林珍偉,奚靈智,歐建良,肖勇杰
(1.陽(yáng)光學(xué)院 土木工程學(xué)院,福建 福州 350015;2.中國(guó)電建華東勘查設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310000)
當(dāng)前,我國(guó)建筑工程行業(yè)發(fā)展迅猛,建筑工程建造過(guò)程需耗費(fèi)大量資源,對(duì)于環(huán)境破壞較大,因此人們開始重點(diǎn)關(guān)注建筑工程的可持續(xù)發(fā)展之路。將輕鋼材料引進(jìn)到建筑工程建造過(guò)程中,能夠有效解決建筑工程的資源浪費(fèi)問題以及環(huán)境污染問題。輕鋼材料是鋼材加工合成的產(chǎn)物,相比傳統(tǒng)的建筑鋼材,輕鋼材料的自重更輕,建造過(guò)程更為便捷[1]。而且,該項(xiàng)建筑材料屬于可回收利用范疇,能夠?qū)崿F(xiàn)建筑工程的工業(yè)化生產(chǎn)以及裝配式施工,極大的縮短建造工期,保障了建筑單位的經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國(guó)日益重視環(huán)境問題,輕鋼材料將會(huì)成為未來(lái)建筑行業(yè)中的首選材料。在輕鋼裝配結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過(guò)程中,通過(guò)引進(jìn)BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)的可視化管理,提高輕鋼結(jié)構(gòu)的整體性能。通過(guò)BIM技術(shù)的應(yīng)用,可以有效的規(guī)范建筑項(xiàng)目數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),借助建模技術(shù),為后續(xù)施工仿真、問題追溯和排查奠定基礎(chǔ),以輕鋼裝配結(jié)構(gòu)中BIM建模技術(shù)的研究與應(yīng)用,通過(guò)BIM信息模型建立,將模型應(yīng)用與設(shè)計(jì)、施工等過(guò)程中,提升項(xiàng)目整體質(zhì)量。
BIM技術(shù)全稱為建筑信息模型,建筑信息模型綜合所有的幾何模型信息,功能要求和構(gòu)件性能,可以把項(xiàng)目全壽命周期中所有的信息集成到單獨(dú)模型中,以進(jìn)行施工進(jìn)度、監(jiān)造過(guò)程、維護(hù)等業(yè)務(wù)流程的管理。近年來(lái),因其具有可視化程度高、可分析性能強(qiáng)、可管理、信息可共享等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用與建筑行業(yè)。隨著BIM技術(shù)與其他應(yīng)用技術(shù)的不斷集成以及應(yīng)用方法的不斷優(yōu)化,BIM已逐漸在遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、3D打印、激光掃描、物聯(lián)網(wǎng)、VR等技術(shù)中,以上集成應(yīng)用必將對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用起到巨大推動(dòng)作用,不斷豐富BIM技術(shù)的內(nèi)涵。
在眾多集成技術(shù)中,應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬BIM技術(shù)和建筑行業(yè)的結(jié)合,BIM技術(shù)以數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ),通過(guò)在三維建模平臺(tái)建立建筑模型,借助信息數(shù)據(jù)從而在虛擬空間內(nèi)建立仿真模擬工程,可直觀的對(duì)建筑工程整個(gè)生命周期進(jìn)行管控,實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑工程的全范圍監(jiān)管[2-3]。BIM技術(shù)借助三維建模軟件,能夠模擬真實(shí)施工情況。在模塊化建筑工程中,能夠?qū)ζ溥M(jìn)行具有針對(duì)性的管理。BIM技術(shù)還能夠應(yīng)用于建筑工程的運(yùn)營(yíng)管理,借助圖紙信息能夠更加精確的把控建筑工程的建設(shè)質(zhì)量,提升建筑工程的建造效率。圖1為BIM施工路徑。
圖1 BIM施工路徑Fig.1 BIM construction path
當(dāng)前,城市化建設(shè)步伐正不斷加快。隨著我國(guó)高層建筑數(shù)量的飛升,一些自重較輕的建筑材料被大量應(yīng)用于高層建筑施工過(guò)程中。輕鋼材料種類多樣,在建筑工程中有著十分廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。輕鋼材料的截面包括H型、U型、Z型等等。輕鋼結(jié)構(gòu)材料重量輕、穩(wěn)固性能良好,占用面積較少,且便于施工安裝。輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件裝配實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化裝配,連續(xù)化施工,且布置靈活簡(jiǎn)便,具有極強(qiáng)的實(shí)用性。但與此同時(shí),輕鋼結(jié)構(gòu)施工也存在著一些問題有待解決。