秦金鳳
BIM+裝配式技術應用現(xiàn)狀及案例分析
秦金鳳
(合肥經(jīng)濟學院 藝術設計學院,安徽 合肥 230011)
BIM+裝配式技術可被應用于建筑設計、構件生產(chǎn)、施工管理、運營維護等建筑項目的各個階段,在建筑全生命周期中發(fā)揮著重要作用。在大型綜合建筑、大型公共建筑、高層住宅建筑、超高層建筑等各類建筑中,BIM+裝配式技術均有突出表現(xiàn),尤其在解決異形結(jié)構、前移生產(chǎn)環(huán)節(jié)、縮減工期、節(jié)約建造及管理費用等方面優(yōu)勢突出,對推動我國建筑領域智能化、精細化以及集約化發(fā)展具有重要意義。
BIM+裝配式技術;裝配式建筑;智能建造
裝配式建筑結(jié)構性強、生產(chǎn)周期短,具有良好的社會效益與經(jīng)濟效益,對推動建筑行業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。當前,人們對建筑的性能與質(zhì)量提出了更高要求,綠色生產(chǎn)理念也要求建筑行業(yè)進一步改革。同時,裝配式建筑深化設計誤差大、信息傳遞不及時、項目管理水平低等問題逐漸暴露,亟須通過新的思路與工具驅(qū)動裝配式建筑突破瓶頸。BIM+裝配式技術作為應用于建筑全生命周期的設計技術,實現(xiàn)了建筑項目各階段的深度參與,使各參與方信息共享成為現(xiàn)實,從綠色、高效、節(jié)能等角度推動了建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。將BIM+裝配式技術應用于建筑領域,能積極參與裝配式建筑的深化設計、構件生產(chǎn)、施工管理、運營維護等各個階段。隨著BIM+裝配式技術的持續(xù)進步、日益完善,其將在建筑領域發(fā)揮更突出的優(yōu)勢與作用。
從建筑專業(yè)、建筑進程、建筑類型等不同角度來看,BIM+裝配式技術在建筑領域的應用范圍不斷拓寬。BIM+3D、BIM+VR、BIM+二維碼等現(xiàn)代應用相繼出現(xiàn),BIM+裝配式技術與其他信息技術的協(xié)同性持續(xù)加強,推動建筑領域進一步向工業(yè)化、智能化邁進。但受到BIM技術和裝配式技術自身特性的制約,BIM+裝配式技術的應用水平有待提升。
得益于BIM技術的持續(xù)進步和裝配式技術的突出優(yōu)勢,BIM+裝配式技術在建筑領域的應用范圍不斷拓寬。從建筑專業(yè)角度來看,BIM技術被廣泛應用于裝配式混凝土結(jié)構、木結(jié)構、鋼結(jié)構,在集成化系統(tǒng)安裝水電暖設備、裝配式室內(nèi)裝修等方面同樣作用明顯。BIM+裝配式混凝土結(jié)構應用廣泛,已形成較為成熟、穩(wěn)定的建筑工藝。從建筑進程角度來看,BIM+裝配式技術可應用于建筑項目的全生命周期,從建筑項目的勘察設計,到建筑構件的精細生產(chǎn),再到建筑項目的施工管理,乃至后期建筑運營維護,BIM+裝配式技術可應用于各個階段。BIM技術在裝配式一體化集成中的充分應用,在調(diào)整建筑空間布局、優(yōu)化結(jié)構體系的同時,使裝配式建筑的部品設計、部件深化、裝修統(tǒng)籌等能力得到有效提升[1]。從建筑類型來看,BIM+裝配式技術可應用于大型綜合建筑、大型公共建筑、高層住宅建筑、超高層建筑等。不同類型的建筑功能定位不同,施工過程和建筑工藝存在顯著差異,這無疑從設計環(huán)節(jié)到最終的運營管理,對建筑師的專業(yè)能力提出較高要求。BIM+裝配式技術突出的建模能力、分析能力、模擬能力,為復雜結(jié)構及異形建筑的精細化設計提供了重要支撐,使更多造型奇特、功能復雜的建筑得以建成并運營。
BIM+裝配式技術在建筑領域的廣泛應用,離不開BIM與裝配式技術的快速發(fā)展,也得益于相關技術的持續(xù)進步和有力驅(qū)動。例如,BIM+3D打印這兩項以模型為基礎的技術疊加后,在建筑領域煥發(fā)新的活力。3D打印技術通過提取BIM系統(tǒng)中復雜的預制構件模型,全方位展示模型信息,不僅大幅度縮短加工周期,而且在打印精度方面具有無可比擬的獨特優(yōu)勢。盡管在打印機尺寸和打印材料的共同限制下,目前BIM+3D打印無法完成高樓大廈的整體建造,但基于BIM的小型建筑3D整體打印已完全實現(xiàn),并在節(jié)能降耗、成本控制、綠色環(huán)保等方面表現(xiàn)突出。