亢磊磊 呂秋林 屈芝茗 黃佳寧 廖天袁 楊浩田

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑工程建設規(guī)模也日益擴大，對建筑水平和質(zhì)量提出了更高要求，因此裝配式工程在大跨度、高技術、輕質(zhì)高強方面都得到廣泛應用。由于傳統(tǒng)預制構(gòu)件所采用的原材料多為單件小批量生產(chǎn)，這就使得生產(chǎn)效率低且勞動力不足，同時因為裝配式施工具有高效性與節(jié)能化等優(yōu)點而備受青睞。

建筑信息模型（BIM）是未來信息建筑發(fā)展趨勢的一個新方向，在建筑工程領域，BIM 技術也將成為建筑工程領域今后發(fā)展的一個趨勢。在裝配式建筑中，設計師能夠根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，對建筑項目進行合理的規(guī)劃，并通過三維建模軟件建立工程模型。同時還能利用CAD/CAM 等計算機輔助設計工具來實現(xiàn)構(gòu)件之間、結(jié)構(gòu)和設備間以及各專業(yè)之間協(xié)同工作能力及信息共享與協(xié)調(diào)控制功能；裝配式建筑相比于傳統(tǒng)建筑的形式，具有施工周期短、環(huán)境污染小、標準化程度高等優(yōu)點，是未來建筑行業(yè)的發(fā)展方向[1]。

此外，由于裝配式建筑工程具有靈活性高、可移動性強以及易于管理與控制等特點，被廣泛應用于各個領域中；同時因為構(gòu)件之間及各專業(yè)間能夠有效協(xié)同工作，實現(xiàn)信息共享和協(xié)調(diào)一致化，可以減少因施工過程造成的資源浪費[2]。因此，BIM 技術在傳統(tǒng)建筑行業(yè)中的應用前景廣闊，將BIM 技術設計理念與裝配式結(jié)合是未來發(fā)展必然趨勢[3]。

1 裝配式建筑和BIM 技術的基本理論

1.1 裝配式建筑基本理論

目前我國裝配式建筑工程中主要使用的是鋼筋混凝土框架。隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展進步，人們生活水平提高以及城市化進程加快帶來的城鎮(zhèn)化建設規(guī)模日益擴大，建筑行業(yè)得到快速發(fā)展的同時也給其帶來巨大挑戰(zhàn)，如建筑業(yè)與其他產(chǎn)業(yè)之間聯(lián)系越來越緊密，隨著裝配式建筑工程的規(guī)模逐漸擴大，其造價也隨之上升；我國目前正處于城鎮(zhèn)化進程中，建筑業(yè)對資金、技術等要求較高。

裝配式建筑是一種集生產(chǎn)、施工、裝飾、設計為一體的建筑系統(tǒng)，這種類型的建筑具有非常明顯的集成化特征[4]。裝配式建筑是指將預制構(gòu)件按照一定的工藝設計，通過節(jié)點構(gòu)造連接成一個整體，然后再進行安裝、調(diào)試等工作。這種結(jié)構(gòu)具有施工簡單和造價低等特點。因此在發(fā)展新工藝下進行新型預制構(gòu)件及結(jié)構(gòu)設計成為現(xiàn)階段建筑行業(yè)的必然趨勢。但限制裝配式建筑在市場內(nèi)推廣使用的主要原因是此類建筑的設計經(jīng)驗較少，即設計的成果經(jīng)常在現(xiàn)場裝配施工時出現(xiàn)節(jié)點碰撞的問題，此種問題不僅對建筑整體設計質(zhì)量造成影響，還會對工程的后續(xù)裝配施工造成干預[5]。

1.2 BIM技術基本理論

BIM 技術即建筑信息模型技術，通過將工程項目建設中所需應用的各類數(shù)據(jù)信息輸入至計算機中，即可創(chuàng)建形成建筑工程虛擬模型。它可以將建筑工程進行模型化處理，并且其輸出模型不是簡單意義上的三維輸出，而是指在三維模型的架構(gòu)之上，對模型進行信息化處理，添加建筑工程屬性，讓建筑工程具有生命力。