當(dāng)前,我國(guó)輕鋼結(jié)構(gòu)缺乏相應(yīng)的施工標(biāo)準(zhǔn),而且輕鋼結(jié)構(gòu)裝配式體系不夠完善。輕鋼裝配結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,設(shè)計(jì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)十分重要,若在這一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,那么整批的材料都有可能無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際施工中[4-6]。現(xiàn)階段,我國(guó)輕鋼裝配結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過(guò)程中普遍存在生產(chǎn)效率低、材料利用率低等問題。這些都造成了輕鋼材料的浪費(fèi),產(chǎn)生了大量建筑垃圾,更嚴(yán)重影響了建筑工程后期的正常施工?,F(xiàn)階段,大部分的建筑單位仍然沿用二維制圖軟件對(duì)輕鋼裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),這使得輕鋼裝配結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在較大的局限性。僅僅憑借二維設(shè)計(jì)圖紙,很難對(duì)輕鋼裝配結(jié)構(gòu)內(nèi)部的細(xì)節(jié)進(jìn)行把控。而且,二維圖紙無(wú)法良好的傳達(dá)輕鋼裝配結(jié)構(gòu)的部品構(gòu)件所表達(dá)的數(shù)據(jù)信息,這也增加了輕鋼裝配結(jié)構(gòu)的部品構(gòu)件設(shè)計(jì)工作的難度。下圖2為輕鋼裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2 輕鋼裝配結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of light steel assembly structure
我國(guó)輕鋼材料面臨著發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。如何解決輕鋼材料設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中所存在的問題,保證輕鋼材料生產(chǎn)安裝環(huán)節(jié)與工程設(shè)計(jì)相統(tǒng)一是當(dāng)前輕鋼材料所面臨的主要問題。只有將這些問題進(jìn)行逐一解決,才能夠使輕鋼材料真正的發(fā)揮出實(shí)際價(jià)值,并且在建筑領(lǐng)域獲得更加廣闊的發(fā)展空間。
在輕鋼裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引進(jìn)BIM技術(shù),能夠有效解決當(dāng)前我國(guó)輕鋼裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所存在的設(shè)計(jì)生產(chǎn)與實(shí)際安裝不符的問題[7]。由于BIM技術(shù)具有仿真可視化的特點(diǎn),通過(guò)建立輕鋼結(jié)構(gòu)BIM三維建筑模型,應(yīng)用于輕鋼裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)環(huán)節(jié),能夠在虛擬空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)輕鋼材料設(shè)計(jì)生產(chǎn)的全權(quán)把關(guān),保證輕鋼材料設(shè)計(jì)的集成水平,解決輕鋼材料在生產(chǎn)過(guò)程中所遇到的問題,從而提高輕鋼材料生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)質(zhì)量。通過(guò)建立輕鋼裝配結(jié)構(gòu)族庫(kù),便于對(duì)施工不同階段所需的輕鋼裝配結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行統(tǒng)一管理,提高了輕鋼裝配結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率[8]。除此之外,BIM技術(shù)還具有仿真施工功能,可模擬現(xiàn)實(shí)生活中的輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工。通過(guò)對(duì)工程進(jìn)行模擬,預(yù)演施工的全部流程,便于及時(shí)的發(fā)現(xiàn)輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問題,對(duì)其加以解決,能夠起到優(yōu)化施工方案的目的。下圖3為基于BIM輕鋼裝配結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)。
圖3 基于BIM輕鋼裝配結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)Fig.3 Design of assembly structure model of light steel based on BIM
