BIM技術在裝配式建筑施工階段的應用研究
——以菏澤市某商住項目為例

高明杰 （鄆城縣環境衛生服務中心，山東 菏澤 274000）

0 引言

傳統的建筑產業具有高能耗、長周期、低效率、粗放發展以及高勞動力消耗等缺點，已遠不能滿足目前國家對環境目標的要求[1]。與此同時，在人口日趨老齡化的中國，可利用的建筑勞動力日益減少，勞動力成本不斷攀升，發展智能化建造、裝配化建筑、集成化制造成為未來的主流趨勢，這也是傳統建筑業迭代升級、建筑工業化的必然要求[2]。裝配式建筑將建筑物拆解為不同部分，按照標準化的生產方式進行預制造，將成品運輸到現場后采用拼裝的方式將各個構件形成建筑整體，因此具有現場安裝快速、施工簡單、對人員素質要求較低等優點，使得裝配式建筑的比例日益提升。建筑信息化是推動預制裝配式建筑走向工業化的有效手段，BIM 技術作為建筑信息化、智能化的實現方式，與裝配式建筑結合將極大地推動建筑智能建造的創新與實踐[3]。

1 工程概況

菏澤市某裝配式商住樓項目一期位于城市主干道北側，交通便利，為菏澤市年度重點民生工程之一?？偨ㄖ娣e為52081.92m2，其中地上面積36120.67m2，地下面積15961.25m2。項目主要功能用途為商業住宅、建筑主要為2 棟15 層民用住宅樓、2 棟28 層民用住宅樓，1 棟小區大門、1 棟商業用樓，均采用裝配式建筑施工，裝配率不小于65%，建筑結構的工程參數具體如表1所示。

8#樓結構形式采用天然地基+筏板基礎，筏板厚700mm，結構形式為剪力墻。9#樓結構形式采用干作業鉆孔嵌巖灌注樁+筏板基礎，筏板厚850mm，結構形式為剪力墻。10#樓結構形式采用干作業鉆孔嵌巖灌注樁+筏板基礎，筏板厚1150mm，結構形式為剪力墻。11#樓結構形式采用干作業鉆孔嵌巖灌注樁+筏板基礎，筏板厚1150mm，結構形式為剪力墻。G2#樓（大門）、G3#樓（商業）與地下車庫均為獨立基礎+抗水板基礎，結構形式為框架結構。施工內容包含施工圖紙范圍內的土建、安裝工程（管線以出外墻1.5m 為界限）總承包施工（入戶門、單元門、防火門、電梯、電梯前室精裝修、智能化、消防、專業壟斷及市政管網工程等除外），合同工期720天。

2 BIM技術在裝配式建筑施工階段的應用

2.1 裝配式建筑BIM施工模型的建立

由于裝配式建筑的生產、安裝以及運維均發生在不同的時空條件下，各個階段的工作復雜且精細，構件設計、制造和運輸、安裝和維護的精細化全生命周期的管理均是在BIM 三維模型的基礎上展開的，這有效地避免了信息流、物流和現金流在裝配式建筑結構施工階段的碎片化管理，創建基于BIM 技術的建筑工程信息模型，對于施工階段的成本管理、進度管理和質量管理均可起到明顯的效益[4]。裝配式建筑按照一定的規則，比如梁、板、柱或墻面等，將建筑進行拆解，實現了構件在工程工業化以及流水化生產，BIM 技術通過建立虛擬三維數值模型，實現了建筑物建造的信息化，兩者的結合將有力地推動建筑工業的轉型升級，也有利于對裝配式建筑全生命周期穿透式管理。因此，建立BIM 三維模型是本研究的重點工作內容。

