基于BIM技术的预制装配式建筑施工应用及案例分析

池亚徽

在“互联网+建筑产业”的发展背景下，信息技术成为辅助建筑施工的重要工具，其中BIM技术的应用广度、深度均有所提升，尤其在预制装配式建筑施工领域。王玉艳（2022）的研究指出，BIM（Building Information Mdeling）本质上是一种多维模型信息集成技术[1]，可以实现建筑辅助设计、协同管理、成本及进度控制等，属于计算机辅助建筑信息管理工具的范畴。李杰（2021）分析了BIM技术在装配式建筑施工的应用思路[2]，指出BIM技术的主要作用有两个，一是“提升跨专业协作能力”，二是“提升信息化管理水平”。卫瑞霞（2021）的研究认为，BIM技术应用到预制装配式建筑施工中，除了可以“深化建筑设计”之外，还能够规避误差、冲突[3]。肖朝晖（2021）通过具体建筑项目的分析[4]，指出BIM技术应用于预制装配式建筑的难点是“构件吊装”，皆苦踢不过BIM模型与施工方案相结合的途径，优化构件堆放位置、吊装顺序等；
本文将“预制装配式建筑”视为一种建造技术，这种技术打破了传统“现场作业”的单一方式，依据建筑项目设计图纸、施工方案等文件，对整个建筑进行解构、拆分，其中一些构件（如楼梯、楼板等）在制定的工厂生产，再运输到现场环境中组装，由此产生了更多的环节信息，将BIM技术引入到此类建筑施工中，可以充分发挥信息化整合优势。

1.1 施工内容多维可视

基于“互联网+建筑施工”角度分析，计算机辅助设计（CAD：Computer Aided Design）为现代建筑产业发展提供了巨大助力，但依赖CAD绘图软件展开施工，对于预制装配式建筑的并不友好，这是因为大部分构件以二维平面图像、符号的形式表达，与真实的建筑构件是存在感官差异的。在施工过程中，需要施工人员调动自身的经验，在脑海中自主重构工程整体、局部的认知，简单地说，就是需要施工人员自己发挥想象力，才能把二维平面设计图转变成三维立体图像，这明显是一种不友好的现象；
如果建筑工程过于复杂、工作量过大，不同施工队伍在同一个施工项目中的配合就很成问题，尤其考虑到多数一线施工人员缺乏专业建筑知识，单靠自身想象是很难理解建筑复杂结构、外形的。BIM技术是在传统CAD绘图软件基础上发展起来的，它不仅兼容了CAD的相关功能[5]，同时拓展了共享资源库、软件功能库等，可以实现多维的可视化及场景模拟，如在传统3D图像的基础上加入“时间维度”，便于施工人员在不同阶段了解施工内容、准备施工资源等。

1.2 施工环境仿真模拟

BIM技术应用在建筑施工领域是一个重要趋势，但导致这一趋势的主要原因，除了该技术能够提供更直观、更生动的可视化条件，还在于其强大的仿真模拟功能。基于预制装配式建筑分析，不同的建筑构件通过“搭建”的途径，组合成一个完整的建筑体，这一过程中必须考虑尺寸、结构、材料属性、衔接缺陷等。客观上说，即便建筑预制构件所有数据精准、性能达标、质量合格之后，也无法保证能够完美地建构起一座建筑。例如，不同季节施工的过程中，必须考虑建筑材料热胀冷缩的形变问题，借助BIM技术的方阵模拟功能，能够掌握不同施工季节材料形变的情况，就可以提前处理应注意的事项。此外，BIM最重要的一个应用方向，就是对施工环境展开仿真模拟[6]，如基于大量气象、地理数据，模拟一栋建筑的能耗、日照、通风、热传导等，再基于得到的数据调整设计方案，如门窗大小、楼层高度等，确保施工过程更加平顺。

