基于BIM的裝配式鋼結(jié)構(gòu)智慧建造應(yīng)用研究

文_ 朱 麗（通訊作者）（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，碩士）

肖萬娟（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授，碩士）

王萬春（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師、一級造價師）

楊 宇（柳州市興佳房地產(chǎn)開發(fā)有限責(zé)任公司，技術(shù)負(fù)責(zé)人，工程師）

梁積峰（廣西建工第五建筑工程集團(tuán)有限公司，技術(shù)負(fù)責(zé)人，工程師）

當(dāng)前，“智慧化”“信息化”“數(shù)字化”和“綠色建造”已經(jīng)成為我國建筑業(yè)發(fā)展的趨勢。隨著綠色低碳發(fā)展成為全球共識，我國也提出了在2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。在此背景下，智慧建造綠色發(fā)展成為建筑業(yè)轉(zhuǎn)型的必然選擇。裝配式建筑作為一種綠色建筑代表成為研究熱點(diǎn)，而裝配式鋼結(jié)構(gòu)是裝配式建筑的一個分支，具有工廠化制造、自重輕、安裝快捷、施工周期短、環(huán)境污染少、可循環(huán)利用等綜合優(yōu)勢。數(shù)字技術(shù)能夠提高建筑業(yè)的信息化程度、提高建造效率，提升建筑質(zhì)量，成為影響其發(fā)展的重要手段。建筑業(yè)處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展第三梯隊，隨著人工費(fèi)、材料費(fèi)的上漲，傳統(tǒng)的施工組織及管理方式很難獲得更好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，建筑行業(yè)亟須深度融合數(shù)字化信息技術(shù)。綜上，本文依托實(shí)際項(xiàng)目，研究BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建造全周期的應(yīng)用，以期為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的信息化發(fā)展和智慧化建造提供參考。

一、BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)智慧建造的應(yīng)用

（一）工程概況

該項(xiàng)目為廣西首個裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目，位于柳州市魚峰區(qū)，建筑面積137183.96平方米。共9棟高層住宅、1棟多層住宅，上部采用扁鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)，地下兩層，為常規(guī)混凝土框架結(jié)構(gòu)。以7#樓為例，高度39.50米，層數(shù)為14層，主框架采用扁平鋼管柱加H型鋼梁體系，典型柱截面尺寸為200毫米×450毫米。柱腳采用“埋入式柱腳”；樓板采用可拆式鋼筋桁架樓承板體系，飄窗、樓梯采用預(yù)制PC構(gòu)件，裝配率為60%。

（二）BIM技術(shù)在設(shè)計階段應(yīng)用

設(shè)計在整個建造過程中具有重要地位，設(shè)計的品質(zhì)將影響最終建成的效果。裝配式建筑設(shè)計包括方案設(shè)計、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、深化設(shè)計四個階段。將BIM技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計中，可以利用其優(yōu)越的可視性清楚地表達(dá)構(gòu)件信息，大大提高設(shè)計效率，特別解決了深化設(shè)計階段的構(gòu)件拆分、管線碰撞等難題。

1.建筑設(shè)計

首先用Revit軟件建立土建模型，模型可進(jìn)行三維動態(tài)觀察，將二維CAD圖描述不清的地方詳細(xì)展現(xiàn)出來，在做戶型比選的時候更加便捷與直觀。如圖1所示，方案設(shè)計界面有三維可視化窗口，設(shè)置完墻、柱等構(gòu)件后，可快速計算出套內(nèi)面積等參數(shù)，供設(shè)計師快速選擇符合要求的戶型。通過對比幾種戶型的得房率，最后采用扁鋼管混凝土柱—支撐結(jié)構(gòu)體系。與傳統(tǒng)的框架砼結(jié)構(gòu)體系相比，扁鋼管混凝土柱—支撐結(jié)構(gòu)體系將鋼柱鋼梁全部隱藏于墻體內(nèi)，避免“凸梁凸柱”現(xiàn)象，可增加5%~8%的使用面積，便于裝修及使用，提高了居住的舒適性。此外，裝修模塊可設(shè)置各構(gòu)件的參數(shù)信息，通過渲染獲得較美觀的效果圖，三維效果圖可以自由切換視角及快速變更裝修材質(zhì)，節(jié)約了方案設(shè)計及比選的時間，成為建筑設(shè)計的有力輔助工具。