在本研究中采用通用建筑BIM 模型程序REVIT 軟件，對建筑項目的各個實體進行模型創建，并有機整合形成三維建筑BIM 模型[5]，如圖1所示。對于裝配式建筑施工階段而言，更為重要的是關注施工工序對整個裝配進程的影響。為了更好地對裝配式建筑施工階段的進度進行管理，需要在三維建筑結構BIM模型的基礎上集成施工工序時間信息，以形成建筑結構施工過程的四維可視化模型。因此，在將建筑結構三維模型結合施工進度計劃前，需要對建筑建構的基本信息進行構建。建筑模型的施工任務采用PROJECT 2020 軟件進行創建，針對每一項施工任務進行詳細的劃分，并設定了開始和結束時間，形成足夠精度的施工進度計劃文件，并以“*.MPP”（*代表文件名）的格式存儲。建筑結構的四維可視化施工模擬就是將建筑三維BIM 模型與施工進度計劃通過BIM 軟件開放接口的形式進行整合和關聯，形成一個有機的四維可視化虛擬模型。由于建筑三維BIM 模型中包含了的實體空間幾何信息和物理屬性，比如門窗、樓梯、樓板和墻體的材質、長度、寬度和高度等，而模型施工進度文件中的時間信息能夠有效地反映實體建筑的施工次序，因此四維可視化模型在BIM 模型環境中有良好的演示和動畫功能[6]。

圖1 菏澤市某裝配式商住樓項目典型樓棟的三維BIM模型

2.2 基于BIM模型的裝配式建筑構件工業化制造

與傳統的現澆法建筑施工模式不同，預制裝配式混凝土建筑施工是應用工業化產品的生產方式，在工廠將建筑結構分成柱體、梁體、墻體、樓梯、陽臺等構件進行預制，隨后運輸至現場按照設計圖紙進行吊裝拼接，連接方式有套筒灌漿連接、現澆連接等方式，達到“等同現澆”的效果，以形成整體的建筑結構[7]。因此，裝配式建筑的施工不僅包括現場的裝配，還包括前端建筑結構構件的工業化生產。

構件的生產是居于裝配式建筑設計與施工的中間環節，構件信息的精準輸入和輸出顯得尤為重要。然而，裝配式建筑的構件結構形式多樣、尺寸多變，因此對生產制造過程中構件的信息管理顯得尤為重要?；贐IM 技術，可以輔助實現構件的定位和追蹤，其主要方法是在生產制造階段為每個生產構件賦予一個ID（RFID 標簽），每個ID 中具有唯一性，其包含了構件的材料屬性、構件尺寸、生產日期、生產質量、生產工程等個各種信息，在構建的制造、倉儲、運輸、吊裝和安裝過程中產生的施工信息均根據ID 進行定位和追蹤，以保證裝配式建筑構件生產和建造過程的無缺陷和按需生產。建筑裝配式構件ID 是建筑信息化集約化管理有力體現，它直接將虛擬的BIM 數字模型與實際的構件實體相互聯系，完成了從傳統粗放式生產向精細化生產的轉變，保證了信息在裝配式建筑全生命周期中的流動。

在裝配式生產制造車間，采用工業化流水線的生產模式，可以實現構建短周期的批量生產，生產的裝配式構件包括預制樓板、預制墻體、預制樓梯、預制陽臺、預制飄窗等，如圖2 所示。這些預制建筑構建可以通過BIM 技術的參數化功能實現尺寸的改變，而裝配式構件的生產模具和設備可以根據參數化模數進行定制，并重復使用，大大提高裝配式預制構建的工業化程度。相對于現場澆筑而言，在構件標準化生產車間（如圖3所示）制造的裝配式建筑構件具有更高的制造質量和制造精度。

圖2 裝配式建筑構件生產產品

圖3 裝配式建筑構件標準化生產制造車間

2.3 基于BIM模型的裝配式建筑構件信息化裝配

裝配式建筑的建造方式屬于“搭積木式”的施工，它通過將預制廠生產完成的構件運輸至現場，按照一定的拼接方式將構件之間連接拼裝，BIM 技術可以構建三維數字模型，結合GIS 地理信息系統對施工場地的設備機械、生產車間以及生產流程等施工場地進行布置，并與時間軸相結合，實現施工模擬的4D生產，并可直觀地提供動畫施工交底，完成裝配式建筑的數字化生產，達到提供施工管理效率、提高工程建造質量、節約工程造價、縮短建筑工期的目的。

