王 會

(連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，連云港 222000)

引言

裝配式建筑是指預(yù)制構(gòu)件在工廠生產(chǎn)加工，在施工現(xiàn)場裝配而成的建筑。裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑相比，在施工效率、施工精度、施工質(zhì)量以及綠色節(jié)能等方面具有較大優(yōu)勢。裝配式建筑的發(fā)展促進(jìn)了建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，有利于節(jié)能環(huán)保、提高生產(chǎn)力。2016年2月國務(wù)院出臺《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》的文件，提出力爭到2026年，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%。在國家政策的指導(dǎo)下，全國各省市因地制宜發(fā)展裝配式建筑產(chǎn)業(yè)，預(yù)制裝配式建筑已成為建筑產(chǎn)業(yè)的方向標(biāo)。

然而裝配式建筑在建設(shè)的過程中，涉及設(shè)計、生產(chǎn)、運輸和裝配等多個環(huán)節(jié)，具有顯著的集成性和系統(tǒng)性特征，須采用一體化的建造方式。特別在設(shè)計和施工環(huán)節(jié)中，對信息有大量需求[1]，如果某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)信息不對稱，信息傳遞不及時，都會導(dǎo)致施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，從而影響工期和工程質(zhì)量。為了解決上述問題，提高裝配式建筑建造中參建各方的協(xié)同工作效率，在裝配式建筑設(shè)計和施工階段引入BIM技術(shù)，發(fā)揮BIM信息共享和集成優(yōu)勢[2]，促進(jìn)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)更好地發(fā)展。本文以某裝配式住宅項目為例，提出了BIM技術(shù)在裝配式建筑應(yīng)用的基本流程，采用多款BIM軟件交互應(yīng)用，探究了BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計、生產(chǎn)和施工階段的應(yīng)用價值，為今后BIM技術(shù)在裝配式建筑全壽命周期的應(yīng)用提供參考[3]。

1 項目概況

本項目為蘇州市虎丘C地塊保障房建設(shè)項目11#住宅，建筑面積8 219.56m2，地下一層，地上18層，總高59.7m，結(jié)構(gòu)類型為裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度七度，抗震等級三級，建筑設(shè)計使用年限50年。本工程按民用建筑工程設(shè)計等級為居住建筑一級，建筑耐久年限50年，耐火等級地上二級、地下一級； 屋面防水等級I級，項目的三維效果如圖1所示。

圖1 建筑三維模型

2 BIM技術(shù)在裝配式建筑中應(yīng)用的基本技術(shù)路線

現(xiàn)階段裝配式建筑的設(shè)計流程，不少設(shè)計院是在傳統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上增加了構(gòu)件的拆分及深化設(shè)計，盡管設(shè)計方法比較成熟，但由于裝配式項目加工和裝配的精細(xì)化程度較高，協(xié)調(diào)難度較大，如按照傳統(tǒng)設(shè)計方法和施工手段，造成大量的信息不對稱，嚴(yán)重影響了建造的效率和質(zhì)量?；贐IM 技術(shù)的裝配式設(shè)計，優(yōu)化了傳統(tǒng)的設(shè)計流程，其最大的特點利用 BIM 模型庫，采用模塊化的設(shè)計手段，將整個設(shè)計流程串聯(lián)起來，從而提高設(shè)計效率。首先運用建筑信息化BIM技術(shù)對建筑物前期的方案進(jìn)行日照采光、自然通風(fēng)等性能化分析，選擇最優(yōu)的戶型組合方式。根據(jù)建筑模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)部分以及MEP部分的組裝，再將全專業(yè)的 BIM 模型導(dǎo)入到Navisworks、PKPM-BIM等專業(yè)軟件，計算分析整體模型的結(jié)構(gòu)和造價的合理性。最后，在 BIM 模型庫中選出相匹配的構(gòu)件模型進(jìn)一步深化調(diào)整，優(yōu)化后的信息傳遞至加工廠進(jìn)行批量生產(chǎn)。BIM 技術(shù)的應(yīng)用貫穿了裝配式建筑的模塊化設(shè)計、加工和裝配的全過程，其數(shù)據(jù)高度集成，提高了裝配式建筑施工效率，具體的實施流程如圖2所示。

