施工的了解，無疑將有效解決當前裝配式專業(yè)人才不足的問題。

伴隨著BIM熱潮的興起，國內(nèi)運用BIM技術(shù)設(shè)計建造的項目案例不勝枚舉。尤其是設(shè)計階段，在碰撞檢查、凈高分析、管線綜合等方面的運用已較為成熟，積累了大量實際項目的實施經(jīng)驗，但將裝配式建筑設(shè)計與建造和BIM技術(shù)相結(jié)合的項目案例不多，相關(guān)教學(xué)案例更是匱乏。國內(nèi)外許多專家學(xué)者研究了高校在BIM技術(shù)和裝配式建筑方面的培養(yǎng)方案以及課程設(shè)置等，例如，趙彬等［6］指出國內(nèi)高等院校在培養(yǎng)過程中存在的主要問題，并提出打造“雙師型”教師隊伍的建議。尚春靜等［7］提出基于BIM的相關(guān)理論課程內(nèi)容與實踐教學(xué)模式創(chuàng)新及實施措施。曾在平等［8］著重探討了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)融入結(jié)構(gòu)課程的“BIM工作室”實訓(xùn)教學(xué)模式。吳智明［9］構(gòu)建了基于BIM的裝配式建筑視角下高校人才培養(yǎng)體系。李秋娜等［10］提出應(yīng)當打破傳統(tǒng)培養(yǎng)模式，通過建設(shè)專業(yè)群的方式來制定人才培養(yǎng)方案。這些研究促進了裝配式建筑課程建設(shè)的發(fā)展，但上述研究大多是一種理念，缺乏具體的操作指南，很難落實到教學(xué)實踐中去。同時，在推廣過程中會遇到諸多客觀條件的限制，未從教學(xué)內(nèi)容出發(fā)，分析可能遇到的問題及相應(yīng)的解決方案。

為此，本文借助實際的項目工程來具體分析BIM技術(shù)如何與裝配式建筑結(jié)合進行指導(dǎo)現(xiàn)場施工的，在此基礎(chǔ)上進一步研究如何將項目成果轉(zhuǎn)化成適應(yīng)于高校推廣的教學(xué)內(nèi)容。該研究有利于促進建筑工業(yè)化發(fā)展，有利于快速構(gòu)建裝配式課程框架，有利于驅(qū)動裝配式建筑人才培養(yǎng)新模式。

1 BIM技術(shù)在裝配式建筑現(xiàn)場管理應(yīng)用課程

BIM技術(shù)在裝配式建筑現(xiàn)場管理的應(yīng)用課程是借助BIM技術(shù)平臺，建立裝配式建筑三維立體模型，以BIM模型作為項目信息輸出源來管理所有構(gòu)件和項目施工節(jié)點信息，并基于BIM模型模擬現(xiàn)場施工過程，研究優(yōu)化現(xiàn)場管理方案，最終將研究成果作為教學(xué)內(nèi)容。

這不僅能培養(yǎng)學(xué)生在BIM技術(shù)和裝配式建筑方面的技能，還能讓學(xué)生真切感受到裝配式建造工藝給行業(yè)帶來的價值，以及運用BIM技術(shù)在推行裝配式建筑過程中發(fā)揮的優(yōu)勢。

（1）BIM技術(shù)有利于裝配式建筑進行標準化設(shè)計。建筑按照使用功能可分類為居住建筑、公共建筑、工業(yè)建筑等，它們各自有特定的使用對象和項目特征，比如文教建筑有標準的教室、醫(yī)療建筑有標準的病房、商業(yè)建筑有標準的商鋪等［11］。工業(yè)化在做模塊化生產(chǎn)的時候，PC工廠需要針對不同的使用功能生產(chǎn)出相應(yīng)的標準單元，引入BIM技術(shù)后，可在設(shè)計階段將這些標準單元制作成“族”，由各類參數(shù)控制，形成與裝配式建筑匹配的“族庫”。對于相似的工程類型，這些參數(shù)化的標準單元還可重復(fù)使用，大大節(jié)省了施工單位在做BIM深化設(shè)計時的時間成本。