在本研究項目的施工階段，基于BIM 模型可以對裝配式建筑的安裝模擬、工程量統計、設備和材料進場時間安排以及勞動力的分布進行配置。BIM 技術在數字化建造上的優越性能，打造BIM 綜合信息管理平臺，能夠良好地協同施工階段多專業、多技術的管理，對施工過程中的海量多源異構數據進行集成，指導現場的裝配、安裝、驗收等，如圖4 所示。依托BIM 技術的信息化以及裝配式構件施工的工業化，可以實現安裝全流程的高度機械化，大大降低了施工的人力成本，同時也可以實現施工階段裝配式建筑建造的可視化和精細化水平，達到“模實一致”的生產效果，可為智慧城市的建設提供數字化建造示范。

圖4 基于BIM平臺的裝配式建筑標準構件吊裝施工

3 基于BIM技術的裝配式建筑施工控制效果分析

基于BIM 平臺技術在施工階段對裝配式建筑施工成本費用進行數據采集和監測，得到裝配式建筑施工成本費用節省效果曲線如圖5 所示。從圖中可以看出，基于BIM 技術對裝配化建筑的裝配率控制能夠起到良好的效果，節省的費用最大，達到240萬元；而基于BIM 技術的可視化功能，對外墻的里面施工和外墻施工工藝優化方面的節省費用次之，節省費用均為80 萬元；而對配電間施工的節省費用最小，為15 萬元。由此可以看出，BIM 技術在裝配化建筑施工階段能夠有效地體現價值工程，在BIM模型數字技術的指導下，實現了裝配式建筑施工的工藝對比、方案比選、裝配率控制等，降低了生產成本，實現了項目綜合效益的最大化。

圖5 基于BIM技術可視化施工模型的成本節省分析

基于BIM 平臺技術在施工階段對裝配式建筑施工進度進行數據采集和監測，得到裝配式建筑施工進度計劃分析結果如圖6 所示。圖中A 線為最早開工時間曲線，B 線為最晚開工時間曲線，C線為基于BIM 技術四維可視化施工模擬的進度計劃控制曲線，項目的總工期為720d。從圖中可以看出，C 線整體上呈現標準的“S 形”，初期施工進度速率較慢，中期施工進度速率迅速，而后期則處于收尾階段，施工進度速率總體放緩。在380d之內，項目的計劃完成工作量均位于A 線和B 線之間，表明實際的工期進度能夠滿足計劃的工期進度要求，而在380～720d，C 線位于B 線之外，表明累計的完成工作量大于計劃的完成工作量，施工進度超前?；贐IM 技術四維可視化施工模型的進度計劃可以有效地提高項目的周期，為實際的工程施工提供充裕的工期保障。

圖6 基于BIM技術可視化施工模型的進度計劃分析

4 結論

以菏澤市某裝配式商住樓項目一期為研究對象，采用REVIT 軟件建立裝配式建筑結構三維BIM 模型，運用PROJECT 2020 軟件創建施工進度文件，通過BIM 軟件開放接口將兩者進行集成，用于實現裝配式建筑生產的工業化以及裝配式的信息化，得到以下幾個結論。

①BIM 技術融合了計算機技術與空間虛擬圖形圖像技術，可以實現建造過程的直觀形象展示，多源數據的采集與集成，實現數據信息的交互探討性和信息動態性，并與圖形、符號、視頻和三維虛擬模型的載體形式進行表達，大大提升了現代建筑施工過程的信息化和智能化。

②基于BIM 模型對每個裝配式構件賦予ID，實現構件的定位與追蹤，依托BIM 技術的信息化以及裝配式構件施工的工業化，可以實現安裝全流程的高度機械化。

③結合項目，基于BIM 技術對施工階段的管控效果分析表明，基于BIM 技術對裝配化建筑的裝配率控制能夠起到良好效果，節省的費用最大，達到240 萬元。在380d之內，項目實際的工期進度能夠滿足計劃的工期進度要求，而在380～720d，施工進度超前?；贐IM 技術四維可視化施工模型的進度計劃可以有效地提高項目的周期，為實際的工程施工提供充裕的工期保障。