BIM 技術的功能：第1，利用數(shù)字信息技術構(gòu)建一個完整而又精確高效且易于維護的信息平臺：將BIM 技術應用到傳統(tǒng)二維平面設計和三維立體模型制作，可通過對構(gòu)件數(shù)據(jù)進行計算生成三維空間圖形；第2，利用數(shù)字信息模型對構(gòu)件進行三維實體建模，可將裝配式建筑的各個過程模擬成一個完整而又精確的虛擬空間，并通過BIM 技術實現(xiàn)動態(tài)、靜態(tài)碰撞仿真；第3，利用數(shù)字信息模型進行可視化的建模：在裝配式建筑中，構(gòu)件之間通過二維空間數(shù)據(jù)相互連接，并可以對其結(jié)構(gòu)特征和施工過程模擬出真實、精確的三維實體，幾何形狀通過這種虛擬的空間實體的建立，可對裝配式建筑進行全方面、多層次設計，并最終實現(xiàn)三維幾何造型；第4，可通過三維實體模型對裝配式建筑進行虛擬仿真，并利用BIM 的模擬功能，將其在設計過程中所產(chǎn)生出來的數(shù)據(jù)信息與傳統(tǒng)二維平面圖對比來實現(xiàn)設計修改及優(yōu)化。

1.3 裝配式建筑的發(fā)展歷程

裝配式建筑的發(fā)展在我國建筑工程中逐步推廣和應用，從1998 年開始，我國先后開展了“全國工裝企業(yè)技術改造工程”、2000 多家新建住宅小區(qū)建設等大規(guī)模項目。目前我國的裝配式建筑主要是以傳統(tǒng)設計模式為基礎，對其進行優(yōu)化、改進，并在此基礎之上結(jié)合現(xiàn)有信息資源與市場需求等方面提出相應措施，但由于裝配式建筑發(fā)展在中國起步時間較短，所以在技術、市場和管理等方面都存在不足，導致其應用水平與國外發(fā)達國家還有一定差距。在歐美、日本、韓國等發(fā)達國家中，廣泛采用“預制裝配化施工技術”，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)標準化、產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、智能機械化以及管理信息化，成為新興的建筑模式，相比之下，我國的預制裝配式建筑仍處于起步階段，在信息化方面的研究有待突破[4]。因此應加強對BIM 的研究并建立各種相關機制。

2 BIM+裝配式建筑實際應用案例分析

2.1 項目背景

南通行政服務中心停車綜合樓工程項目，地處南通行政服務中心的北部區(qū)域，停車綜合樓建設的時候全高為57.15 m，總建筑面積為48972 m2，包括地上建筑面積為42085 m2，地下建筑面積為6886 m2。

2.1.1 結(jié)構(gòu)設計

南通行政服務中心停車綜合樓工程中采用“少規(guī)格，多組合”的原則的結(jié)構(gòu)設計理念，整體預制率為53.3%，其中護欄和其他零星構(gòu)件的拼裝比例為93%。以“少規(guī)格，多組合”的形式，即以規(guī)范的方式，實現(xiàn)了預制塊類型的縮減，從而可達到節(jié)約造價的目的；將建筑的結(jié)構(gòu)和建造工藝結(jié)合起來，采用了建筑和裝飾的結(jié)合，不需要外部模板，不需要外部腳手架，不需要現(xiàn)場搭建；免刷環(huán)保工程，減少工期[6]。

2.1.2 綠色建筑設計

開放式的車房建筑，采用了環(huán)保的、自然通風和自然采光的技術設計思想使建筑物的能源利用率高達65%，辦公大樓局部使用了可移動的百葉窗，百葉窗可調(diào)整也可移動[7]，可調(diào)整百葉窗面積超過28%。在屋頂上安裝太陽能光熱光伏發(fā)電系統(tǒng)，使可更新的能量得到有效的使用。在房頂上進行一些豎向的綠植，使整個房頂?shù)木G植區(qū)域最大化。利用高效的空調(diào)和照明系統(tǒng)，實現(xiàn)建筑物的能源節(jié)約。樓宇清潔器也使用了節(jié)水性裝置，并同時收集屋頂和工地的雨水，供灌溉和清潔路面之用。

