BIM 技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工現(xiàn)場的應(yīng)用研究

唐俊，王浩，韓文靜

（中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

為確保裝配式建筑施工的安全，需針對施工現(xiàn)場進(jìn)行嚴(yán)格的管控。以鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工為例，其現(xiàn)場管控就是以傳統(tǒng)建筑施工為基礎(chǔ)，對建筑各工序在施工過程中的質(zhì)量控制和現(xiàn)場施工管理模式，進(jìn)行研究和探索。管控目的是使工程質(zhì)量更趨于安全，滿足人們對建筑質(zhì)量的要求[1-3]。為了在最大程度上確?，F(xiàn)場施工安全，在管控的過程中可采用模塊化設(shè)計施工模式，施工現(xiàn)場可以進(jìn)行高度標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)并且安裝完畢。在裝配式建筑施工現(xiàn)場，在確保施工質(zhì)量和進(jìn)度的前提下，還必須把施工過程中的各工序控制到位。這樣才能保證建筑工程的質(zhì)量[4-5]。但施工過程中每個工序都有其自身獨立的技術(shù)要求，并不是所有工序都能夠得到有效控制。在鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工現(xiàn)場就必須對各個階段的質(zhì)量進(jìn)行控制。保證鋼結(jié)構(gòu)組裝式建筑施工過程中各個質(zhì)量節(jié)點都得到有效控制，從而達(dá)到安全、高效、經(jīng)濟(jì)的效果。

相關(guān)學(xué)者對此問題進(jìn)行了研究，例如，白俊峰等人對裝配式建筑結(jié)構(gòu)在醫(yī)院建設(shè)工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究[6]，對裝配式建筑結(jié)構(gòu)的作業(yè)進(jìn)行詳細(xì)分析，從主體結(jié)構(gòu)、制作施工等方面分析裝配式建筑的主要優(yōu)勢，并應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行醫(yī)院建設(shè)工程的施工改進(jìn)，此方法能夠提升施工安全性預(yù)測監(jiān)測。趙家敏對桁架結(jié)構(gòu)在裝配式建筑中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[7]，通過云模型獲取裝配式建筑面受力，采用層次分析法分析裝配式建筑安全影響因素，利用DEMATEL-ISM 進(jìn)行裝配式建筑施工現(xiàn)場安全性評估。

但是以上方法均未考慮安裝進(jìn)度的監(jiān)測，基于此，本文將針對BIM 技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)探究。

1 BIM 技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工現(xiàn)場的應(yīng)用研究

1.1 構(gòu)建BIM 模型，獲取鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工材料清單

為實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工現(xiàn)場各類材料的管理，引入BIM 技術(shù)，通過建模的方式，將各類施工材料導(dǎo)入到模型中，并以此生成鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工材料清單。圖1 為BIM 模型的構(gòu)建思路。

圖1 BIM 模型構(gòu)建思路

針對施工現(xiàn)場原有的施工材料，將其按照圖1 左側(cè)內(nèi)容進(jìn)行建模，針對施工現(xiàn)場新進(jìn)的施工材料，將其按照圖1 右側(cè)內(nèi)容進(jìn)行建模[8-9]。在建模的過程中，為確保模型精度，根據(jù)施工材料的等級將其信息精度劃分為LOD100、LOD200、LOD300，分別對應(yīng)一級施工材料清單結(jié)構(gòu)、二級施工材料清單結(jié)構(gòu)、三級施工材料清單結(jié)構(gòu)。針對不同等級，獲取鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工材料清單，并進(jìn)一步完成對清單的分解，如圖2 所示。

圖2 不同等級施工材料清單分解示意圖

在建立BIM 模型時，還需要針對具體項目設(shè)置相應(yīng)的編碼。編碼按照數(shù)字的形式描述，不同層級之間可用“.”連接。在BIM 模型中，通常采用裝配式構(gòu)件的首字母縮寫加上編號或大小，在字母和數(shù)字之間用“-”連接。

例如，“300×400”的鋼結(jié)構(gòu)長方形柱子（如圖3 所示），可以用“GJXZ-300×400”或“GJXZ-01”來命名。在描述無預(yù)制件時，可以采用“全名+實踐”的方法，例如：水泥砂漿地板-1-001 層。鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑特點要求對 BIM 的精度有很大的影響[10]。第一個項目的特點是它的總體設(shè)計要求和功能；第二類工程特征要求對結(jié)構(gòu)的幾何、物理性質(zhì)進(jìn)行描述，如果資料不多，則根據(jù) IFC 進(jìn)行擴(kuò)充；第三階段的特點需要更加詳細(xì)，這樣才能為制定出招標(biāo)控制價和承包商的投標(biāo)提供依據(jù)。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件示意圖

1.2 基于RFID 技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝過程跟蹤

在獲取鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工材料清單后，為實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝過程的跟蹤，引入RFID 技術(shù)[11-13]，圖4 為基于RFID 技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝過程跟蹤原理圖。