圖2 基于BIM的裝配式建筑設(shè)計施工應(yīng)用流程

3 BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計階段應(yīng)用

3.1 三維可視化協(xié)同設(shè)計

裝配式建筑是集設(shè)計、生產(chǎn)、施工、裝修和管理為一體的集成化建筑，相較于傳統(tǒng)建筑集成化程度較高，全生命周期的各階段都需要各專業(yè)人員共同配合才能完成項目建設(shè)。如按照傳統(tǒng)的二維協(xié)同化設(shè)計，以二維圖紙交付，將存在信息溝通不暢，造成較多的錯漏碰缺等設(shè)計問題。為此，本項目在設(shè)計的過程中，采用了工作集協(xié)同設(shè)計方式，通過工作集將項目的建筑、結(jié)構(gòu)和機電進(jìn)行分解，將分解的子項目分配給多人協(xié)作完成，如雙方設(shè)計內(nèi)容有交叉，可以直接基于三維模型進(jìn)行線上交流，向?qū)Ψ桨l(fā)送申請編輯權(quán)限請求進(jìn)行修改，最后將完成的設(shè)計成果通過局域網(wǎng)同步上傳到服務(wù)器的中心文件，實現(xiàn)專業(yè)間及專業(yè)內(nèi)部之間設(shè)計信息的有效傳遞和交流，減少設(shè)計變更。因此，基于BIM技術(shù)可視化協(xié)同設(shè)計特點，能串聯(lián)起裝配式建筑設(shè)計、生產(chǎn)、施工、裝修和管理的全過程，使得設(shè)計過程運轉(zhuǎn)流暢，實現(xiàn)了BIM技術(shù)的真正價值[4]，有利于裝配式建筑精細(xì)化施工和管理，提高了建造效率。

3.2 預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計及校驗

由于裝配式建筑的特點，BIM模型整體拆分界面不明確，單一預(yù)制構(gòu)件族設(shè)計完成后，在模型組裝的過程中容易出現(xiàn)構(gòu)件拼裝碰撞，尤其是構(gòu)件外露的鋼筋在墻板、梁柱交界處，極易產(chǎn)生鋼筋的位置沖突，此外灌漿套筒和連接鋼筋也容易產(chǎn)生錯位，同時預(yù)制構(gòu)件設(shè)計過程中機電管道洞口未預(yù)留，使得水暖電部件和預(yù)制構(gòu)件發(fā)生沖突[5]，需要現(xiàn)場重新開槽開洞進(jìn)行安裝，影響施工進(jìn)度。為避免出現(xiàn)上述問題，在本項目中將Revit創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到PKPM-BIM協(xié)同設(shè)計平臺，采用PKPM-PC拆分模塊對模型進(jìn)行三維拆分，拆分過程中同時考慮運輸尺寸、吊裝的重量以及裝配的模數(shù)化，匹配工廠和構(gòu)件庫中現(xiàn)有的構(gòu)件。當(dāng)墻、板、柱和樓梯等預(yù)制構(gòu)件完成拆分后，將預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行三維預(yù)拼裝，最后將拼裝后的模型整合到Navisworks平臺，進(jìn)行碰撞檢測、施工模擬，提前發(fā)現(xiàn)施工過程中可能出現(xiàn)的沖突問題，從而深化調(diào)整，最終將優(yōu)化的預(yù)制構(gòu)件通過軟件PKPM-PC導(dǎo)出加工詳圖和材料統(tǒng)計表，將BIM模型深化數(shù)據(jù)信息提供給構(gòu)件廠智能化加工，提高裝配式建造效率，預(yù)制墻板構(gòu)件深化模型及加工圖如圖3、4所示。

