基于BIM 虛擬建模的裝配式建筑施工效率管理研究

陳先軍

（阜陽職業(yè)技術學院，安徽 阜陽 236031）

中國當前的建筑行業(yè)仍然主要為傳統(tǒng)的建筑方式，嚴重浪費了建筑材料和人力資源，且對環(huán)境的污染也非常嚴重，阻礙了中國的長期可持續(xù)發(fā)展［1］。為推動經(jīng)濟和資源的良性發(fā)展，中國正在推行環(huán)保的裝配式建筑，目前裝配式建筑已經(jīng)成為中國“十三五”期間的重要戰(zhàn)略之一［2］。裝配式建筑材料在生產(chǎn)過程中，會受到生產(chǎn)工人能力的影響，造成各個廠家生產(chǎn)的質量各不相同，從而影響到整個建筑的質量；同時，裝配式建筑存在施工機械化程度高、吊裝工藝難、構件拆分復雜、施工管理能力差等問題，這些問題也影響著裝配式建筑的發(fā)展［3］。目前，BIM 虛擬建模技術在國內(nèi)逐漸被應用，通過BIM 構建裝配式建筑的3D 模型，在此基礎上進行裝配式建筑的拆分和優(yōu)化設計［4］。但怎樣才能將BIM 技術有效協(xié)調(diào)裝配式建筑施工過程，提升施工效率，已成為建筑領域中一大熱點話題。本研究對裝配式建筑施工效率管理問題，介紹了BIM 技術在裝配式建筑過程中各個階段中的應用，旨在為裝配式建筑施工提供一定借鑒和參考。

1 BIM 在建筑施工中的應用

1.1 BIM 在施工平面布置中的應用

在布置施工現(xiàn)場時，要以實際施工區(qū)域的情況作為基礎，通過BIM 模擬方法構建科學合理的平面布置模型方案。有效利用區(qū)域內(nèi)能夠利用的空間，如構件的運輸路線、存放位置、現(xiàn)場設備的調(diào)動，以防止重復運輸，一次性滿足現(xiàn)場的施工要求［5］。通過BIM 技術對3D 立體規(guī)劃方案進行構建，能夠有效體現(xiàn)出施工現(xiàn)場的實際情況，從而進行科學的布局，避免吊裝碰撞等事故的發(fā)生。施工平面布置需要遵循原則：一是合理布置場地中設施，以滿足施工現(xiàn)場實際所需，合理調(diào)配勞動力、設備和施工材料；二是統(tǒng)籌優(yōu)化生活區(qū)、施工區(qū)布置；三是合理規(guī)劃現(xiàn)場路線，滿足PC 構件施工特點；四是合理布局塔吊。結合BIM 技術和平面圖，構建出施工區(qū)域的地形、設備、建筑、材料放置區(qū)域、臨時水電、臨時道路以及生活辦公區(qū)域的建模，充分考慮設備的布置，避免塔吊等設備發(fā)生碰撞，具體的施工平面布置的流程見圖1。

圖1 BIM 技術應用于施工平面布置的流程圖

傳統(tǒng)的CAD 場地布置圖無法展現(xiàn)出完整的模擬效果，施工中存在的不當之處也難以被發(fā)現(xiàn)［6］。應用BIM 虛擬建模技術能夠直觀展示各個區(qū)域之間存在的關系，同時也能顯示施工材料在各時間段的運輸路線與存放區(qū)域，有效防止塔吊等設備之間的碰撞，提升現(xiàn)場施工的效率。

1.2 BIM 技術應用于施工質量、安全質量及進度的管理

1.2.1 施工質量管理

在施工質量管理中，BIM 能夠根據(jù)施工的流程、工序轉換、質量缺陷以及驗收等要求，將工程現(xiàn)場情況和模型進行對比，及時找出施工中存在質量及安全隱患問題，并提出質量管控措施，提升施工質量管理效率，完成施工質量管理目標［7］。傳統(tǒng)的圖紙會審只會對圖紙中發(fā)現(xiàn)的問題來研究，而應用BIM 可以發(fā)現(xiàn)圖紙中存在的問題，進一步提升圖紙會審的準確度。各個專業(yè)方向的人員根據(jù)圖紙構建相關的BIM 模型，最后再整合所有的模型，找出設計各個方向的圖紙中的矛盾之處，同時提出修改意見，達到了提升工作效率的目的。BIM 虛擬建模使得施工技術交底形式突破了傳統(tǒng)僅依靠平面圖紙交底的形式，使得工作人員能夠通過模型直觀地了解施工節(jié)點的要求，防止因交流問題而造成交底不清的問題出現(xiàn)，有效提升了交底工作的效率。在構件生產(chǎn)之前，應用BIM 技術找出項目中存在的質量隱患，并改進預制構件的轉配流程，自行構建廠家生產(chǎn)的BIM 模型，確保構件規(guī)格尺寸和質量符合施工要求；在構件生產(chǎn)過程中，應用BIM 技術放置構件的RFID 標簽，并在BIM 模型中輸入標簽信息，幫助現(xiàn)場工作人員了解進場PC 構件的質量。