2.BIM綠色設(shè)計

將Revit建立的BIM模型與Ecotect軟件搭載，使得建筑的日照、采光、熱工分析更為直觀立體，從而通過適宜組織空間、合理布局、恰當(dāng)選材等設(shè)計手段，充分利用自然能源，滿足節(jié)能減排的綠色建造要求。圖2為BIM日照采光分析圖，在三維視角下，將抽象的環(huán)境分析轉(zhuǎn)換成可視化的圖表。通過對日照及采光區(qū)域的分析，可以巧妙地利用樓棟間的陰影進(jìn)行遮陽設(shè)計，在日照時間長區(qū)域規(guī)劃種植喜光照的綠植，在采光較好區(qū)域設(shè)計陽臺窗戶，不僅提高能源利用效率，還便于創(chuàng)造出更加協(xié)調(diào)、舒適、賞心悅目的綠色居住環(huán)境。BIM助力綠色節(jié)能設(shè)計，以其突出的三維直觀性、快速的信息計算能力，節(jié)約了時間成本，體現(xiàn)了BIM技術(shù)智慧化設(shè)計的高效性。

3.BIM深化設(shè)計

裝配式建筑的深化設(shè)計主要包括結(jié)構(gòu)深化設(shè)計和機(jī)電深化設(shè)計，結(jié)構(gòu)深化設(shè)計重點(diǎn)解決構(gòu)件拆分、節(jié)點(diǎn)優(yōu)化、鋼筋及預(yù)埋設(shè)計，而機(jī)電深化設(shè)計指的是給排水、電氣、暖通等專業(yè)設(shè)備的管線碰撞及綜合優(yōu)化。將模型導(dǎo)入Tekla軟件可對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計，如圖3直觀展現(xiàn)構(gòu)件詳細(xì)構(gòu)造，接著通過軟件快速將構(gòu)件拆分為標(biāo)準(zhǔn)化模塊，按照BIM的精細(xì)化出圖將構(gòu)件在預(yù)制廠完成加工，體現(xiàn)了BIM設(shè)計的速度、精度。此外Tekla軟件還可進(jìn)行鋼筋碰撞檢查、埋件干涉調(diào)整、預(yù)留孔洞整合等深化設(shè)計，整個流程快速便捷，可靠安全。管線碰撞檢查也是BIM較有價值的應(yīng)用點(diǎn)。該項(xiàng)目管線的種類復(fù)雜、數(shù)量龐大，管線綜合優(yōu)化工作十分具有挑戰(zhàn)性，得益于BIM搭建的交互設(shè)計平臺，其將各專業(yè)模型導(dǎo)入Navisworks軟件中集成并生成碰撞檢測報告，為后期調(diào)整大大節(jié)約了時間。采用這種優(yōu)化方式實(shí)現(xiàn)設(shè)計全局統(tǒng)籌，共發(fā)現(xiàn)并解決碰撞問題700余處，避免因此造成的后期返工，節(jié)省造價約150萬元?；贐IM深化設(shè)計具備的可視性、集成性、交互性、可出圖性、指導(dǎo)性等優(yōu)勢，工作效率得以提高。

（三）BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用

1.BIM場地布置

通過應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行場地布置，可對照軟件內(nèi)置的安全文明檢查項(xiàng)信息進(jìn)行優(yōu)化，做到科學(xué)高效、分區(qū)合理、設(shè)施齊全、定位準(zhǔn)確，滿足安全文明施工的要求，打造智慧工地，并最終輸出三維場地布置圖、設(shè)施清單及規(guī)格表、臨時設(shè)施定位圖，指導(dǎo)現(xiàn)場安全文明施工，是打造智慧工地的有效工具。