圖3 預(yù)制構(gòu)件NQY30-2墻板深化模型

圖4 預(yù)制構(gòu)件NQY30-2墻板加工圖

3.3 管線分段和支吊架設(shè)計

在機電設(shè)計階段，采用品茗HiBIM機電深化功能對本項目的水暖電專業(yè)進(jìn)行了深化設(shè)計，依據(jù)優(yōu)化后的全專業(yè)模型進(jìn)行機電預(yù)制和管線分段，分割范圍結(jié)合實際采用了單根、整段管線，以及管線類型的方式進(jìn)行分割，暖通、橋架以及管道分段連接采用了風(fēng)管法蘭、橋架連接片和管道卡箍連接方式，通過對分段的管線進(jìn)行編號、管線統(tǒng)計和預(yù)制出圖，得到了本預(yù)制機電工程安裝工程量和下料加工圖，為項目后續(xù)施工提供了準(zhǔn)確的資源采購計劃，避免工期延誤。

在機電安裝準(zhǔn)備階段，本項目提前進(jìn)行支吊架設(shè)計、選型和布置(如圖5)，并進(jìn)行承載力驗算，對不合理的進(jìn)行調(diào)整直到驗算通過，最后導(dǎo)出支吊架計算書，作為驗算的記錄報告。在驗算過程中主要設(shè)置支吊架規(guī)格、管線的規(guī)格類型、材質(zhì)密度以及支吊架的布置間距，通過驗算，可以得出支吊架的選型和布置是否符合規(guī)范的要求，如圖6表示支吊架跨度驗算不滿足要求，主要由于支吊架布置間距3m超過了最大間距2.6m要求，其它桿件、焊縫、膨脹螺栓以及根部底板滿足驗算要求。優(yōu)化調(diào)整驗算通過后，對支吊架進(jìn)行編號、按樓層統(tǒng)計支吊架規(guī)格數(shù)量、長度和重量，提高了支吊架施工效率。

圖5 暖通分段和支吊架設(shè)計三維效果

圖6 支吊架驗算

3.4 立面砌體排磚深化設(shè)計

由于裝配式建筑精細(xì)化施工的要求較高，為了使砌體砌筑精準(zhǔn)定位達(dá)到設(shè)計的效果，必須提前做好策劃。本項目采用基于Revit平臺的HiBIM軟件土建深化功能，對外墻磚塊進(jìn)行精準(zhǔn)定位(見圖7)，根據(jù)項目的要求，實現(xiàn)一鍵智能砌體排磚，直接指導(dǎo)施工[6]。通過應(yīng)用BIM技術(shù)的可視化砌體排磚功能，設(shè)置砌體墻、塞縫磚、導(dǎo)墻的材料類型，調(diào)整相應(yīng)的尺寸，結(jié)合現(xiàn)場實現(xiàn)砌體墻的單面和多面墻排磚、同時根據(jù)磚匹數(shù)修改構(gòu)造柱槎高，導(dǎo)出磚的excel形式的材料統(tǒng)計表(表1)和砌體排磚CAD大樣圖(見圖8)，根據(jù)計算出的砌體磚，塞縫磚以及導(dǎo)墻磚的使用量，制定了準(zhǔn)確的材料采購量計劃，在項目中指導(dǎo)工人精準(zhǔn)施工，節(jié)約材料的消耗量，使砌體施工美觀。排磚的過程中還考慮了砌體墻內(nèi)設(shè)置有構(gòu)造柱、圈梁以及翻邊的情況，優(yōu)化磚的最終排布方案，方便工人施工，最大化節(jié)約材料。

圖7 BIM技術(shù)排磚立面深化效果

圖8 排磚CAD大樣圖

表1 局部墻體排磚報表(JZQ 200MM)

