BIM 技術在裝配式建筑中的應用

吳反反， 孫文靜， 汪德江， 顧文政

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

0 引 言

近幾年，建筑信息模型（BIM）技術已經以各類競賽形式在高校內推廣開來，學生參與度高，對新興技術接受能力較強，而裝配式建筑剛剛從一線城市發(fā)展起來，開始逐漸向中國內陸城市大面積推進，但具備BIM技術和裝配式建筑設計、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驗作為教學案例。因此，很有必要從教學的角度去研究現(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)教學實踐中，不斷創(chuàng)新土木類課程教學方法，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，符合現(xiàn)代建筑產業(yè)的發(fā)展趨勢［2］。國外基于高昂的人工成本，發(fā)展成熟的預制加工工廠，預制裝配式結構已經在歐美的建筑業(yè)中得到了廣泛運用［3］。目前我國也通過結構性調整，引領建筑行業(yè)逐漸向工業(yè)化生產轉型。

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)化從生產過程到現(xiàn)場實施組裝都需要三維的設計參與，需要大量運用BIM技術、3D打印、VR（虛擬現(xiàn)實）技術等新技術，而這方面的專業(yè)技術人員也是嚴重不足［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技術與裝配式建筑施工相結合，可以讓學生從三維的角度了解掌握裝配式施工，讓學生更為直觀地感受裝配式建筑，加強學生對裝配式建筑的認知，提升學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，國內運用BIM技術設計建造的項目案例不勝枚舉。尤其是設計階段，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驗，但將裝配式建筑設計與建造和BIM技術相結合的項目案例不多，相關教學案例更是匱乏。國內外許多專家學者研究了高校在BIM技術和裝配式建筑方面的培養(yǎng)方案以及課程設置等，例如，趙彬等［6］指出國內高等院校在培養(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的相關理論課程內容與實踐教學模式創(chuàng)新及實施措施。曾在平等［8］著重探討了裝配式混凝土結構融入結構課程的“BIM工作室”實訓教學模式。吳智明［9］構建了基于BIM的裝配式建筑視角下高校人才培養(yǎng)體系。李秋娜等［10］提出應當打破傳統(tǒng)培養(yǎng)模式，通過建設專業(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，未從教學內容出發(fā)，分析可能遇到的問題及相應的解決方案。

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

1 BIM技術在裝配式建筑現(xiàn)場管理應用課程

BIM技術在裝配式建筑現(xiàn)場管理的應用課程是借助BIM技術平臺，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內容。

這不僅能培養(yǎng)學生在BIM技術和裝配式建筑方面的技能，還能讓學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技術在推行裝配式建筑過程中發(fā)揮的優(yōu)勢。

（1）BIM技術有利于裝配式建筑進行標準化設計。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)化在做模塊化生產的時候，PC工廠需要針對不同的使用功能生產出相應的標準單元，引入BIM技術后，可在設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使用，大大節(jié)省了施工單位在做BIM深化設計時的時間成本。

（2）裝配式建筑的興起其實是建造技術升級的體現(xiàn)。單從精確度這個方面來看，裝配式建筑對預制構件的精確度要求很高，僅靠傳統(tǒng)的設計施工手段滿足不了裝配式的構件連接要求，常常會出現(xiàn)鋼筋定位與構件預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量以及整個工程的工期。若采用BIM技術，①可以精確建模，②可以實現(xiàn)信息流從設計到建造完整的傳遞，避免信息缺失，嚴格把控施工質量。

（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、梁等構件及其相關節(jié)點連接形式的可視化以及施工工序的模擬，對于構件與現(xiàn)澆結構的連接做法、吊裝方案等可通過動態(tài)信息展示，讓學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，同時展示了所有構件在現(xiàn)場堆放的具體位置，保證了整個項目的工期及質量安全，真正實現(xiàn)BIM指導施工的價值。

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

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系列建模軟件構建項目建筑、結構、幕墻多個三維模型（如圖1、圖2），模型構建完成后，對模型進行后期處理。在模型中預設好教學使用的相關視圖，如專業(yè)三維視圖，平面視圖，節(jié)點詳圖及明細表等，這些視圖便于指導老師查閱模型。學生在不熟悉BIM軟件情況下，參照簡要操作說明，可以方便快捷查找相關模型信息。另外，考慮到現(xiàn)有的教學資源條件有限，不完全符合Revit模型的安裝要求，因而可以通過導出輕量化模型技術手段，壓縮文件大小，提高其教學適應性。學生不用安裝龐大的建模軟件，只需安裝審閱模型軟件，可以明顯提高學生的參與度。

圖1 建筑幕墻模型

圖2 結構專業(yè)模型

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

2.1 吊裝方案

預制構件從生產、運輸?shù)浆F(xiàn)場安裝的整個過程都涉及吊裝技術。如圖3所示，依據不同構件的受力特性需設計出不同的吊裝方案，包括預制樓梯梯段、預制梁、板等的吊環(huán)位置，脫模起吊的方式，以及運輸構件時的支撐形式。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)化機械設備管理［12］。

圖3 預制構件吊裝方案

2.2 預制構件連接

裝配式建筑具有預制率高、建造效率高等特征，為了滿足裝配式建筑的整體穩(wěn)定性及結構安全性要求，構件與構件之間、構件與現(xiàn)澆結構之間的連接節(jié)點的處理就變得尤為關鍵。常見的預制構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模型中模擬的預制柱和預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，并在預制疊合板與現(xiàn)澆結構的連接面設置粗糙面。

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)字教學與實踐教學的一體化，提升了教學效果，有效地讓學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的理解，提高協(xié)同管理的實踐能力［14］。

圖5 模型構件與資源關系圖I

圖6 模型構件與資源關系圖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，政府對預制構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的信息，在明細表中可清晰預覽預制構件的項目特征描述、工程數(shù)量等信息。在設計階段，依據模型算量結果可計算出預制裝配率指標，通過提高裝配率來降低造價。在施工階段，裝配式建筑構件標準化程度直接影響現(xiàn)場支模周轉率，從而影響工程造價里面直接費的計算。

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

圖8 預制構件

3 結 語

BIM技術在裝配式施工管理中的應用涉及到的知識面很廣、相關專業(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生熟悉BIM技術并自覺將其運用到其后的學習與工作實踐中去。

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技術在土木領域的發(fā)展，為培養(yǎng)兼具BIM技術能力的設計師、工程師起到助推作用。更重要的是，該課程內容設置符合裝配式市場發(fā)展趨勢，可充分引導學生發(fā)揮自主創(chuàng)新精神。