1.3 施工要素统筹协调

围绕着预制装配式建筑分析，施工要素主要包括两个方面，一方面是建筑所要使用的建筑构件，包括楼梯、梁柱、门窗等，利用BIM技术的可视化功能，可实现在虚拟场景中进行预制构件的安装、调整、优化乃至重新设计，相对于传统建筑施工技术交底而言，BIM技术可以做到更彻底、更全面，也有助于提高建设方、设计方、施工方的沟通效率[7]，有效规避各方在预制装配式建筑施工中信息不对称的问题。更重要的是，基于BIM技术的可视化功能，直接观察建筑各部分结构是否严密契合，从而有效减少了设计变更导致的返工问题。另一方面是预制装配式建筑施工单位、人员的协调，在现实施工环境中，一个预制装配式建筑项目会吸收多个施工单位，各自负责局部的安装工作，但传统的项目组织管理主要依赖人工沟通（如工地例会）方式，无形中降低了信息的传输效率、利用效率，无法保障所有施工单位、人员的步调一致。引入BIM技术之后，施工技术人员可以利用自动生成阶段性图纸，规避关键性问题的决策延误、遗忘等现象，这是因为BIM三维模型中不仅包含了一个装配式建筑的所有信息，还能够实时更新预制构件的安装情况，实现施工进度按小时更新。如此一来，相当于为多个施工队伍共处在一个信息化协作平台。

1.4 施工图纸数字导出

无论是传统现浇工艺建筑，还是预制装配式建筑，传统施工图纸在出图的环节较为复杂，需要设计方及施工技术人员反复确认。客观上，施工图纸是预制装配式建筑安装、管理、施工等依据，它也反映出了设计方的意图所在，如果施工图纸生成速度慢、错误率高，很显然是不利于施工进度、成本及质量控制的。BIM技术集成了数字化、信息化、标准化等作图优势，同一个预制装配式建筑的二维、三维及多维图纸不仅可以便捷导出，且因为数字化制图的特点，不同维度图纸是高度对称的，即注释、符号等参数化信息与BIM模型深度关联。换言之，利用BIM技术设计的图纸发生变化，施工队伍可立即获得更新后图纸[8]，并且图纸上能清晰地表明哪些地方出现了变动。这样不仅避免了多个文件反复修改，也能够减少人工误差。

2.1 工程概述

丁庄新村项目属于农民拆迁安置工程，位于河南开封禹王台区、祥符区交界处，南侧为310国道（连共线），北侧为惠济河，东西侧为农业用地。该项目包含5栋17层小高层建筑和6栋6层洋房。本文以小高层为研究对象，小高层建筑结构为“框架-剪力墙”，建筑高度（含地下部分）49.9m，底层高度3m，地上楼层高度为2.8m，总建筑面积约15 000m2，设计使用年限50年，防水等级一级、场地级别三级、耐火等级二级、抗震等级六级。

该项目施工中面临的难点在于，采取预制装配式施工需要重新处理施工图纸，明确需要哪些预制构件，然后预制构件在它处生产、再运输到现场进行安装。但施工方当前持有的是平面设计图，难以满足拆分构件、生产构件、安装构件的全部需求。同时，平面设计图表达不规范、不直观，不利于建筑构件信息提取与整合。基于此，2017年建设方开封精细化工园区变更设计要求，采用BIM技术解决上述问题，利用BIM技术不仅可以全面统筹建筑构件，还能够展开建筑模型的碰撞检查、施工过程动态模拟，有效地规避了图纸错误、资源浪费等问题。更重要的是，将BIM技术引入到该工程，能够提高施工过程中各单位、部门的协同效率。

2.2 BIM技术在预制装配式建筑模型的应用

基于BIM技术构建预制装配式建筑模型（简称“BIM模型”），需要系统、完整地呈现建筑整体到局部的信息，尤其是材料为止、构件尺寸、粉刷类型等细节信息。其中，建筑关键结构部分（梁、板、柱等）可以利用BIM软建立“族库”表示，这也是建筑设计从二维向三维转化的关键。相对应的，建筑施工过程中生成的信息（如工序、成本、设备等）也都嵌入到BIM模型中。“丁庄新村”工程所用到的工具主要包括Revit建模软件、Navisworks施工进程模控软件、Vasari室内外热环境分析软件等。