PC 構建的優(yōu)化設計方案是基于BIM 技術的立體可視化的演示，并對3D 信息模型進行了構建，模擬構件的安裝過程，及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題并更正，提出的構件的優(yōu)化設計方案必須滿足項目的安裝要求［8］。本研究的控制點優(yōu)化設計方案包括了構件運輸優(yōu)化、構件吊裝順序、構件節(jié)點、洞口預留、預埋件的優(yōu)化設計，以達到施工便利的目的。見表1。

表1 構件的優(yōu)化設計方案

1.2.2 安全質量管理

在裝配式建筑項目安全質量管理中引入BIM技術，并比較施工模型與施工信息。在裝配式安全管控中，采用BIM 技術構建施工安全風險控制點、危險施工部位以及關鍵環(huán)節(jié)的模型，可有效防止事故的發(fā)生，同時應用3D 模型來提前展示各施工環(huán)節(jié)的安全隱患［9］。隨著施工進度的推進，實時展現(xiàn)可能存在的風險并及時進行調(diào)整。由于裝配式施工中的安全隱患多且分散，施工方可通過BIM 可視化模擬，找出工程中存在的諸多安全隱患，如基坑坍塌、高空跌落、吊裝碰撞等一系列的風險因素，并過段采用有效的安全措施來應對各種潛在風險。

構建了BIM 安全模型后，還需要對安全設施族庫進行構建，實例參數(shù)選擇為安全參數(shù)，并實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全設施的可視化展示，具體的流程為：新建→選擇族樣板→設定族參數(shù)及類別→載入嵌套族→構建族類型參數(shù)→創(chuàng)建實體→增加參數(shù)信息。本研究以鋼筋加工防護棚為例，將通用族選擇為鋼筋加工防護棚族，其中防護棚主要包含了防護棚頂、基座以及鋼架，主要的參數(shù)有尺寸標注、材質、裝飾以及標識數(shù)據(jù)，應用BIM 軟件修改優(yōu)化各個參數(shù)。優(yōu)化后的安全設施模型，見圖2。

圖2 安全設施模型圖

各個參建單位可通過BIM 技術直觀地看到項目的風險控制點，并根據(jù)風險程度來確定風險等級，并按照風險等級采取相應的措施指導現(xiàn)場施工，主要流程為：現(xiàn)場危險源識別→組織風險評估→確定風險等級→風險預防與控制。

1.2.3 施工進度管理

在BIM 中進行施工進度管理，進度計劃編制最為便捷直觀的方法為Project，Naviswork 軟件中Timeliner 方法是能夠更好地模擬現(xiàn)場進度［10］。BIM 技術可以有效整合模型，防控工期影響因素，把控施工進度。編制基于BIM 的施工進度計劃的流程為：首先工程人員應用Project 對進度計劃（BIM 格式）進行編制，通過Naviswork 軟件把編制好的文件導入BIM，將模型集合至各個構件上，在運行BIM 模型模擬工程的進度情況。最終的交付成果包含BIM 模型、模擬視頻、進度計劃、協(xié)調(diào)資料等，進度計劃與模型關聯(lián)如圖3 所示。

圖3 進度計劃與模型關聯(lián)

2 BIM 虛擬建模技術在裝配式建筑施工中實例分析

2.1 裝配式建筑項目概況及BIM 虛擬建模

本研究以某樓盤開發(fā)為實例，該樓盤屬于裝配式產(chǎn)業(yè)化高層住宅樓，為城市典型住宅樓建筑群。工程共包括了20 個單元，建筑面積約257326 m2，5F 以下和以上分別為現(xiàn)澆結構層和裝配式結構標準層。PC 構件包括疊合梁板、預制內(nèi)隔墻、預制剪力墻。防火分類為高層I 類，等級為一級防火；使用年限設計為50 年；人防工程類別為甲類；抗力級別為核六級人防。項目存在難點較多，一是各專業(yè)之間較差施工，協(xié)調(diào)難度大；二是機電系統(tǒng)復雜，吊裝施工、管線優(yōu)化難度大；三是PC 構件安裝精度、套筒節(jié)點注漿要求過高；四是需要嚴格把控BIM 模擬的準確度；五是項目工程規(guī)模大，工期非常緊張；六是工管理協(xié)調(diào)存在非常大的難度。