2.2 基于BIM技術的裝配式建筑應用分析

在本項目中，使用的是Cartier 軟件，與Revit 平臺相比，它在結(jié)構(gòu)預制構(gòu)件建模上更加便捷。此外，這個軟件平臺還可以用于預制件的模擬拼裝、施工模擬交底等方面，具有使用方便、操作更加直觀的動畫功能，具體應用詳見下文闡述。

2.2.1 方案設計階段

三維零件的拆分設計。本項目擬在項目設計階段，通過BIM 建模，實現(xiàn)預制裝配體的預制裝配，為生產(chǎn)、運輸、吊裝等環(huán)節(jié)做好前期準備，并對裝配體的外形尺寸進行初步確定。

2.2.2 碰撞檢測

碰撞檢查過程循環(huán)階段：土建、安裝各個專業(yè)建模—模型進行改進—系統(tǒng)后臺自動碰撞檢查并輸出后，及時生成并提供碰撞檢查報告—按照碰撞報告修正優(yōu)化模型。

2.2.3 施工進度及質(zhì)量

建筑工程質(zhì)量和進度對工程經(jīng)濟效益的實現(xiàn)至關重要，利用BIM 技術模擬施工方案并構(gòu)建4D 施工模型以實時跟蹤施工質(zhì)量和進度。南通行政服務中心停車綜合樓工程利用BIM 技術模擬施工方案并構(gòu)建4D 施工模型，以實時跟蹤施工質(zhì)量和進度。模型結(jié)合某高層建筑工程施工實例，分析了其施工進度控制方法和步驟，以及影響因素等。將其與實際統(tǒng)計所得數(shù)據(jù)對比得出兩者之間存在的偏差。這樣可以實現(xiàn)空間與資源的優(yōu)化配置，切實解決建設過程中存在的諸多矛盾，最終確保工程組織設計與工程方案優(yōu)化。

2.2.4 輔助計算裝配率

裝配率的計算涉及到預制構(gòu)件及現(xiàn)澆混凝土的體積、面積等相關指標。南通行政服務中心停車綜合樓工程裝配率的計算涉及到了上述指標。采用裝配式BIM 模型可以對每個預制構(gòu)件及現(xiàn)澆部分進行體積、重量精確統(tǒng)計并計算出裝配率。裝配率是裝配式建筑最重要的計算指標，通過BIM 技術可以非常方便的計算裝配率，從而極大提高了效率。

在施工階段采用計算機模擬方法進行預制拼裝是一種新的嘗試。由于高層建筑層數(shù)多，功能復雜，人為統(tǒng)計計算會產(chǎn)生一定的誤差。以某一典型建筑為例，通過對其結(jié)構(gòu)進行簡化分析，得出該工程在不同樓層之間的實際建筑面積以及對應的施工工序數(shù)量。采用裝配式BIM 模型可以對每個預制構(gòu)件及現(xiàn)澆部分進行體積、重量精確統(tǒng)計并計算出裝配率。

2.2.5 構(gòu)配件、節(jié)點預拼裝

每個不同的部件，不同的預制構(gòu)件，不同的節(jié)點，都是通過BIM 模型預先拼裝好的，這樣才能保證將來實際安裝是準確的。

2.2.6 運維階段

BIM 技術的應用在裝配式建筑的運維階段主要通過BIM 平臺搭建一個三維模型，在三維建模模型中將項目實體模型和虛擬模型進行融合，然后通過模型對施工的各個部分進行模擬，實現(xiàn)施工過程中信息的快速傳遞，從而提高施工效率。在施工階段，BIM平臺通過可視化的交互式界面，對信息進行可視化展示，讓信息在建筑中快速的傳遞給施工人員，提高工程效率，減少施工成本[8]。

2.3 BIM技術在裝配建筑中的應用優(yōu)勢分析

2.3.1 有利于提升管理水平

由于裝配式建筑在整個工程活動中起步較晚，且對于施工技術要求較高，因此一般將重點放在工程管理的集約化水平上。使用BIM 技術可實現(xiàn)用三維立體模型展示裝配式建筑，使參與施工的管理人員能夠非常直觀的參考并分析模型，對施工中遇到的難點進行詳細、具體分析，能為施工工作提供直觀的參考，對保證項目建設工作的順利開展至關重要。