4 BIM技術(shù)在裝配式建筑加工和施工階段的應(yīng)用

4.1 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段BIM的應(yīng)用

在裝配式預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)加工階段，采用PKPM-BIM協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)平臺將設(shè)計數(shù)據(jù)，通過自動接收、構(gòu)件庫選擇和Excel導(dǎo)入等多種方式傳遞到PC構(gòu)件加工廠，實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計階段的圖紙信息、關(guān)鍵工序的鋼筋以及預(yù)埋件信息和生產(chǎn)加工階段無縫對接。對構(gòu)件的生產(chǎn)過程，生產(chǎn)進(jìn)度、以及生產(chǎn)的狀態(tài)和工序，通過PDA和二維碼的形式采集記錄每道關(guān)鍵工序信息(如圖9所示)，使構(gòu)件的加工參數(shù)信息和BIM平臺設(shè)計數(shù)據(jù)信息實時同步，避免預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)錯誤、提高了構(gòu)件生產(chǎn)效率[7]。

圖9 預(yù)制構(gòu)件加工信息采集與管理

本項目采用基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，以預(yù)制構(gòu)件BIM模型為核心(如圖10、11)，與生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)進(jìn)行鏈接形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，以計算機輔助制造(CAM)為手段，以物聯(lián)網(wǎng)(IOT)為媒介，通過BIM技術(shù)為設(shè)計院和構(gòu)件廠提供數(shù)據(jù)傳遞和交互的平臺[8]。在預(yù)制構(gòu)件生成加工過程中，通過生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備對BIM信息的自動識別和自動化加工(如圖12)，通過RFID和生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，合理安排排產(chǎn)計劃，整個生產(chǎn)流程采用電子交付方式，提高本項目預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)效率。構(gòu)件出廠前，按照BIM拼裝模型中設(shè)定的構(gòu)件編號，在裝配式建筑構(gòu)件貼上RFID標(biāo)簽(如圖13)，經(jīng)閱讀器掃描出廠，出廠記錄直接反饋于管理系統(tǒng)，通過RFID進(jìn)行構(gòu)件生產(chǎn)信息跟蹤追溯，實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化管理[9]。

圖10 鋼筋混凝土疊合板YB-8a模型

圖11 鋼筋混凝土疊合板YB-8a細(xì)部尺寸

圖12 信息化自動加工流程圖

圖13 二維碼智能化管理

4.2 三維場地布置應(yīng)用

通過BIM施工策劃軟件，導(dǎo)入坐標(biāo)點高程數(shù)據(jù)生成了接近實際施工現(xiàn)場的地形地貌，采用分階段建模的方法，依據(jù)總平面圖完成三維場地布置。通過布置安全文明施工的參數(shù)化模型，創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化的工地，同時可外接AR設(shè)備，實現(xiàn)場地三維全景漫游，增強可視化效果，可視化交底，使施工人員快速了解現(xiàn)場環(huán)境以及安全隱患。在項目前期施工準(zhǔn)備階段，根據(jù)平面布置的原則和規(guī)范，采用BIM技術(shù)對現(xiàn)場材料的堆放和布置進(jìn)行模擬，減少二次搬運[10]。通過對塔吊吊運覆蓋整個施工面進(jìn)行模擬，減少多塔吊起重臂交叉，同時對預(yù)制構(gòu)件的吊裝施工模擬，提前優(yōu)化場地布置和現(xiàn)場的行車路線，將施工安全問題提前暴露出來，及時解決，避免在實際作業(yè)過程中，出現(xiàn)安全隱患，產(chǎn)生較大的變更，嚴(yán)重影響項目的工期和質(zhì)量。

由于本項目地處核心區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜，通過利用策劃軟件進(jìn)行場地布置和施工模擬(如圖14)，復(fù)核材料運輸通道、PC構(gòu)件的吊裝方案，優(yōu)化場地布置，最終施工現(xiàn)場的場地利用率提高約10%，各裝配構(gòu)件的堆場沖突率下降約20%，累計節(jié)約工期約20日[11]。