同時,BIM+3D技術在打印節(jié)點模型、輔助異形設計等方面優(yōu)勢明顯,使建筑設計施工的個性化、定制化、直觀化成為可能。再如,BIM+VR技術將建筑信息模型與虛擬現(xiàn)實相結(jié)合,VR技術的最大特點在于能夠為用戶提供沉浸式體驗,加強了BIM三維模型的可視性和具象性,有效解決了建筑行業(yè)“所見非所得”的痛點。當前,VR技術在建筑營銷展示方面已相對成熟,在建筑設計中的整合應用也在穩(wěn)步推進,將通過在BIM建筑設計中搭載VR插件,為前期設計規(guī)避風險、模擬方案提供有力幫助。此外,BIM+無人機、BIM+二維碼、BIM+大數(shù)據(jù)、BIM+人工智能等技術逐步開展應用探索,技術協(xié)同持續(xù)加強也為BIM+裝配式建筑的發(fā)展提供了新的思路與契機。
BIM+裝配式技術應用于建筑全生命周期,在建筑領域基本已達成共識。但從實踐角度來看,BIM+裝配式技術的應用水平依然有待提高。一方面,BIM技術的應用受阻明顯。雖然BIM技術應用于建筑領域具有鮮明優(yōu)勢,但建模過程需要耗費大量人力、物力,技術應用也需要系統(tǒng)研發(fā)的強力支撐。中國在BIM建筑應用方面做出諸多努力與探索,不過依然依賴國外BIM頭部企業(yè)的軟件產(chǎn)品,這就使得國內(nèi)多數(shù)建筑企業(yè)只將BIM技術應用于某一建筑階段,應用效果較為有限,經(jīng)濟效果并不明顯。尤其個別企業(yè)只將BIM技術應用于對外展示、產(chǎn)品營銷等環(huán)節(jié),陷入BIM技術應用誤區(qū),增加了企業(yè)的不必要成本。同時,BIM技術本身階段性應用較多,一體化集成應用既缺乏良好的技術支撐,又缺乏成熟的應用市場,應用深度尚需進一步拓展。另一方面,裝配式建筑的推廣效果有限。目前,中國裝配式建筑在新建建筑面積中的占比只有3%左右,且集中在保障性住房方面,總體建造規(guī)模較小、應用范圍較窄[2]。從技術角度來看,裝配式建筑參與方較多,信息溝通頻繁瑣碎,而基于裝配式建筑的信息化建設相對滯后,制約著裝配式建筑信息數(shù)據(jù)的傳遞與共享。且裝配式建筑涉及多領域、多行業(yè),技術密集且風險多樣,產(chǎn)業(yè)鏈建設緩慢且被動。因此,即使政府出臺政策驅(qū)動裝配式建筑發(fā)展,行業(yè)主體的積極性也得不到有效調(diào)動。
隨著技術層面攻堅克難取得持續(xù)進步,BIM+裝配式技術在建筑項目中的應用日益廣泛而深入。BIM+裝配式技術可應用于建筑設計、構件生產(chǎn)、施工管理、建筑運維等各個階段,在提升建筑項目建造效率、推動建筑項目精細化管理等方面發(fā)揮著重要作用。
傳統(tǒng)建筑設計具有明顯的線性時間表現(xiàn),即建筑設計師以行業(yè)標準為遵循、以業(yè)主需求為導向,對建筑的外在形態(tài)、空間布局、使用功能等做出整體設計,設備工程師、結(jié)構工程師在此基礎上開展專業(yè)設計。由此可以看出,傳統(tǒng)建筑設計各專業(yè)有明顯的先后順序,且彼此間缺乏溝通討論。BIM+裝配式技術以完善的系統(tǒng)軟件為支撐,實現(xiàn)了建筑領域多專業(yè)協(xié)同設計,大幅提高了建筑設計的效率與質(zhì)量[3]。在建筑設計階段,BIM+裝配式技術主要通過信息建模、方案設計、模擬分析等應用切實提高設計工作的科學性和精準性(見表1)。
表1 BIM+裝配技術在建筑設計階段的主要應用
裝配式建筑主要將建筑的梁、柱、樓板、窗體等構件,以工廠預制形式完成場外生產(chǎn),然后將預制構件運輸至場內(nèi)進行現(xiàn)場拼裝。因而,預制構件的生產(chǎn)階段也是建筑項目中至關重要的一環(huán),BIM+裝配式技術在優(yōu)化生產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用[4]。由于裝配式建筑具有嚴格的精度要求,在構件生產(chǎn)階段必須盡可能保證構件信息的完整與準確,質(zhì)量的穩(wěn)定與可靠。對此,裝配式建筑生產(chǎn)需將BIM系統(tǒng)中的構件設計信息與預制構件生產(chǎn)系統(tǒng)直接對接,在自動化生產(chǎn)模式下提高構件生產(chǎn)效率、保證構件生產(chǎn)質(zhì)量。在具體生產(chǎn)過程中,需在完成BIM構件設計深化后利用系統(tǒng)標記功能對所有構件進行逐一編碼,工廠也要對已完成的構件打上編碼鋼印,使設計模型與構件生產(chǎn)之間形成一一對應的強關聯(lián)關系,為構件生產(chǎn)的準確有效提供保證。為了避免因預制構件信息傳遞不到位引起的生產(chǎn)誤差,還需依靠BIM+VR技術完成可視化交底,通過三維動畫全景式、立體化展示預制構件的質(zhì)量要求和技術工藝,以簡單直觀的形式為構件的生產(chǎn)提供有效指導[5]。此外,BIM軟件可針對不同類型的構件設計專用支架,以便在節(jié)省堆放空間、方便機械吊裝的同時,避免因運輸晃動、疊加堆放等造成構件損壞。