將BIM技術(shù)應(yīng)用與輕鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)階段,可以有效提升設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。其一,BIM軟件平臺(tái)對(duì)于數(shù)據(jù)的格式和規(guī)范化要求高,在輕鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工設(shè)計(jì)階段,首先應(yīng)確保輕鋼材料符合相關(guān)施工標(biāo)準(zhǔn),而后再對(duì)輕鋼材料進(jìn)行統(tǒng)一處理。在這一階段通過(guò)規(guī)范輸入數(shù)據(jù)格式,將BIM技術(shù)應(yīng)用到輕鋼裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中,能夠?qū)φ麄€(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行嚴(yán)格管控。輕鋼預(yù)制部品部件在設(shè)計(jì)過(guò)程中,借助BIM施工仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái),可對(duì)部件內(nèi)部設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)節(jié)化的處理,提高輕鋼裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范性,保證輕鋼裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)質(zhì)量。其二,引進(jìn)BIM技術(shù)還有一個(gè)顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。當(dāng)輕鋼裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)設(shè)計(jì)問題時(shí),BIM施工仿真平臺(tái)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行跟蹤自檢,在發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤時(shí),及時(shí)的向操作者發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告[10]。用于提醒操作人員輕鋼裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題,便于操作人員對(duì)其進(jìn)行整改。這樣就有效的避免了輕鋼裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的產(chǎn)生,防止在后期施工階段,因設(shè)計(jì)問題造成工期的延誤以及鋼材的浪費(fèi)。
在輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工階段,利用BIM施工仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)所提供的模擬施工流程,能夠按照規(guī)定的規(guī)格,對(duì)輕鋼裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)輕鋼結(jié)構(gòu)的裝配化施工,一體化建造。通過(guò)利用BIM技術(shù),能夠在平臺(tái)內(nèi)模擬輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工的全過(guò)程,可引進(jìn)紅外線勘測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)與實(shí)際生產(chǎn)同步的施工監(jiān)管,從而有效的保障輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工效率以及施工質(zhì)量,避免建筑工程安全事故的發(fā)生。
BIM技術(shù)具有強(qiáng)大的三維建筑模型渲染功能。利用BIM建模軟件,能夠按照實(shí)際事故同等比例在平臺(tái)內(nèi)建立仿真施工模型,便于對(duì)輕鋼裝配結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)。應(yīng)用BIM技術(shù)建模具有可視化、仿真化、參數(shù)化的特點(diǎn)。而且模型能夠進(jìn)行存儲(chǔ)入庫(kù),建立建筑工程模型庫(kù)。BIM技術(shù)支持多項(xiàng)輸出,將建筑模型存儲(chǔ)入庫(kù),便于后期操作者輸出,可以將模型直接應(yīng)用到其他工程中。
在應(yīng)用BIM進(jìn)行建模時(shí),根據(jù)制定的實(shí)施計(jì)劃以及相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行建模,并將數(shù)據(jù)信息作為建?;A(chǔ)。以BIM技術(shù)在中等項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用為例。點(diǎn)擊啟動(dòng)BIM軟件,開始建模時(shí)應(yīng)先建立樓層線、網(wǎng)格,完成這一步驟后存儲(chǔ)文件,防止在建模過(guò)程中意外退出,造成模型丟失。點(diǎn)擊BIM軟件中的建筑建立墻體、立柱、梁、板等一系列建筑模型,將之進(jìn)行組合,使之成為一個(gè)整體的建筑模型成品。中型項(xiàng)目包括建筑模型、結(jié)構(gòu)模型以及機(jī)電模型??稍贐IM施工仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)模型庫(kù)內(nèi)導(dǎo)出輕鋼裝配結(jié)構(gòu)模型以及機(jī)電模型,按照施工圖紙,將這些模型進(jìn)行組建,并對(duì)各個(gè)不同的管線利用著色器對(duì)其進(jìn)行著色,從而完成BIM技術(shù)工程整體模型的建模工作。
