基于BIM技术的装配式建筑施工阶段安全与质量控制研究

陶佳能，龚旭成，唐源野，孙志岗

（1.重庆建筑工程职业学院，重庆 400072；
2.中海建筑有限公司，广东 深圳 518051）

目前，我国房屋建筑产业规模不断扩大，在国民经济中的地位日益增强，但其建造模式仍以现场浇筑的传统建造方式为主，存在建造效率低、资源能耗高、工业化水平低等问题[1-2]，已不符合我国经济高质量发展阶段的历史要求。建筑工业化和信息化是我国建筑行业转型升级的必经之路，也是节能减排的有效途径。在欧美、日本、韩国等发达国家中，广泛采用“预制装配化施工技术”，能够实现生产标准化、产业规模化、智能机械化以及管理信息化，成为新兴的建筑模式。相比之下，我国的预制装配式建筑仍处于起步阶段，在信息化方面的研究有待突破[3]。

相比于传统的现浇模式，预制装配化建筑构件种类多、数量多，安装精确度要求高，施工过程中要有更为严密的预制构件施工信息动态管理。基于集成BIM 工程数据模型，可将施工过程信息与模型对象相关联，形成具有多维度的BIM 模型，促进工程生产的高效运行，工程进度可视化，有效缓解工期偏差[4-5]。BIM 的信息共享机制可有效避免工程沟通和工程管理过程中存在的信息冗余和信息失真问题，进而提高管理效率，降低施工误差，实现施工质量和施工安全目标[6]。凭借终端设备和PC端设备相结合的BIM 云平台，施工技术人员可以远程监控施工进度和指导施工，实现施工过程、施工管理的信息化和智能化[7]。

本文基于重庆建筑工程职业学院迁建工程（三期）建筑产业现代化实训基地项目，建立三维EBIM 协同平台，实现施工阶段中竖向构件套筒灌浆质量控制、预制构件质量控制以及预制构件吊装安全管理，研究成果可为预制装配式建筑的施工提供更全面的判断和决策。

重庆建筑工程职业学院迁建工程（三期）建筑产业现代化实训基地位于重庆南岸区梨花大道857号重庆建筑工程职业学院内，如图1 所示，总规划用地面积8915.83m2，新建建筑产业现代化实训基地 建 筑10660.37m2，建 筑 占 地 面 积3419.03m2，建筑层数为地上5层，地下2层，地上建筑高度为22.9m，结构形式为装配整体式框架结构和装配式钢结构。该项目为重庆市装配式建筑综合示范项目，预制率为40.2%，装配率高达71.32%。

图1 拟建项目区位平面图

2.1 竖向构件套筒灌浆质量控制

套筒灌浆是装配式建筑竖向构件连接的主要方法，灌浆质量直接影响建筑物的整体性和安全性，施工阶段需要对灌浆质量极其重视，严把质量关。依据套筒灌浆施工工艺要求，其施作顺序一般为准备工作、作浆料封堵、灌浆料备注、压力灌浆和质量检验。

在人员、压力灌浆设备、灌浆材料准备完成后，将预制柱吊装到位，立即用坐浆料将预制柱与楼面板形成的2cm 的缝隙进行塞填，不可漏塞，形成密封舱，避免浆液从缝隙中跑出，其中坐浆料侵入接触面不应大于1cm；
待坐浆料封堵24h 后，开始制备灌浆料进行套筒灌浆，灌浆料制备时，严格按照产品说明书要求的配合比配置灌浆料，使用电子秤计量各材料用量；
将注浆管对准预制柱下部任意一个注浆孔开始进行压力注浆，注浆压力保持在0.2MPa～0.3MPa，待注浆孔上部的出浆孔稳定溢浆（呈股状流出）后用橡胶塞封堵出浆口，待溢浆孔稳定出浆并用橡胶塞封堵后，需稳压30s，保证灌浆孔全部密实，灌浆料应在30min 内使用完毕；
灌浆24h 后，拔开橡胶塞观察出浆孔和溢浆孔的灌浆料是否密实饱满；
灌浆过程中全程录像并存档，作为质量追溯的资料，专业监理和质检员全程在场监督检查，确保灌浆质量。具体的现场灌浆过程如图2所示。

图2 现场灌浆过程

2.2 预制构件质量控制

本项目混凝土结构部分预制构件主要有预制叠合板、预制叠合梁、预制楼梯、预制空调板。预制叠合板拆分规格化、标准化。预制叠合板现浇层厚70mm（观景平台处厚100mm，密拼板处厚80mm），预制板厚60mm，叠合板后浇段宽度不小于300mm。预制板搁置梁柱构件10mm，预制板板边出钢长度至梁中线且不小于5d，梁板、板与板之间的构造按照《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1-2014）的规定，保证其连接效果等同现浇。

预制主框架梁叠合现浇层厚度为150mm，次梁为140mm，预制梁与后浇混凝土叠合层之间的结合面设置粗糙面；
预制梁端面设置键槽,且设置了粗糙面，粗糙面凹凸深度为6mm。

预制楼梯下端采用滑动铰接连接，上端采用固定铰接连接，预制楼梯计算严格按连接做法取楼梯计算跨度，楼梯栏杆埋件先行预埋。为做到经济合理，楼梯标准化拆分，第一跑楼梯不拆分采用传统现浇，预制的楼梯梯段跨度及高度均相同，全楼预制楼梯构件种类为1类。

2.3 预制构件吊装安全管理

项目共有11 种构件，每种构件吊装特点不同，需按照审批通过后的吊装方案进行。吊装重点为构件进场验收、吊具安全性、支撑体系可靠性、吊装顺序、构件定位精准度等，尤其注意吊装安全，构件吊装时管理人员必须全程跟踪，首次预制柱吊装时，项目技术负责人、专职安全员、现场施工员、测量员必须到场全程管理，发现安全隐患及时整改。