其中，利用Revit建模软件建立PC构件族库。PC构件即“预制装配式混凝土构件，“族”是指预制构件族，预制构件族的概念下包括多种PC构件，如丁庄新村工程项目中包括的结构柱、叠合梁板、结构框架梁、楼梯等，利用Revit一次建模可重复、多次使用，同时，预制构件族的文件允许随时编辑。族库建立需要遵循标准化、统一化的原则，但构件参数并不是固定的，为了满足项目施工的具体需求，可以针对结构柱族、叠合梁板族、结构框架梁族、楼梯族等非固定模数。除了以上族库文件，利用Revit还可以创设施工过程中的塔吊、支护、桁架等族文件。

2.3 BIM技术在项目预制构件信息上的应用

BIM技术应用于建筑施工的最大优势，在于它实现了建筑物所有信息的有序整合，便于施工人员快速查询、精准识别，由此保障了项目预制构件信息的完整性，为建筑预制构件集约化生产和精细化管理创造了有利条件[9]。以丁庄新村项目为例，PC构件生产企业无法直接利用该项目前期提供的平面设计图，但可以利用BIM软件将平面设计图转化成三维立体模型，这有利于构件加工过程中核对图纸信息，同时生产出构件样品之后，还可以利用3D模型展开造价估算。当然，对于熟悉平面设计图纸（CAD制图模式）的施工队伍，BIM技术也提供了“向下兼容”的支持，即可以直接导出建筑局部的二维平面图纸（如楼梯剖面图）。

从节能减排、绿色建筑等“生态主题”切入，BIM技术还能兼顾项目预制构件的环保性能，例如丁庄新村项目位于华北地区，气候特征是冬寒夏热，门窗构建尺寸大小对于能量流动影响很大，在这种情况下可以借助Vasari软件来分析建筑室内、室外热环境，通过模拟门窗面积与能耗关系，确定门窗构件的最佳尺寸。

2.4 BIM技术在项目工程量汇总方面的应用

建筑项目的工程量不仅庞大，且数据繁多、节点复杂，如果采取人工计算方式，需要消耗大量的时间和精力，尤其是需要计算分包项工程量时，往往涉及到反复利用的工程基数；
如丁庄新村洋房建筑的钢材工程量计算，涉及到的工程基数包括外墙外边线、中心线、低层建筑面积等，为了避免分包工程量计算纰漏，由专门人员负责记录梁柱的参数及数量，列出专门的工程量计算表，但仍然无法规避误差。而利用BIM技术则大大简化了工程量汇总，系统可以直接导出钢材、预制构件、混凝土方等清单，并且Revit明细表功能可以便捷地实现各种图元对象的统计，允许用于对预制构件的属性信息（如长度、标高、材质等）进行编辑；
更重要的是，BIM模型可以专门针对某一种PC构件进行清单处理，如丁庄新村小高层建筑的预制构件统计表（如表1所示），就是利用BIM模型中的Tekla Structures直接导出的。

表1 “丁庄新村”小高层建筑预制构件统计表

2.5 BIM技术在项目图纸自动生成上的应用

在预制装配式建筑施工过程中，由于PC构件的数量、类型过多，造成项目图纸生成的困难性提高。例如，丁庄新村小高层建筑的预制率为75%，如果采取传统的绘图方式，在细节部分容易出现偏差、误差。借助BIM模型的优势，不仅可以自动生成图纸、提高生产效率，还能够保障图纸精确度、提高施工质量。这得益于Revit三维模型中的图元行为，在BIM建模完成之后，Revit能够自动收集、关联相关项目的图元信息，主要包括模型图元、基准图元、专有图元三种类型。其中，模型图元主要用来展示建筑项目的构件三维图形，如楼板、门窗、梁柱等。基准图元主要提供辅助参照、定义上下文等功能，如给出建筑标高、参照平面。专用图元可以用来描述和示范模型，例如尺寸标注、注释符号等。