輕鋼結(jié)構(gòu)裝配式簡(jiǎn)直模型在建模過(guò)程中,其深化設(shè)計(jì)模型的深度等級(jí)可分為五類:即LOD100(概念化);LOD200(近似構(gòu)件);LOD300(精確構(gòu)件);LOD(加工);LOD(竣工)五類。與傳統(tǒng)的施工圖深化設(shè)計(jì)以及加工詳圖所要求的設(shè)計(jì)深度相對(duì)應(yīng)。模型構(gòu)件具備幾何特征、尺寸、細(xì)節(jié)特征、非幾何信息、技術(shù)指標(biāo),并滿足施工階段BIM應(yīng)用的要求??⒐ぜ斑\(yùn)維模型深度等級(jí)LOD500,還需包括建筑物的全部信息,滿足建筑后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)的要求。建模流程見圖4。
圖4 建模流程圖Fig.4 Modeling flowchart
建模信息錄入工作,則是將建模完成后的建筑部品錄入到平臺(tái)的模型庫(kù)中。在錄入過(guò)程中,需要明確部品的全部清單、參數(shù)、幾何信息與非幾何信息,見圖5。這些數(shù)據(jù)信息都是BIM建筑模型的數(shù)據(jù)標(biāo)簽,缺一不可。只有將這些信息全部錄入,才能夠確定該部品的類型。根據(jù)部品類型,將建筑模型存入與之相符的文件夾中。
圖5 BIM施工仿真平臺(tái)建筑部品圖片F(xiàn)ig.5 Construction part of BIM construction simulation platform
部品建模主要是根據(jù)裝配式建筑的各個(gè)構(gòu)件,并按照施工給出的部品圖紙資料,進(jìn)行部品模型的創(chuàng)建。通過(guò)創(chuàng)建部品族庫(kù),可以形成部品族文件。在此操作過(guò)程中,應(yīng)對(duì)入庫(kù)的部品族文件進(jìn)行本專業(yè)內(nèi)部校審,審核完成后方可以入入庫(kù)。該操作需要由專業(yè)的部品族庫(kù)管理員進(jìn)行審查。針對(duì)全新的BIM部品上傳,也需要經(jīng)過(guò)該項(xiàng)步驟。
部品規(guī)劃主要是在BIM模型構(gòu)建階段,通過(guò)按照設(shè)計(jì)文件的實(shí)際要求基礎(chǔ),并且結(jié)合施工項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)情況,從已創(chuàng)建的部品族庫(kù)中選擇合適的部品族文件創(chuàng)建輕鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑模型。在進(jìn)行部品規(guī)劃工作過(guò)程中,草擬一份所需部品清單,在清單中羅列出部品的相關(guān)參數(shù)、幾何信息、非幾何信息。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)部品類型、項(xiàng)目需求對(duì)其進(jìn)行確定,再進(jìn)行選擇。根據(jù)部品需求清單,結(jié)合相關(guān)的部品參數(shù),能夠?qū)IM部品族庫(kù)中的部品族文件進(jìn)行分類,便于對(duì)其進(jìn)行管理和應(yīng)用。今后在實(shí)際操作過(guò)程中,符合清單要求的部品族文件可以進(jìn)行調(diào)用。同時(shí),相關(guān)管理人員可以將BIM應(yīng)用成果文件轉(zhuǎn)換電子文檔,將之存入部品庫(kù)文件中,作為附件,便于今后建模過(guò)程中,數(shù)字化文檔向項(xiàng)目各參與方移交。
以某一線城市商業(yè)住宅中輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工為例,該項(xiàng)目對(duì)于建筑部品生產(chǎn)有著嚴(yán)格的要求。而且項(xiàng)目包括輕鋼裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)生產(chǎn),一直到工程建造施工??傮w來(lái)說(shuō),本項(xiàng)目的建造周期包括從輕鋼材料裝配式材料的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、預(yù)制、工程施工全部流程。因此,為保證一線城市商業(yè)住宅輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工效率以及施工質(zhì)量,引進(jìn)BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)周期的質(zhì)量管控。