由于项目预制构件种类多，最重的为预制楼梯，重达5.2t，这就对塔吊的选型和布置提出较大要求。经过多方考察和认真研究，项目部布置一台QTZ300（CF7035）塔式起重机，臂长60m，最大起吊重量为8t，最远端吊重为4.53t，覆盖范围和起吊重量均满足要求。

在编制专项施工方案前，项目技术人员、现场管理人员和吊装作业人员对施工图进行认真细致的研究，发现问题及时向设计单位反馈，弄清设计意图和施工安全质量要求。根据已经获批的吊装方案，严格按照“三级交底”制度进行安全技术交底，由项目技术负责人向各部分负责人和主要技术人员进行方案交底，然后由技术人员向现场管理人员和班组长交底，最后由现场主管工程师向全体作业人员交底。每一级交底都必须有针对性，把技术要点和施工重难点讲清楚、讲透彻，让项目全体技术和管理人员都掌握预制构件吊装。

3.1 可视化BIM模型的建立

基于全过程全建筑BIM 技术，进行构件生产和施工指导，为准确反映图纸信息，直观形象展示，运用BIM 技术建立三维模型，反映设计意图。以BIM 三维信息模型作为集成平台，将虚拟数字模型与工程实际模型相关联，并将集成大量资料数据的数值模型上传至BIM云平台，项目参与各方可基于BIM 云平台共享和管理数据信息，实现信息沟通的高效率、信息传递的高保真、多方合作的协同化和实时化。建立的三维可视化BIM模型如图3所示。

图3 项目BIM三维模型

3.2 基于BIM技术的施工过程质量控制

传统装配式建筑设计的施工图纸，是基于过程的设计表达方式，对于一个预制构件的表达是通过点、线表示的，前后并无关联性，而基于BIM 的装配式建筑的模型建立，是在组件设计的概念基础上，面向对象的设计方式，存储数据的方式是模块化的，每个组件将承载整个生命周期的工程数据信息。

BIM 信息模型具有可全方位展示装配式建筑模型结构构造细节的功能，通过模型浏览，可以获取每一个构造的精细信息，也可从模型中选取复杂部位和关键节点进行吊装工序模拟，以可视化的预建造漫游，实现对现场技术人员和施工工人的技术交底，增强其对施工工艺、施工环境的认识，提高施工质量和装配式构件安装效率，达到BIM 模型指导施工的目的，如图4 所示。施工阶段，采用BIM 模型对施工计划和施工方案进行分析模拟，充分利用场地条件及资源，得出最优的施工计划和施工方案。本项目预制构件种类多，节点复杂，利用BIM参数化和可视化的优越性，对吊装顺序、节点交叉施工、土建与机电管线施工、配套临时支撑措施等进行分析模拟，可以根据模拟结果进一步改进施工方案，达到安全、快速、高效、降低成本、减少碰撞、减少资源浪费的结果。

图4 基于BIM三维模型施工过程模拟

3.3 基于BIM技术的施工过程安全管理

在施工方案进行比选时，运用BIM技术创建相应的安全信息模型对不同的施工方案进行三维模拟，在施工前仿真模拟出预制构件从进场到安装的全过程，并重点反复进行碰撞监测分析，使安全隐患在施工模拟中彻底暴露，为施工方案的优化比选提供依据，并根据系统出具的分析报告，不断深化改进预制构件的吊装、安装、运输、堆放、设计等方案，使最终的装配式建筑施工方案达到最优的安全施工效果。

以BIM 三维信息模型作为集成平台，对预制构件吊装、灌浆等关键工序方案提前进行模拟预演。在实际施工前，根据施工现场实际，对施工区域的危险源进行危险源识别、特种设备管理、环境监测等。基于BIM 安全信息模型及时反馈监测数据，并分析对比其与临界值的差异，判断测点的安全状态是否完整，结合实际情况划分施工区域的危险等级，并给予合理的安全指导，确保施工过程的安全开展。

BIM 安全管理模型将项目进度、设计变更信息同步输入，使安全设计验证与安全规则检查能够伴随项目进展变化同步完成，并对危险源问题及时标注提醒，提高安全检查的时效性、准确性。利用BIM 建立施工防护功能，根据BIM 模型提供施工需要防护功能的部位，比如对需预先进行防护的“四口”和“五临边”等事故高发区进行精准定位，以防现场工作人员误入危险区发生危险，利用BIM 还可以对现场防护设施设置合理性及防护效果进行实时动态的模拟检查。另外，BIM 模型连接VR 体验设备，为作业人员创造出逼真的施工现场体验环境，作业人员通过穿戴VR设备如控制手柄等，实现对施工现场的三维虚拟漫游模拟，对现场作业环境及其中的安全禁区提前熟悉和生动地体验，增强了作业人员的安全生产感性认识，如图5所示。

图5 基于BIM三维模型施工过程安全培训模拟

与传统的现场建造方式相比，预制装配式建筑其具有较好的综合社会效益和经济效益。将BIM 技术应用到预制装配式结构的施工中，可有效利用BIM模型中详细而精细的建筑信息，指导预制构件的施工过程管理。

依托基于重庆建筑工程职业学院迁建工程（三期）建筑产业现代化实训基地项目，建立了装配式整体框架结构多专业的BIM 协同平台，有效地加强了各参建方的数据传输及协同共享，避免传统工作方式的信息不对称、信息孤岛现象，为各参与方提供一个高效率信息沟通和协同工作的平台；
BIM 技术在预制装配式房建项目中可实现安全管理的动态纠偏和质量管理的精细化，为预制装配式建筑的施工提供更全面的判断和决策。

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