圖14 項目三維場地布置

4.3 BIM5D施工模擬和全過程管控

品茗BIM5D是以BIM三維模型和數(shù)據(jù)為載體，通過關(guān)聯(lián)施工過程中的進(jìn)度、成本、質(zhì)量以及安全等信息，為項目提供精細(xì)化管理的數(shù)據(jù)支撐。本項目通過 HiBIM 軟件將.rvt格式的BIM 模型通過導(dǎo)入導(dǎo)出功能模塊，導(dǎo)出為BIM5D所支持的 pbim 格式文件，通過采用BIM5D施工模擬建造過程分析，對本項目實際進(jìn)度和成本與計劃進(jìn)度和成本進(jìn)行對比，導(dǎo)出了偏差分析報告，找出了影響施工進(jìn)度和成本偏差主要原因，并在后續(xù)裝配施工過程中，對構(gòu)件的現(xiàn)場吊裝、結(jié)點的連接和灌漿等關(guān)鍵節(jié)點的施工方案進(jìn)行了優(yōu)化，最終縮短工期20天、節(jié)約成本150萬。BIM5D模擬建造過程演示如圖15所示，本工程還采用BIM5D技術(shù)對項目的施工質(zhì)量和安全進(jìn)行了管控，通過實時采集現(xiàn)場的質(zhì)量和安全問題，云同步上傳照片和文檔，對項目進(jìn)行變更動態(tài)管理，將變更信息與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，掌握施工過程結(jié)算和竣工結(jié)算時變更資金的去處。在項目實施的過程中，通過材料統(tǒng)計功能，導(dǎo)出項目的清單、定額以及鋼筋工程量，提前做好了資源的采購、備料計劃，保證項目順利實施。

4.4 BIM可視化信息綜合管理

品茗CCBIM是一款輕量化的移動用模工具，能夠?qū)IM模型、CAD圖紙等文件同步至移動端隨時隨地進(jìn)行查看，并且將移動端采集的數(shù)據(jù)在后臺集中管理，有利于數(shù)據(jù)的可追溯性，支持基于文件發(fā)起任務(wù)和評論，使項目參與方協(xié)作更快捷、更高效。

本裝配式項目實施過程中，將BIM5D、Revit模型以及CAD文件導(dǎo)入到PM-CCBIM管理平臺，參建各方基于平臺進(jìn)行在線瀏覽、問題溝通交流，業(yè)務(wù)流程管控，通過CCBIM發(fā)起任務(wù)實現(xiàn)多維度全過程信息協(xié)同，提高施工和管理效率。在CCBIM平臺應(yīng)用中，施工員在移動端輕量化查看模型并進(jìn)行技術(shù)交流，現(xiàn)場的巡視人員通過WEB端、PC端上傳并管理模型及文件，利用移動端查看并采集現(xiàn)場質(zhì)量、安全和進(jìn)度等有關(guān)的問題，同時將出現(xiàn)的問題數(shù)據(jù)信息同步上傳至CCBIM管理平臺，負(fù)責(zé)人通過平臺及時了解問題，在規(guī)定時間內(nèi)快速進(jìn)行整改優(yōu)化，實現(xiàn)高效的質(zhì)量安全問題處理[12]，提高了裝配式建筑的施工效率，CCBIM可視化項目管理流程如圖16所示。

圖16 BIM可視化項目管理流程

5 結(jié)論

BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件加工以及施工階段的深化應(yīng)用，能較好地實現(xiàn)裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和生產(chǎn)，能夠準(zhǔn)確直觀地表達(dá)設(shè)計意圖，提升拆分及深化設(shè)計質(zhì)量。通過BIM技術(shù)的三維策劃與施工模擬，有助于優(yōu)化施工現(xiàn)場和施工方案，采用BIM5D和CCBIM技術(shù)對裝配式施工進(jìn)行全過程管控和信息化管理，提升裝配式項目的建造效率和質(zhì)量，實現(xiàn)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展。