根據(jù)輕鋼裝配式結(jié)構(gòu)施工的特點(diǎn),制定BIM輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工的工藝流程,具體流程如圖6所示。具體流程主要分為四個(gè)階段:方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)、工程施工和竣工階段,方案設(shè)計(jì)階段首先由建筑設(shè)計(jì)師和各類專業(yè)BIM設(shè)計(jì)師參與方案設(shè)計(jì)和方案模型的構(gòu)建,初步設(shè)計(jì)階段專業(yè)BIM設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)模型的碰撞檢測(cè)、全專業(yè)模型構(gòu)建,奢華設(shè)計(jì)階段主要是各專業(yè)BIM設(shè)計(jì)工程師參與全專業(yè)深化模型的構(gòu)建,從而指導(dǎo)工程模擬、成本控制、質(zhì)量管理、材料管理、現(xiàn)場(chǎng)管理等。同時(shí)采購(gòu)工程師在深化設(shè)計(jì)和工程施工階段介入,參與物料采購(gòu)工作??⒐ね瓿珊?,BIM模型更新工程師負(fù)責(zé)對(duì)模型的更新工作,形成最終的竣工模型。
圖6 基于BIM輕鋼裝配式結(jié)構(gòu)施工流程設(shè)計(jì)圖Fig.6 Based on bim light steel assembly structure construction flow design
從圖中能夠看出,BIM技術(shù)全面覆蓋整個(gè)輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工的全部工作流程。而將BIM技術(shù)引進(jìn)到輕鋼裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及輕鋼裝配結(jié)構(gòu)生產(chǎn)全流程,有利于對(duì)輕鋼裝配材料生產(chǎn)進(jìn)行嚴(yán)格的把控,確保輕鋼裝配式建筑材料生產(chǎn)符合實(shí)際施工要求。
通過(guò)研究BIM應(yīng)用成果可以看出,將BIM技術(shù)應(yīng)用于輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中能夠有效的提升建筑工程的施工效率,確保建筑工程的整體施工質(zhì)量。將BIM技術(shù)引進(jìn)到輕鋼裝配結(jié)構(gòu)生產(chǎn)階段,通過(guò)在BIM施工仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)內(nèi)部建立三維建筑模型,導(dǎo)出部品構(gòu)件明細(xì)表,便于對(duì)建筑部品構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一管理。而且,在設(shè)計(jì)深化階段,還能夠借助BIM模型進(jìn)行部品生產(chǎn)設(shè)計(jì)的深化,提升輕鋼裝配結(jié)構(gòu)的整體性能。在輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工階段,借助BIM技術(shù),可通過(guò)建造虛擬三維模型,對(duì)整個(gè)施工流程進(jìn)行預(yù)先演習(xí),并且在模擬施工過(guò)程中可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)工程施工中可能存在的問題,并將之有效的解決,實(shí)現(xiàn)了輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工的預(yù)先控制。將BIM模擬施工與實(shí)際施工進(jìn)行同步,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)化控制,提高輕鋼結(jié)構(gòu)裝配式工程材料管理效率。BIM技術(shù)的模擬施工還能夠優(yōu)化輕鋼裝配結(jié)構(gòu)的施工方案,確保輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工方案的可行性,從而全面的為建筑工程整體質(zhì)量保駕護(hù)航。
簡(jiǎn)要概述BIM技術(shù)以及輕鋼類型的裝配建筑發(fā)展趨勢(shì),闡明BIM技術(shù)在輕鋼裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用意義。
(1)通過(guò)搭建BIM仿真施工實(shí)訓(xùn)平臺(tái),能夠有效的提高輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量以及效率。BIM仿真施工實(shí)訓(xùn)平臺(tái)引進(jìn)到工程施工過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)施工生命周期的全權(quán)監(jiān)管,極大的提升我國(guó)建筑工程施工質(zhì)量。
(2)在輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工應(yīng)用廣泛的今天,將BIM技術(shù)應(yīng)用到輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工中,能夠有效的提升輕鋼裝配結(jié)構(gòu)施工生產(chǎn)效率,確保裝配建筑質(zhì)量穩(wěn)定。對(duì)于推進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。