通過以上分析，本研究應用BIM 技術進行項目的過程控制與優(yōu)化。首先應用Revit 構建族庫，按照構建的實際尺寸建立PC 族類，并依據(jù)設計參數(shù)建立PC 構件的構件庫。通常，裝配式構件類型較多，包括疊合板、疊合梁、外墻板、內(nèi)墻板、剪力墻版等。通過設計圖紙的參數(shù)在Revit 軟件中構建BIM 模型，見圖4。

圖4 裝配式建筑模型

2.2 施工效率管理實例分析

2.2.1 施工平面布置

應用Revit 軟件進行地形設置，對室外倒排管線、主體結構、地庫頂?shù)臉烁卟贾么怪边\輸機械；再根據(jù)施工實際情況構建出安全設施族庫，確保各族庫規(guī)格統(tǒng)一，加強布局效果；接著再重點關注構件的數(shù)量、重量、模板以及混凝土用量，以及材料設備的運輸情況，結合項目施工總平面圖布置圖，應用BIM 技術對圍墻、臨時道路、人貨電梯位置、塔吊布置、構件堆放地等進行3D 建模。應用啟用剖分法動態(tài)管理施工過程，如對地下車庫的構件及管線材質進行了構建，并通過Navisworks對地下車庫的結構進行瀏覽。施工總平面布置模型及BIM 動態(tài)管理圖見圖5。

圖5 施工總平面布置模型及BIM 動態(tài)管理圖

其中，本項目為確保吊裝能力，為各個單體均配置了塔吊（QTZ6518）一臺，反復檢查塔吊旋轉半徑是否能夠重疊使用。在進行PC 構件運輸路線布置時，充分考慮了周邊線路，應用專業(yè)的固定架，避免構件搖晃發(fā)生碰撞損壞等現(xiàn)象。通過BIM 建模后，充分分析臨時道路的轉彎半徑、坡度及寬度。

2.2.2 施工質量、安全及進度管理

應用BIM 進行項目的建模工作，及時發(fā)現(xiàn)項目圖紙中存在的不合理之處，及時進行優(yōu)化，使得吊裝方案能夠滿足項目實際需求。接著進行了碰撞檢查，通過Revit 整合各個專業(yè)構建的模型，并由Navisworks 對模型進行碰撞試驗的檢查，找出模型之間的碰撞部位及數(shù)量。碰撞實驗內(nèi)容包括了橋架與風管、疊合連梁縱筋與現(xiàn)澆暗柱縱向鋼筋、鋼筋與構件、管線之間的碰撞，將實驗結果反饋給設計院，再將修改后的圖紙進行建模優(yōu)化，直到完全消除碰撞點為止。例如，橋架和風管的碰撞模擬圖，如圖6 所示。結果顯示，結合圖紙建模能夠更好地進行施工模擬演示，了解施工重難點，確保施工質量。

圖6 橋架和風管的碰撞模擬圖

本項目針對施工安全問題，應用BIM 技術對3D 漫游及工人進行技術交底，并在模擬環(huán)境中尋找安全隱患重點位置，并在后期的施工過程中重點關注。此外，應用成品支撐架確保墻板的穩(wěn)定，應用BIM 技術模擬調(diào)整構件的垂直度，保障了構件的安裝精度，提升墻板斜支撐位置的合理性。

對施工進度的管理而言，本項目采用Project編制了mpp 進度計劃文件，并將文件導入Navisw-orks 的Timeliner 中，生成四維施工進度模型。后期隨著裝配式吊裝工程的進展，Timeliner 將自動調(diào)整模型信息，以便對項目的進度進行分析。施工進度模擬圖，如圖7 所示。

圖7 施工進度模擬圖

2.2.3 施工模擬

在Navisworks 中導入Revit 模型，并在構建的三維模型中導入時間維度得到四維模型，再加入成本參數(shù)得到五維模型。本研究通過BIM 模擬吊裝施工，并及時找出PC 構件安裝中存在的問題，并采取了相應的措施進行處理，在吊裝前進行了基于BIM 技術的3D 可視化技術交底。PC 構件安裝演示圖，見圖8。

圖8 PC 構件安裝演示圖

3 結論

研究針對裝配式建筑施工，應用了BIM 虛擬建模技術分析了裝配式建筑施工效率管理問題。結果顯示，結合圖紙建模能夠更好地進行BIM 施工模擬演示，了解施工重難點，確保施工質量；應用BIM 技術模擬調(diào)整構件的垂直度，保障了構件的安裝精度，提升了墻板斜支撐位置的合理性；四維施工進度模型方便了對項目的進度進行分析，加快了PC 構件的堆放周轉，提升了施工的效率，確保項目能夠按照計劃進行；應用BIM 進行吊裝施工模擬，能夠及時找出存在的問題，在吊裝前進行基于BIM 技術的3D 可視化技術交底，對后期的實際施工具有指導意義。