2.BIM安裝模擬及技術(shù)交底

裝配式建筑在施工階段存在預(yù)制構(gòu)件數(shù)量多、安裝精度高、工序交叉密、吊裝銜接緊、施工機(jī)械復(fù)雜等難點(diǎn)。項(xiàng)目針對以上問題，對整個吊裝流程及構(gòu)造復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)位置，制作模擬安裝動畫。演示動畫還可用來進(jìn)行可視化技術(shù)交底及安全教育，并在施工現(xiàn)場電子顯示屏循環(huán)播放以鞏固交底效果。BIM安裝模擬讓技術(shù)交底變得清晰具體、一目了然，加強(qiáng)了工人對施工工藝的理解，加強(qiáng)安全教育效果，減少因施工錯誤而返工的問題，從而節(jié)約材料成本、人工成本、時間成本。此外，BIM模擬安裝能快速準(zhǔn)確選出符合高度及半徑要求的吊裝機(jī)械，進(jìn)而制定合理吊裝方案，提升預(yù)制構(gòu)件安裝與現(xiàn)場施工的銜接配合度，降低了事故發(fā)生概率并有效進(jìn)行大型機(jī)械設(shè)備的資源統(tǒng)籌安排。可以說，BIM技術(shù)應(yīng)用在施工模擬中優(yōu)化了施工環(huán)節(jié)，解決了二維圖紙難理解、現(xiàn)場吊裝混亂、技術(shù)交底不夠清晰等問題，提高了施工效率和工程質(zhì)量，增強(qiáng)了安全管理效果，是實(shí)現(xiàn)智慧建造的有效手段。

3.BIM5D智慧管理

BIM5D即在3D模型上融入時間和成本信息，運(yùn)用BIM5D技術(shù)是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目智慧化管理的有效途徑。導(dǎo)入時間信息后可先在5D軟件上動態(tài)模擬進(jìn)度控制，之后搭載成本信息，通過比較實(shí)際成本收入與目標(biāo)值的差距，采取有效控制成本的措施。

由于本工程施工難度大且工期較緊張，為按期交付，項(xiàng)目部管理人員采用BIM5D軟件對整個項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)度管控，制定專項(xiàng)施工進(jìn)度保障措施。開工前利用平臺的模擬功能對進(jìn)度計劃、勞動力分布、物資計劃及大型設(shè)備進(jìn)出場安排進(jìn)行方案優(yōu)化，做到合理分布、緊湊銜接、物資均衡。項(xiàng)目開工后及時在平臺上對比實(shí)際進(jìn)度與計劃進(jìn)度的狀態(tài)，查看是否有未按照計劃完成的目標(biāo)任務(wù)，如有工期滯后的單項(xiàng)，管理人員可根據(jù)施工情況對進(jìn)度計劃進(jìn)行調(diào)整，平臺也會同步更新進(jìn)度，安排方便施工人員查看，以便在周工作例會上安排任務(wù)并及時按照新的進(jìn)度安排指導(dǎo)施工?；贐IM技術(shù)強(qiáng)大的可視性、模擬性，進(jìn)行BIM5D虛擬建造，合理劃分施工流水段制定進(jìn)度計劃，根據(jù)圖 4 所示的工程完成進(jìn)度情況統(tǒng)計表，可以看到B1層第二個施工段的任務(wù)完成時間有所延誤，需采取調(diào)整后續(xù)施工段進(jìn)度的措施，逐步將延誤的工期追趕上來。以此應(yīng)用BIM5D的實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)度智慧化動態(tài)管理，該項(xiàng)目施工速度提高1/3。

項(xiàng)目的物資管控也十分不易，因?yàn)檎麄€項(xiàng)目集聚了種類眾多、數(shù)量龐大的土工材料、建筑設(shè)備、保障措施。傳統(tǒng)的物資管控僅依據(jù)二維CAD圖紙及平面進(jìn)度計劃，統(tǒng)籌物資使用量的工作量龐大、費(fèi)時費(fèi)力，易造成物資調(diào)配不及時、不合理，導(dǎo)致物資浪費(fèi)、影響施工節(jié)奏。鑒于此，該項(xiàng)目利用BIM5D平臺的進(jìn)度信息可按每天、每周、每月提取物資需求量，制訂資源投入計劃，還可以詳細(xì)記錄材料進(jìn)出場時間，及時動態(tài)調(diào)整物資計劃，充分運(yùn)用現(xiàn)場工作面，有效避免物資配置不合理而導(dǎo)致的工期延誤。

使用BIM5D還有益于實(shí)現(xiàn)成本精細(xì)化管控，模型關(guān)聯(lián)項(xiàng)目清單計價文件后，可按照進(jìn)度對比實(shí)際成本與目標(biāo)成本的差異，及時采取措施實(shí)施成本控制。如圖5所示，項(xiàng)目管理人員在平臺中能夠選擇時間、樓層、流水段等參數(shù)，快速導(dǎo)出構(gòu)件或清單工程量，依靠軟件可快速編制資金計劃，高效精準(zhǔn)；生成計劃、實(shí)際、實(shí)際—計劃3種資金曲線，利于把控資金流向；可與構(gòu)件工程量、實(shí)際工程量進(jìn)行對比，最終進(jìn)行設(shè)計概算、施工圖預(yù)算、竣工決算的“三算”對比，優(yōu)化成本控制的路徑，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的成本管控。