圖4 基于RFID 技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝過程跟蹤原理圖

跟蹤的具體步驟為：第一步，在每一個鋼結(jié)構(gòu)上安裝一個RFID 標(biāo)簽，根據(jù)構(gòu)件安裝狀態(tài)實時更新標(biāo)簽。第二步，在不同的鋼構(gòu)件安裝過程中，RFID 識別終端被 RFID 識別終端識別，在更新包中加入鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件變化后的信息，包含位置信息和狀態(tài)信息。

通過RFID 識別終端，將標(biāo)簽中的信息傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)跟蹤平臺上，實現(xiàn)對信息在平臺上的實時顯示。在進(jìn)行對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝過程跟蹤中，利用RFID 技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了對RFID 標(biāo)簽在一定距離上的檢測與識別，便于現(xiàn)場操作，無需人為干預(yù)[14]。對于兩個RFID 標(biāo)簽之間的距離測定，其依據(jù)可用公式形式表示：

公式中，E表示待測定位置RFID 標(biāo)簽與已知RFID 標(biāo)簽之間的距離；Sm表示已知RFID標(biāo)簽在讀寫器裝置上的RSSI值；Sn表示未知RFID標(biāo)簽在讀寫器裝置上的RSSI值；R表示RFID 標(biāo)簽讀寫器數(shù)量。RFID 標(biāo)識終端能夠同時支持 ROM工作方式和讀寫式工作方式，并且不需要觸碰和鎖定，可以在任何惡劣的環(huán)境中自由工作，并且可以使用較短的 RFID 設(shè)備，不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境。根據(jù)上述論述，將RFID識別終端設(shè)置在各個安裝階段，包括：組裝階段、焊接階段、運(yùn)輸階段、堆場階段、吊裝階段和校正階段。通過對RFID 標(biāo)簽的識別，在一定的安裝階段，實現(xiàn)了目前的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的確定，從而實現(xiàn)對其全過程的跟蹤。

1.3 構(gòu)件進(jìn)場和裝車順序管控

在鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工構(gòu)件進(jìn)場時，按照上述操作對其RFID 標(biāo)簽進(jìn)行掃描與識別。所有進(jìn)場構(gòu)件均需要確保其檢驗合格。在構(gòu)件進(jìn)場前，對構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的構(gòu)件進(jìn)場操作流程，建立構(gòu)件進(jìn)場規(guī)則，并對構(gòu)件進(jìn)場時間進(jìn)行規(guī)范。結(jié)合BIM 技術(shù)對構(gòu)建進(jìn)行動態(tài)建模，并在上述構(gòu)件的BIM 模型中進(jìn)行展示。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑設(shè)計圖紙上構(gòu)建機(jī)場和裝車的順序要求，在模型當(dāng)中完成管控流程[15]。若構(gòu)件在進(jìn)場過程中存在多種缺陷問題，通過現(xiàn)場驗證、實際操作比對后，得出缺陷對應(yīng)構(gòu)件及編號。在構(gòu)件裝車前，施工單位需提前做好構(gòu)件的裝箱前準(zhǔn)備工作[16]。（1）對構(gòu)件的尺寸、重量、外觀等進(jìn)行測量；（2）采用 BIM 技術(shù)建立構(gòu)件參數(shù)和外觀尺寸，為吊裝構(gòu)件提供基本信息和依據(jù)。具體包括：了解各現(xiàn)場構(gòu)件裝運(yùn)情況和所需工具清單；制作構(gòu)件裝箱清單；制定構(gòu)件裝箱前處理計劃；制定吊裝構(gòu)件裝載前安全措施方案。同時，在構(gòu)件進(jìn)場時，若構(gòu)件不在上述構(gòu)建的BIM 模型中，則需在現(xiàn)場人員進(jìn)行構(gòu)件驗收前完成。構(gòu)件裝車前按照先卸后裝的原則進(jìn)行作業(yè)，卸車操作時須注意吊裝件與預(yù)制件之間的距離控制，防止構(gòu)件因自重造成錯位碰撞；在施工中根據(jù)現(xiàn)場條件設(shè)置預(yù)制件安裝定位系統(tǒng)；對預(yù)埋構(gòu)件進(jìn)行檢查是否存在銹蝕或破損情況。提前做好安全防護(hù)工作保證整個裝運(yùn)過程萬無一失。在施工中注意合理設(shè)置運(yùn)輸線路以保證構(gòu)件與車輛的安全，避免因超重造成交通事故。在裝運(yùn)過程中要防止不穩(wěn)定、不連續(xù)的情況產(chǎn)生；在吊裝完成后要及時檢查各承載點是否存在不穩(wěn)或破損情況。

