基于BIM技術的裝配式建筑智慧管理應用探索

田 龍

(四川川煤第六工程建設有限公司,四川達州635000)

0 引言

裝配式建筑是使用預制部品構件(Prefabricated Component)在施工現場裝配而成的一種建筑形式[1],與傳統混凝土結構相比較,裝配式結構具有提高工業化程度和生產效率,降低能源消耗,減少材料消耗及施工現場污染等優勢。近日以來,國務院在《“十四五“規劃和2035年遠景目標綱要》中強調,要堅決遏制高耗能、高排放項目盲目發展,推動綠色轉型實現積極發展,到2025年,裝配式建筑占新建建筑的比例需達30%以上[2]。建筑領域作為傳統高污染,高耗能領域,在“碳達峰、碳中和”背景下,裝配式建筑結構必將成為綠色發展的重要推動力。

而現階段裝配式建筑存在施工難度較大、專業協同化要求高、施工質量難以保證等問題,為此,以建筑信息模型(Building Information Modeling)為代表的信息技術和傳統裝配式建筑相結合的方式逐漸成為相關領域研究熱點之一。BIM技術是一種使用3D模型對建筑信息及功能進行數字化表達的一種方法,其能為項目各方提供一個可交互的信息管理綜合平臺,以實現不同專業、不同領域、不同環節的數據采集與信息共享,有效的節約施工成本和時間[3]。

國外關于BIM和裝配式的研究起步較早,而近幾年,隨著國家對裝配式的大力支持,國內相關研究也呈逐漸上升趨勢[4]。劉濠及李潔等[5-6]提出可以將二維碼技術以及RFID技術與BIM、裝配式技術相結合,實現構件生產、運輸、安裝的全過程的追蹤與管理;Xinyu H等[7]以工程為例,介紹了如何運用BIM技術進行施工現場組織、碰撞檢測和復雜節點施工;Jiang Yu和劉金典等[8-9]提出了一種基于BIM技術與點云掃描的方法,用來識別PC組件并評估制造及安裝偏差;此外BIM技術還被運用于能源消耗可視化,通過在BIM 3D模型中附加進度信息及能耗信息,構建可視化的能耗模型[10];王巧雯等[11]探索了基于BIM模型的多專業協同設計流程框架;胡佳星等[12]探討了基于Revit+SolidWorks的二次開發模式,搭建了集成技術建模新流程;林申正等[13]將結合造價軟件和BIM導出工程造價信息,利用BP神經網絡進行深度學習,并引入遺傳算法進行優化,建立裝配式建筑成本控制模型;許立強等[14]結合實際工程分析了BIM技術對施工安全管理的適用性和應用情況。

綜上,目前國內研究大量集中于構件設計和將RFID等技術與BIM系統相結合,進行智能化生產設計,而缺乏對高度集成化和全生命周期的管理信息系統的研究與優化。本文結合實際工程,以川煤六局承建的鼎能.國賓天韻項目為例,構筑了融合多方法、集合多系統的智慧管理系統,為其他裝配式建筑成本管控和項目管理提供參考。

1 BIM技術在裝配式建筑管理中的應用

1.1 預制構件管理

裝配式結構中的預制構件主要包括預制梁、預制柱、疊合板、預制墻、預制樓梯、預制管道等。構件不同階段工作關聯如圖1所示。

圖1 預制構件不同階段關聯流程

1.1.1 設計階段

(1)族庫管理。與傳統建筑形式相比,裝配式構件的主要區別為增添了構件設計、預制生產、現場吊裝環節?；贐IM技術的裝配式構件的三維信息設計對構件生產的工業化及標準化起著重要的作用。在BIM模型中,各類構件都被賦予相應的信息,并形成對應的數字化模型,同時經過深化設計后能滿足各專業需求,最終形成相應的構件庫,方便管理人員管理。