需要阐明的一点是，BIM模型自动导出的图纸是允许动态修改的，同时修改之后的三维模型与二维模型仍然可以保持对应关系，这样施工过程中所使用的二维平面设计图，与BIM模型的三维图像不会出现任何误差。

2.6 BIM技术在项目设计失误排除上的应用

“碰撞检查”是BIM技术在预制装配式建筑领域的一个重要应用功能，简单地说，“预制装配”的施工方式就如同搭积木，不同构件之间强调的是无缝衔接，不能出现碰撞的情况。然而，在传统施工过程中，由于设计图不清晰、施工技术不达标、协同性差等问题，极容易在建筑项目局部出现构造节点碰撞，由此不得不返工重建，甚至需要修改原本设计。BIM技术提供的“碰撞检查”功能，通过三维可视化操作，即可观察整个建筑物外观、局部构造节点。在丁庄新村的项目中，利用BIM技术进行碰撞检查时发现若干碰撞点，通过分析发现，碰撞情况之所产生，是因为企业在生产PC构件时在终端保留了大量钢筋，常规操作手段是在现场利用切割设备处理，但借助BIM软件可以直接标注问题所在，包括出现钢筋碰撞的位置、数量等，再把这些数据直接发送给PC构件的生产企业，保障从源头规避，这样一方面避免了“钢筋打架”的问题，同时也不需要现场处理或返厂修改。

2.7 BIM技术在项目4D施工模拟方面的应用

从现实维度出发，几乎所有建筑项目的施工过程都不是“按计划进行”的，施工变更是一种常态，其背后的原因既包括建筑施工工序的复杂性，也包括施工环境、技术、设备、材料等不确定性。基于预制装配式建筑施工而言，BIM技术通过模拟整个施工过程，就可以很好地规避这些问题，例如丁庄新村的小高层建筑施工过程中，先利用BIM技术设计出三维模型，再利用MS project软件编写好网络计划图，通过BIM5D软件进行关联。如此一来，网络计划图中的“时间”维度添加到BIM三维模型中，形成4D施工模拟方案。在施工过程中，施工人员可以像看电影一样，了解不同施工阶段中预制装配式建筑整体、局部的情况，便于施工技术人员提前统筹人员、资源，例如通过模拟吊装过程来检验原定计划的可行性，又如模拟不同施工阶段的防护网、隔离带、支护体系等，提高实际施工时的安全性。

综上所述，BIM技术在预制装配式建筑施工中具有重要应用价值，包括实现施工内容的多维可视化、施工环境的逼真模拟化、建筑要素的统筹协调化等，文章结合“丁庄新村”案例阐述了BIM技术的应用过程，主要应用环节包括预制装配式建筑模型、预制构件信息、项目工程量汇总等，对于同类型的建筑项目具有借鉴价值。整体上，随着我国建筑产业的转型升级，“BIM技术+预制装配式建筑”的创新模式能够提高产业竞争力，同时促进产业链上下游的深度整合，具有重要的现实意义。

猜你喜欢 预制构件装配式图纸 装配式建筑设计中BIM技术的应用建材发展导向(2022年18期)2022-09-22装配式EPC总承包项目管理建材发展导向(2022年10期)2022-07-28基于BIM的装配式建筑预制构件族库管理研究建设监理(2022年4期)2022-07-21混凝土预制构件外观质量提升探讨西部交通科技(2022年2期)2022-04-27装配式建筑EPC总承包管理模式研究建材发展导向(2021年20期)2021-11-20对装配式建筑预制构件施工技术研究建材发展导向(2021年11期)2021-07-28浅谈汽车线束产品图纸管理汽车实用技术(2020年16期)2020-09-06轨顶风道预制构件力学性能加载试验研究铁道建筑技术(2020年11期)2020-05-22看图纸当代工人(2019年20期)2019-12-13关于装配式建筑的几点思考智能城市(2018年7期)2018-07-10

推荐访问:预制 案例分析 建筑施工