2 實驗

2.1 實驗設(shè)計

以某鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工項目為依托，通過本文上述論述，明確了BIM 技術(shù)在施工現(xiàn)場應(yīng)用的基本思路，為實驗對BIM 技術(shù)應(yīng)用可行性的驗證，將上述設(shè)計思路應(yīng)用到該工程項目中。已知該工程位于某城市生態(tài)產(chǎn)業(yè)園區(qū)中，占地面積超過2.8 萬m2，總建筑面積超過5.5 萬m2。建筑主體形式為鋼框架結(jié)構(gòu)（見圖5）。

圖5 鋼框架結(jié)構(gòu)立面布置圖（1:100）

該建筑的總體外形是一個圓形的環(huán)體和三個大傾斜的筒體網(wǎng)殼裙塔，它的外圓半徑是32.9m，外圓半徑是58.9m，整體的平面尺寸是149m×185m。三座裙塔均采用鋼管網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，標(biāo)高13.5 米，上部為圓形框架。該建筑結(jié)構(gòu)形式新穎，但同時對施工現(xiàn)場的管控難度也進(jìn)一步增加。為實現(xiàn)對該項目施工現(xiàn)場的管理，引入BIM 技術(shù)。為實現(xiàn)對應(yīng)用效果的檢驗，從施工實際安裝進(jìn)度監(jiān)測效果和施工現(xiàn)場卸車周轉(zhuǎn)耗時，共兩方面結(jié)果進(jìn)行探究。

2.2 實驗結(jié)果分析

2.2.1 施工實際安裝進(jìn)度監(jiān)測效果驗證

為實現(xiàn)對施工實際安裝進(jìn)度監(jiān)測效果的驗證，針對實際安裝的五個階段分別利用本文上述BIM 應(yīng)用思路對其進(jìn)行監(jiān)測，對比實際進(jìn)度與監(jiān)測精度，得到如圖6 所示的結(jié)果。

圖6 施工實際安裝進(jìn)度監(jiān)測效果圖

從圖6 可以看出，在應(yīng)用BIM 技術(shù)后，針對施工現(xiàn)場的安裝進(jìn)度監(jiān)測結(jié)果與實際安裝進(jìn)度相比，盡管在施工第3 階段、施工第4 階段和施工第5 階段出現(xiàn)了一定偏差，但最終完成安裝的時間一致。因此，通過這一對比結(jié)果可以看出，在應(yīng)用BIM 技術(shù)后，針對施工現(xiàn)場的安裝進(jìn)度可進(jìn)行更高精度的監(jiān)測。

2.2.2 施工現(xiàn)場卸車周轉(zhuǎn)耗時

為進(jìn)一步驗證BIM 技術(shù)的應(yīng)用可行性，將施工現(xiàn)場卸車周轉(zhuǎn)的耗時作為評價指標(biāo)，對比應(yīng)用BIM 前后現(xiàn)場卸車周轉(zhuǎn)耗時情況，若應(yīng)用BIM 技術(shù)后，卸車耗時更短，則說明施工現(xiàn)場卸車效率更高，BIM 技術(shù)應(yīng)用可行性越高；反之，若應(yīng)用BIM 技術(shù)后，卸車耗時更長，則說明施工現(xiàn)場卸車效率更低，BIM 技術(shù)應(yīng)用可行性越低。根據(jù)這一論述，將施工現(xiàn)場實際卸車周轉(zhuǎn)耗時記錄，并將結(jié)果繪制成圖7 所示。

圖7 BIM 技術(shù)應(yīng)用前后施工現(xiàn)場卸車周轉(zhuǎn)耗時對比圖

對比圖7 中兩條折線可以看出，在5 次卸車周轉(zhuǎn)中，BIM技術(shù)應(yīng)用后的耗時均小于BIM 技術(shù)應(yīng)用前。因此，結(jié)合上述論述得出，將BIM 技術(shù)應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工現(xiàn)場可以有效縮短卸車周轉(zhuǎn)耗時，提高施工效率。

3 結(jié)論

論文提出一種基于BIM 技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工現(xiàn)場的安裝進(jìn)度監(jiān)測技術(shù)，利用BIM 技術(shù)，構(gòu)建裝配式建筑施工現(xiàn)場模型，獲取建筑施工材料清單；利用RFID 技術(shù)，跟蹤鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝過程，實現(xiàn)對構(gòu)件進(jìn)場和裝車順序的管控。實驗結(jié)果表明：

（1）本文方法在應(yīng)用BIM 技術(shù)后，針對施工現(xiàn)場的安裝進(jìn)度可進(jìn)行更高精度的監(jiān)測。

（2）在5 次卸車周轉(zhuǎn)中，BIM 技術(shù)應(yīng)用后的耗時均小于BIM 技術(shù)應(yīng)用前。因此，結(jié)合上述論述得出，將BIM 技術(shù)應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工現(xiàn)場可以有效縮短卸車周轉(zhuǎn)耗時，提高施工效率。