(2)鋼筋碰撞檢測。在構件設計生產前期,利用BIM技術對預制構件模型進行鋼筋碰撞檢測,提前調整預制構件中的鋼筋放置位置,避免發生難以解決的現場安裝問題。利用BIM技術對平面的圖紙進行深化的模型搭建,檢查節點處鋼筋的碰撞情況,整理后根據BIM反饋的碰撞位置信息,對鋼筋布置進行適當調整。

(3)管線優化?；贐IM技術的設計能優化復雜管線區域,管線設計應結合各專業需求,利用BIM技術,通過精確的管道碰撞檢測和直觀的3D漫游技術進行合理優化。在保證規范凈高要求下,管線優化能有效降低相應區域層高,節約建設成本。

1.1.2 生產階段

(1)基于BIM技術的自動生產?；贐IM技術建立的生產工藝,可以充分發揮BIM可視化和協同性的優勢。用BIM技術,結合設計院圖紙和工廠生產能力,針對性地對圖紙進行深化設計,精確展示構件的物理信息,以滿足不同專業的設計需求。通過ERP管理系統,將構件幾何尺寸、鋼筋大小位置信息及預埋件等生產相關信息傳遞給生產廠商,實現生產過程的自動化,也能讓管理者對構件信息得到更清晰的、更直觀的認知。

(2)使用3D掃描技術對生產質量進行檢測。通過3D激光掃描裝置對預制構件表面進行掃描,利用降噪算法快速建立掃描結果的數字化模型。然后將建模結果與BIM構件庫中的數據進行比較,設定允許的誤差閾值,并根據對比結果檢查允許的誤差,以實現對預制構件的生產質量的自動判斷。

1.1.3 運輸階段

目前,在預制構件的運輸階段,主要采取RFID技術或二維碼技術來實現構件運輸過程中的全過程追蹤管理?？捎糜谠蟻碓捶治?、構件運輸追蹤、場地堆放管理、質量檢查。

利用RFID或二維碼技術可實現對于構建運輸過程中的全過程追蹤管理,工廠在生產過程中,可將二維碼標簽或應答器粘貼或預埋澆筑于構件中,使用閱讀器及衛星技術,將構件生產運輸全過程錄入管理系統,實現對構件生產來源追溯、運輸動態管理、場地堆放管理、及安裝位置管理[5],提高自動化數據收集和信息管理效率。

1.1.4 安裝階段

(1)運用虛擬動畫指導現場施工。BIM技術可以實現虛擬漫游和虛擬施工動畫,直觀地展示復雜節點施工方式,有效的指導現場人員進行裝配安裝,減小結構發生安裝錯位或碰撞概率,降低施工門檻。

(2)運用3D激光掃描技術對安裝質量進行評估。BIM現場裝配時,往往會出現構件變形,連接不夠牢靠,構件鋼筋發生碰撞無法安裝等問題?；贐IM及3D激光掃描技術,利用全站儀及三維激光掃描儀,對預制底板構件進行三維激光掃描,并根據所獲得的三維數據建立關鍵點的點云模型,將所得的點云模型利用算法重新生成構件模型,并與原位置BIM模型進行對比,獲得構件的安裝誤差,并基于三維激光掃描結果和BIM模型中數據和碰撞結果,實時指導工人進行BIM安裝。安裝完成后,現場人員通過掃描二維碼或電子標簽,將安裝進度同步BIM模型當中,BIM模型可對已完成或未完成的構件部分進行區分處理,方便管理人員實時管理施工進度。

1.2 場地優化

針對項目場地的優化流程如圖2所示。目前,日趨復雜的建設項目,嚴格的施工工期,對項目場地布置和項目安全管理提出了嚴格的要求,施工現場的布置已成為制約項目工期的一大因素。場地優化布置需結合BIM構件庫信息及模型信息,以裝配式建筑施工場地布置為研究對象,在確保滿足規范最小間距要求的前提下,利用模糊篩選和遺傳算法,通過參數化建模模擬構建了裝配式建筑施工場地的BIM模型[15],確定鋼筋加工棚、混凝土攪拌廠等與吊機等臨時設施和場地的最優位置,篩選出最高效、最優的的場地布置方案。