BIM+裝配式技術在施工階段的應用,主要體現(xiàn)在通過技術手段對施工過程的全面管理。在建筑項目管理中,質(zhì)量、成本、進度是三大管理目標(見表2),共同決定了建筑項目的整體效益。同時,質(zhì)量、成本、進度三者之間存在復雜關聯(lián)。建筑項目必須協(xié)調(diào)三者之間的關系,在保證工程進度的同時,實現(xiàn)建筑項目高質(zhì)量、低成本的順利推進。
表2 應用于施工管理的主要目標及其內(nèi)容
既往建筑項目多以工程竣工驗收為結(jié)束,而應用BIM+裝配式技術,智慧制造、智能運營不僅存在于BIM系統(tǒng)軟件中,而且通過嵌入手段分布在建筑的不同方面和各個角落,因此,BIM+裝配式技術必然在建筑的運營維護中發(fā)揮重要作用。
在設備維護管理方面,BIM與RFID技術可搭建穩(wěn)定高效的運維信息管理平臺,裝配式建筑的預制構件、設備設施構建的運營維護系統(tǒng)可直接接入運維信息管理平臺,從而對整個建筑的安全狀態(tài)、質(zhì)量狀態(tài)、能耗情況展開全面管理[6]。例如,當發(fā)生火災險情、電梯故障等突發(fā)事故時,運維信息管理平臺可在第一時間精準定位意外發(fā)生位置,并集中展示與之相關的設施材料、建筑環(huán)境等信息,為救援工作提供有效指導。
又如,當出現(xiàn)建筑設施設備損壞情況,BIM+裝配式技術不僅可以發(fā)揮定位作用,而且可在運維信息管理平臺調(diào)取設施設備的歷史記錄,幫助維修人員盡快地掌握故障設施設備的備件耗材、歷史維修、操作人員等詳細信息。
再如,在建筑能耗監(jiān)測中,BIM技術可對建筑內(nèi)各部分的能耗需求設置合適閾值,并對建筑運營能耗展開動態(tài)監(jiān)測,及時定位能耗異常位置,為降低能耗水平提供參考方案。
還在智慧運營方面,BIM+裝配式技術共同打造智慧建筑。例如,在酒店建筑中,客房控制系統(tǒng)會自動記錄客人對客房溫度與燈光的偏好,客人再次入住后系統(tǒng)會根據(jù)歷史記錄自動設置符合客人居住習慣的環(huán)境。甚至在部分大型建筑附帶的停車場區(qū)域,導航系統(tǒng)可自動開啟空位導航,還可為車主找車時提供最佳路線選擇。
總之,將BIM+裝配式技術應用于建筑運維,能夠使冰冷的建筑具有精細管理思想和智慧服務能力。
將BIM+裝配式技術應用于建筑項目,具有效率高、誤差小、安全可靠等突出優(yōu)勢。不過不同類型和功能的建筑的目標定位、作業(yè)難點等方面存在顯著差異,對項目參與方的技術、工藝、管理等要求也有所不同,因此,將BIM+裝配式技術應用于大型綜合建筑、大型公共建筑、高層住宅建筑、超高層建筑會呈現(xiàn)出不同的特點與效果。
大型綜合建筑通常兼具多種不同功能,這對建筑項目的整體協(xié)調(diào)性提出了更高要求。近年來,隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和人們審美需求的不斷變化,大型綜合建筑不僅越發(fā)關注建筑的功能拓展,而且日益傾向通過別具一格的建筑造型來吸引目光?!爱愋谓Y(jié)構”“獨特幕墻”等詞匯背后代表著建筑領域的發(fā)展與進步,也意味著建筑項目各個參與方面臨著更大的壓力與挑戰(zhàn)。BIM+裝配式技術的深入發(fā)展,為大型綜合建筑的全生命周期提供了必要支撐。于2019年竣工投用的深圳坪山高新區(qū)綜合服務中心,主要包括會議中心、會展中心、國際星級酒店三大部分,發(fā)揮坪山區(qū)高端商務配套功能。該項目依托中建科技裝配式建筑智能建造平臺,通過數(shù)字設計、云筑網(wǎng)購等五大平臺模塊,將建筑設計、生產(chǎn)、施工、運維等項目流程以及建筑、結(jié)構、機電等各個建筑專業(yè),統(tǒng)一到建筑信息模型中,為各項目參與方提供了信息交互的完整通路[7]。