（四）BIM技術(shù)在運(yùn)維階段應(yīng)用

在運(yùn)維階段，BIM搭載物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，形成構(gòu)件信息集成中心，方便快捷查找構(gòu)件詳細(xì)信息，形成全過程追溯模式，實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)代化生產(chǎn)與管理。而對于建筑內(nèi)部無法進(jìn)行肉眼觀測的隱蔽工程，通過調(diào)取信息平臺模型，可直觀了解各隱蔽處的詳細(xì)圖像，快速維修定位。BIM與VR技術(shù)的結(jié)合，開展火災(zāi)疏散等緊急演練的虛擬仿真模擬，降低運(yùn)營管理過程中存在的潛在風(fēng)險，提高運(yùn)營單位的應(yīng)急處置能力。

二、存在問題及建議

雖然BIM技術(shù)在設(shè)計、施工、管理階段的運(yùn)用取得很多效果，但是成本偏高是最受關(guān)注也是制約裝配式建筑發(fā)展的關(guān)鍵問題。而構(gòu)成這一結(jié)果的因素主要包括：地方政策不能因地制宜、現(xiàn)行BIM設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一、構(gòu)件廠構(gòu)件生產(chǎn)和運(yùn)輸管理不夠精細(xì)等。該項(xiàng)目在應(yīng)用BIM技術(shù)過程中也遇到諸如BIM模型通用性低、預(yù)制廠信息溝通不對等、BIM模型搭載其他軟件的轉(zhuǎn)換精度有待提高等問題，針對以上問題進(jìn)行分析，提出以下建議，以期為成本增量的合理壓縮提供思路。

（一）實(shí)施地方差異化政策

地方政府應(yīng)因地制宜制定推廣政策，如綜合技術(shù)政策、需求導(dǎo)向政策、財政支持政策、稅收政策、金融政策、規(guī)劃政策、土地政策和綠色建造理念引導(dǎo)政策等，多政策并舉，實(shí)行和地方政策相輔相成的舉措，完善利于裝配式建筑高質(zhì)量發(fā)展的政策體系。

（二）完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定

在現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，加快推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地方政策等完善不同地方區(qū)域的結(jié)構(gòu)體系、圍護(hù)體系、管線分離、裝修體系的標(biāo)準(zhǔn)。引領(lǐng)裝配式產(chǎn)業(yè)的科技成果轉(zhuǎn)換，推進(jìn)示范引領(lǐng)項(xiàng)目及其成套的關(guān)鍵技術(shù)成果形成標(biāo)準(zhǔn)，以此完善裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)體系。

（三）提高預(yù)制廠管理水平

搭建施工方與構(gòu)件廠信息共享平臺，提高構(gòu)件生產(chǎn)運(yùn)輸過程中信息交互性及協(xié)同性，借助BIM平臺結(jié)合進(jìn)度計劃及物資需求量制定合理的生產(chǎn)、運(yùn)輸計劃，避免發(fā)生構(gòu)件庫存過多堆積或者構(gòu)件供不應(yīng)求影響施工進(jìn)度的狀況，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)運(yùn)輸階段的質(zhì)量監(jiān)控，打造精益的生產(chǎn)供應(yīng)鏈。

三、結(jié)論

本文研究探討了BIM技術(shù)應(yīng)用到裝配式鋼結(jié)構(gòu)建造全過程的方法，結(jié)果表明，BIM技術(shù)的可視性、模擬性、信息集成性、交互協(xié)同性，能有效提升裝配式鋼結(jié)構(gòu)建造設(shè)計、結(jié)構(gòu)深化設(shè)計、機(jī)電碰撞管線綜合優(yōu)化、施工組織管理優(yōu)化水平，提高了現(xiàn)場信息化精益管理程度，助力綠色設(shè)計、綠色施工、智慧管理，是實(shí)現(xiàn)智慧建造的有效手段。針對目前應(yīng)用所遇到問題，可以通過推行地方化差異政策、制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、提高預(yù)制廠管理水平等措施進(jìn)一步提升裝配式建筑智慧建造水平。