（2）裝配式建筑的興起其實是建造技術(shù)升級的體現(xiàn)。單從精確度這個方面來看，裝配式建筑對預(yù)制構(gòu)件的精確度要求很高，僅靠傳統(tǒng)的設(shè)計施工手段滿足不了裝配式的構(gòu)件連接要求，常常會出現(xiàn)鋼筋定位與構(gòu)件預(yù)留套筒位置不一致的情況，而且現(xiàn)場進行的補救措施將嚴重影響到工程的質(zhì)量以及整個工程的工期。若采用BIM技術(shù)，①可以精確建模，②可以實現(xiàn)信息流從設(shè)計到建造完整的傳遞，避免信息缺失，嚴格把控施工質(zhì)量。

（3）基于BIM的施工進度計劃能夠進行可視化仿真模擬。在裝配式項目中，將進度計劃信息與BIM各專業(yè)模型整合在一起，可生成施工動畫，達到虛擬施工的效果。該過程包含對疊合樓板、柱、梁等構(gòu)件及其相關(guān)節(jié)點連接形式的可視化以及施工工序的模擬，對于構(gòu)件與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的連接做法、吊裝方案等可通過動態(tài)信息展示，讓學(xué)生直觀而又全面了解裝配式建筑的建造流程。在實際工程應(yīng)用中，施工模擬解決了現(xiàn)場吊裝涉及的工序問題，同時展示了所有構(gòu)件在現(xiàn)場堆放的具體位置，保證了整個項目的工期及質(zhì)量安全，真正實現(xiàn)BIM指導(dǎo)施工的價值。

課程面向高校建筑、土木工程類相關(guān)專業(yè)，以BIM教學(xué)模型作為建設(shè)載體，融入土木類實驗虛擬仿真平臺，打造虛實結(jié)合、理實一體化、特色鮮明的課程體系；建成可以滿足認知教學(xué)、專業(yè)教學(xué)和實訓(xùn)實操等多方位培養(yǎng)手段的平臺；改變傳統(tǒng)的教科書式的教學(xué)模式，結(jié)合數(shù)字集成技術(shù)以及3D、4D的交互方式，形成多維度且具有創(chuàng)新性的教學(xué)模式。

2 課程研發(fā)——以裝配式實驗樓為例

該課程以某裝配式實驗樓項目作為研究載體，運用最前沿的軟件配置，包含三維模型創(chuàng)建載體Revit系列，三維模型交付載體Naviswork，模擬動畫載體Synchro 4D，施工進度計劃載體Microsoft project等。利用Revit系列建模軟件構(gòu)建項目建筑、結(jié)構(gòu)、幕墻多個三維模型（如圖1、圖2），模型構(gòu)建完成后，對模型進行后期處理。在模型中預(yù)設(shè)好教學(xué)使用的相關(guān)視圖，如專業(yè)三維視圖，平面視圖，節(jié)點詳圖及明細表等，這些視圖便于指導(dǎo)老師查閱模型。學(xué)生在不熟悉BIM軟件情況下，參照簡要操作說明，可以方便快捷查找相關(guān)模型信息。另外，考慮到現(xiàn)有的教學(xué)資源條件有限，不完全符合Revit模型的安裝要求，因而可以通過導(dǎo)出輕量化模型技術(shù)手段，壓縮文件大小，提高其教學(xué)適應(yīng)性。學(xué)生不用安裝龐大的建模軟件，只需安裝審閱模型軟件，可以明顯提高學(xué)生的參與度。

圖1 建筑幕墻模型

圖2 結(jié)構(gòu)專業(yè)模型

課程將理論教學(xué)與實踐教學(xué)結(jié)合以三維動畫的形式呈現(xiàn)，讓學(xué)生清晰地了解施工現(xiàn)場工序和裝配式建筑現(xiàn)場管理的關(guān)鍵技術(shù)。以某裝配式實驗樓為例，課程內(nèi)容可圍繞以下幾個方面來設(shè)置。

2.1 吊裝方案

預(yù)制構(gòu)件從生產(chǎn)、運輸?shù)浆F(xiàn)場安裝的整個過程都涉及吊裝技術(shù)。如圖3所示，依據(jù)不同構(gòu)件的受力特性需設(shè)計出不同的吊裝方案，包括預(yù)制樓梯梯段、預(yù)制梁、板等的吊環(huán)位置，脫模起吊的方式，以及運輸構(gòu)件時的支撐形式。通過模擬現(xiàn)場吊裝環(huán)境，場地布置情況，可計算出能夠覆蓋整個吊裝區(qū)域的回轉(zhuǎn)半徑，進而在虛擬環(huán)境中模擬機械吊裝作業(yè)，優(yōu)化機械設(shè)備管理［12］。