2.3.2 有利于提升施工質(zhì)量

從建設的觀點出發(fā)，運用BIM 技術，為部分子項目的建設奠定了良好的基礎。因此在建設項目中，可以有效地降低環(huán)境污染[9]，提升項目的綠色化水平。另外，在組合式建筑的建設中，對于某些局部的預制構(gòu)件的設計有很高的要求，從而對提高整個建設的品質(zhì)起到很大的作用。此外，運用BIM 技術，可以對設計進行預先的預測和強化。

2.3.3 有利于做好成本控制

利用BIM 技術，進行組裝式建筑施工活動，能夠?qū)κ┕ば畔⒛Ｐ秃褪┕み^程進行提前仿真，從而對施工中所使用的材料、設備等一系列元素以及整體施工進度進行科學、合理的控制。如此一來，就可以更好地達到經(jīng)濟效益，對縮短建設時間，提供建設效益，幫助企業(yè)單位節(jié)約費用。

2.3.4 有利于促進信息傳輸

在傳統(tǒng)的工程設計工作活動中，如施工設計圖和各種相關數(shù)據(jù)、資料等信息的傳遞通常以紙質(zhì)文件為主，但這種傳統(tǒng)的信息傳輸效率比較低，導致了在工程信息的傳輸上存在著許多障礙，會產(chǎn)生一些不利于工程建設順利進行的“信息孤島”。預制組裝式建筑，是目前新時代發(fā)展背景下出現(xiàn)的一種新的建筑結(jié)構(gòu)，它在直接安裝和建造方面有著比較顯著的優(yōu)勢。因此，在實際的建設項目施工的過程中，可以利用BIM 技術與二次繪圖技術，實現(xiàn)相關附屬圖紙的傳遞移，促進信息傳輸?shù)男省?/p>

2.3.5 關于BIM技術的展望

裝配式建筑是近年來我國建筑行業(yè)發(fā)展的一個趨勢，裝配式建筑的發(fā)展對我國的建筑業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響，但是裝配建筑的施工工藝復雜，施工成本高，預制構(gòu)件的進場與驗收環(huán)節(jié)繁瑣，因此，利用BIM 技術進行預構(gòu)件裝配，能夠縮短施工周期，節(jié)省人力物力，降低施工風險，提高預制品的安裝質(zhì)量，縮短裝配時間。

由于傳統(tǒng)預制工廠批量生產(chǎn)模式下生產(chǎn)出的產(chǎn)品規(guī)格尺寸與現(xiàn)場實際情況不相符，而隨著工業(yè)化水平不斷提高以及人們對于綠色環(huán)保要求越來越高使得我國建筑工程行業(yè)正逐步向節(jié)能減排方向轉(zhuǎn)型升級，裝配式建筑模式的推廣將會是我國建筑工程行業(yè)發(fā)展新方向，同時也能促進經(jīng)濟與社會效益雙豐收。

3 結(jié)論

本文通過對BIM 技術在裝配式建筑中的應用研究，分析了其應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并從設計、施工安裝等方面提出建議。通過分析我國目前裝配式建筑工程發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了基于BIM 模型實現(xiàn)預制構(gòu)件生產(chǎn)和設計所存在問題并提出建議。從實際出發(fā)對其進行深入研究與討論后得出以下結(jié)論：第1，結(jié)合國內(nèi)外相關經(jīng)驗以及成果來看，BIM 可應用于裝配式建筑的主要技術措施是在保證施工質(zhì)量、縮短工期同時加強節(jié)能環(huán)保等方面；第2，裝配式建筑的設計在滿足構(gòu)件生產(chǎn)與施工工藝要求前提下，可以盡可能降低成本，提高經(jīng)濟效益；第3，通過對BIM 技術應用研究可以得出基于BIM 模型實現(xiàn)預制混凝土、鋼筋等預拼裝構(gòu)件的制作可應用于裝配式住宅中解決其所存在問題。