作為全國首個EPC裝配式鋼結(jié)構會展和酒店綜合體項目,其會展中心與酒店區(qū)域的裝配率分別達到88%和83%,項目的梁、柱、樓梯、內(nèi)隔墻、GRC、幕墻、機電均采用工廠預制模式前移生產(chǎn)環(huán)節(jié),有效避免了工序穿插帶來的時間延誤,使項目在不到一年的時間內(nèi)順利竣工并投用。此外,該項目在踐行中國制造、對標“工業(yè)4.0”方面具有一定的開創(chuàng)性意義,項目的輕鋼龍骨內(nèi)隔墻自動化安裝過程中使用了全國首臺裝配式智能建造機器人,這不僅對該項目的高效生產(chǎn)具有促進作用,而且從技術層面為建筑領域發(fā)展帶來新的驅(qū)動力量。
建成于2016年的敦煌文博會主場館,建筑總面積26.8萬m2,是榮獲“2016—2017年度中國建設工程魯班獎”的優(yōu)秀項目(見圖1)。(圖1來源: https://www.sohu.com/a/332154135_649968)
圖1 敦煌大劇院
作為敦煌文博會主場館的重要組成部分,敦煌大劇院由中建上海設計研究院作為設計總承包,項目全過程、所有專業(yè)均以BIM設計系統(tǒng)為支撐。敦煌大劇院等場館建設主要采用工廠化裝配制造部件,總體占比超過整個項目的80%。在BIM+裝配式技術的全面應用下,敦煌大劇院的項目設計、部件采購、施工管理等工作在統(tǒng)一平臺下完成,不僅最大程度避免了項目過程的“錯漏碰撞”,而且實現(xiàn)了建筑復雜構建的精益化、高效化制造。敦煌文博會主場館從設計方案擬定到土建三維施工出圖,僅用42天時間完成,全部場館的主體工程僅耗費百余天,即使鋪設15萬m2的廣場也僅需一個多月。按照既往工程建設的進度預估,敦煌文博會主場館的總體工期應在5年左右,而在BIM+裝配式技術的支撐下,整體工期縮減至8個月,同時實現(xiàn)了項目資金成本、管理成本的大幅壓縮[8]。
BIM+裝配式技術在高層住宅建筑中的應用較為普遍,尤其政府保障性住房大多采用裝配式生產(chǎn)模式,對加快中國裝配式建筑建設步伐起到重要推動作用。列入2019年安徽省建筑產(chǎn)業(yè)化示范項目的毓秀雅苑,由住宅樓、附屬樓、幼兒園共同組成。其中,高層住宅樓全部采用裝配式混凝土剪力墻結(jié)構,預制裝配率達60%以上。BIM+裝配式技術應用于該項目的深化設計、現(xiàn)場施工、項目管理、協(xié)調(diào)創(chuàng)新等各個方面,發(fā)現(xiàn)并解決了600余項圖紙問題,完成了20棟樓的預制墻板管線優(yōu)化、外墻外保溫優(yōu)化等工作,所創(chuàng)造的經(jīng)濟效益高達一千多萬[9]。實際早在2015年萬科與中天建設集團聯(lián)合打造的“西安萬科城”項目,就將BIM+裝配式技術應用到一個新的高度。西安萬科城3#和4#樓當時被稱為“西安市在建裝配率最高的工業(yè)化住宅項目”,整體裝配率達60%以上,預制率達15%。該項目是萬科15 m2極小戶型,在BIM+裝配式技術的輔助下,依托游牧式預制構件場縮短25%左右的建造周期,并節(jié)約了建造費用、管理費用。該項目利用系統(tǒng)軟件深化施工設計,積極改進傳統(tǒng)施工工藝,有效減少了重復施工帶來的資源浪費和工期延誤。此外,該項目所有裝修材料都采用工廠預制、現(xiàn)場安裝的施工方式,如衛(wèi)生間使用整體衛(wèi)浴代替鋪設地面、安裝設施。
2021年7月正式投用的青島國信海天中心,作為集酒店、辦公、觀光等七大業(yè)態(tài)為一體的超高層城市綜合體,已然成為青島新地標。號稱“山東第一高”的海天中心,主塔樓高達369 m,T1、T2、T3三座塔樓共同發(fā)揮多種業(yè)態(tài)功能,建造難度與精度不言而喻(見圖2和圖3)。青島海天中心無疑是BIM+裝配式技術打造的智慧摩天大樓,在對接國際標準的同時力爭打造國內(nèi)一流超高層建筑,以技術全面驅(qū)動建筑項目實現(xiàn)綠色建造和精細管理。在項目建設初期,中建安裝一公司建設團隊進場晚,工期極為緊迫,且機電安裝與土建工程存在施工沖突。在此背景下,該項目引入BIM+裝配式建造技術,有效解決了超高層建筑中縱深空間運輸、機電間安全穩(wěn)定、管線碰撞等問題。中建公司設立于距海天中心50 km處的裝配式加工廠,完成了基礎設備、管道、閥部件等一體化加工,在有效前移一線生產(chǎn)的同時,一定程度上避免了多專業(yè)同步作業(yè)的擁擠與干擾,使整個項目的綜合生產(chǎn)效率提升了20%。