圖3 預(yù)制構(gòu)件吊裝方案

2.2 預(yù)制構(gòu)件連接

裝配式建筑具有預(yù)制率高、建造效率高等特征，為了滿足裝配式建筑的整體穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)安全性要求，構(gòu)件與構(gòu)件之間、構(gòu)件與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間的連接節(jié)點的處理就變得尤為關(guān)鍵。常見的預(yù)制構(gòu)件之間的連接方式采用機械連接，具有較高的穩(wěn)定性［13］，如圖4則為在BIM模型中模擬的預(yù)制柱和預(yù)制梁之間的套筒灌漿連接。疊合板常采用的是現(xiàn)澆式連接，并在預(yù)制疊合板與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的連接面設(shè)置粗糙面。

圖4 套筒灌漿連接

2.3 施工進度動態(tài)管理方法

如圖5～7所示，將模型的3D對象與資源分配和施工組織計劃聯(lián)動，每一個施工工序所對應(yīng)的資源配置情況和施工對象在模型中的定位清晰可見，可為制定項目施工組織計劃提供更為全面的信息，并能及時預(yù)判和發(fā)現(xiàn)進度延后的問題。

利用BIM模型模擬施工進度，直觀的3D BIM模型以及4D施工工藝展示可實現(xiàn)數(shù)字教學(xué)與實踐教學(xué)的一體化，提升了教學(xué)效果，有效地讓學(xué)生掌握裝配式建筑和傳統(tǒng)建筑的區(qū)別，在今后的工作實踐中有效地排查不合理的工期計劃方案。同時，通過模擬進度管理活動，增進對項目管理任務(wù)的理解，提高協(xié)同管理的實踐能力［14］。

圖5 模型構(gòu)件與資源關(guān)系圖I

圖6 模型構(gòu)件與資源關(guān)系圖II

圖7 施工進度計劃甘特圖

2.4 造價管理

與傳統(tǒng)現(xiàn)澆項目相比，裝配式建筑的生產(chǎn)流程，施工工藝有很大差別，同時也是影響項目直接費和間接費計算的主要因素。此外，政府對預(yù)制構(gòu)件定價標準還不夠完善，造價人員的詢價工作也較難進行。

目前，基于Revit平臺下的明細表功能可以反映項目計量計價相關(guān)的信息，在明細表中可清晰預(yù)覽預(yù)制構(gòu)件的項目特征描述、工程數(shù)量等信息。在設(shè)計階段，依據(jù)模型算量結(jié)果可計算出預(yù)制裝配率指標，通過提高裝配率來降低造價。在施工階段，裝配式建筑構(gòu)件標準化程度直接影響現(xiàn)場支模周轉(zhuǎn)率，從而影響工程造價里面直接費的計算。

通過分析PC模型構(gòu)件明細表，學(xué)生對裝配式建筑的基本構(gòu)造有直觀的認識，對市場上的預(yù)制構(gòu)件廠家的生產(chǎn)現(xiàn)狀有較全面了解。指導(dǎo)老師結(jié)合預(yù)制構(gòu)件明細表對各節(jié)點處理方案形象而又系統(tǒng)地進行教學(xué)講解（見圖8），解決了教學(xué)內(nèi)容滯后于行業(yè)發(fā)展的問題，并提高了學(xué)生對裝配式建筑相關(guān)知識的重視程度。

圖8 預(yù)制構(gòu)件

3 結(jié) 語

BIM技術(shù)在裝配式施工管理中的應(yīng)用涉及到的知識面很廣、相關(guān)專業(yè)和輔助軟件眾多。在有限的課時中，該課程的主要目標是讓學(xué)生熟悉BIM技術(shù)并自覺將其運用到其后的學(xué)習與工作實踐中去。

該課程的成功實施不僅可以培養(yǎng)裝配式建筑的專業(yè)人才，同時能夠推廣BIM技術(shù)在土木領(lǐng)域的發(fā)展，為培養(yǎng)兼具BIM技術(shù)能力的設(shè)計師、工程師起到助推作用。更重要的是，該課程內(nèi)容設(shè)置符合裝配式市場發(fā)展趨勢，可充分引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮自主創(chuàng)新精神。