此外,通過BIM技術的模擬分析,該項目將T2塔樓原本設計的9個排煙系統(tǒng)減至2個,將建筑南北側(cè)的8個豎井合并為4個,并通過調(diào)整排煙系統(tǒng)布局消除排煙系統(tǒng)與建筑幕墻之間的無效空間,為建筑項目增加了1 000多m2的可用面積[10]。不難看出,BIM+裝配式在青島海天中心的設計及建造過程中發(fā)揮著重要作用,也為項目追趕工期、節(jié)約資源作出積極貢獻。(圖2和圖3來源:https://baike.baidu.com/item/%E6%B5%B7%E5%A4%A9%E4%B8%AD%E5%BF%83 /20191821?fr=aladdin)
圖2 海天中心業(yè)態(tài)分布圖
圖3 海天中心展示圖
在建筑領域應用BIM+裝配式生產(chǎn)技術,能有效簡化建筑項目流程,提高資源利用效率和建筑品質(zhì)。不過就當前環(huán)境而言,BIM+裝配式建筑工程造價高、產(chǎn)業(yè)化水平低、主體協(xié)同差等問題較為突出,制約著中國BIM+裝配式建筑的深度推廣和技術創(chuàng)新。在裝配式建筑中應用BIM技術,對降低工程造價、完善上下游產(chǎn)業(yè)鏈、匹配項目需求作用明顯。需要注意的是,BIM+裝配式技術的深度應用依然依賴BIM技術的突破發(fā)展與裝配式技術的有效推廣,期待技術發(fā)展為建筑領域的變革和創(chuàng)新注入新的活力。
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BIM+ Assembly Technology Application Status and Case Analysis
QIN Jin-feng
(College of Art and Design, Hefei University of Economics, Hefei Anhui 230011, China)
BIM+ prefabricated technology can be applied to various stages of construction projects such as architectural design, component production, construction management, operation and maintenance, and plays an important role in the entire life cycle of buildings. In large-scale comprehensive buildings, large-scale public buildings, high-rise residential buildings, super-high-rise buildings and other types of buildings, BIM+ prefabricated technology has outstanding performance, especially in solving special-shaped structures, moving production links forward, reducing construction period, and saving construction and management costs. It has outstanding advantages in other aspects, which is of great significance to promote the intelligent, refined and intensive development in our country’s construction field.
BIM+ prefabricated technology; prefabricated building; intelligent construction
2022-03-25
2021年高校優(yōu)秀人才支持計劃一般項目(gxyq2021290)
秦金鳳(1988—),女,山東德州人,講師,碩士,研究方向:土木工程。
O175.25
A
2095-9249(2022)03-0020-05
〔責任編校:王中蘭〕