圖2 場地優化流程

1.3 成本控制

(1)鋼筋下料優化?，F場施工時,由于原料鋼筋長度限制,不可避免的會出現廢頭等鋼筋浪費現象。利用BIM技術的鋼筋下料優化通過獲取建筑中普通鋼筋的三維模型,批量獲取鋼筋長度、直徑、數量等信息,依據所獲取的鋼筋信息初步擬定裁切方案,根據初步方案,采用整數線性規劃的方法,優化裁切方案以獲得耗鋼筋量最少的方案及對應的裁切次數和所需鋼筋根數[16],降低施工成本。

(2)基于BIM的成本控制及優化。由于裝配式建筑在我國仍處于起步階段,其存在的物流、裝配進度信息更新不及時,裝配難度較高等問題,嚴重制約了裝配式建筑施工成本控制技術的發展。借助BIM技術的數字化、精確化、具體化的特點,能夠實現對工程費用的準確統計。通過BIM技術導出工程量清單,并將清單導入計價軟件得出工程預算,再將進度計劃與預算關聯,得到進度——成本計劃[17]。同時通過對比實際工程費用,能夠得出有較大偏差的預算項目,并針對具體工程項目采取針對性措施,降低施工成本。

(3)能耗可視化。在建筑工程規模的擴大的同時,也常常伴隨著越來越嚴重的能源浪費問題?；贐IM結構信息,通過附加進度信息和能耗信息,建立基于BIM的裝配式可視化能耗模型,動態展示裝配過程中的能耗情況,幫助企業發現能耗峰值,輔助管理者針對節能減排提供決策,有效降低能源成本。

1.4 進度管理

常見的施工進度掌控方式主要包括流水圖、網狀圖等,而利用BIM技術的施工進度管理通過將傳統進度計劃表與BIM平臺相結合,更為直觀的表示構件安裝進度及施工作業進展,更加精確化、可視化,做到精確施工工期,方便管理者決策。預制構件進度管控通過使用二維碼或RFID技術對構件生產、運輸、安裝全過程進行追蹤,安裝完成后掃電子標簽可實時上傳安裝進度。項目整體進度管控通過BIM平臺與企業EPR管理系統相結合,共享各方設計、施工、審批、任免等安排與進度,能有效實現信息各方共享,項目管理透明,項目施工進度實時更新,項目問題快速上報等,實現智能化、規范化、自動化的管理。

2 案例分析

2.1 項目概況

川煤六局承建的鼎能.國賓天韻項目,總建筑面積約5.6萬m2,項目平均裝配率約為40%,其中住宅建筑地上17層,地下1層,工期約2.5年,主要預制構件包括預制樓板、預制柱、預制樓梯、非砌筑內隔墻(ALC墻板)。其中1-3,5-8#棟2層以上主要采用疊合板設計,4#棟主要采用疊合板和預制柱設計。項目通過綜合運用裝配式技術、BIM技術、智慧平臺管理和智慧運維等技術,實現了生產過程自動化、建造過程綠色化、建造管理規范化。

2.2 項目難點

項目總體面積大,結構復雜,高度約57 m;施工場地狹小,吊裝難度大,吊裝時可能出現較大偏差,影響工期;預制構件生產廠家距現場170 km,運輸距離較遠,同時工期較長,施工管理組織時間跨度大。

由于預制構件重量較大,生產運輸距離較遠,吊裝安裝需要考慮較多因素,同時,需要吊裝的構件體積大、重量大、數量多,吊裝順序影響構件進廠、堆放順序,因此構件需要較為精確的吊裝位置及進度管理。同時若吊裝放線和標高定位不準,則有可能造成鋼筋碰撞等問題。

施工過程中,對應的施工進度、成本、安全、問題反饋等數據量較大,涉及專業較多,管理復雜,各環節之間聯系、傳遞數據較為困難,影響施工效率。

2.3 BIM技術在項目上的運用

2.3.1 基于BIM技術的進度追蹤

利用BIM技術對全樓所有預制構件進行構件深化,轉化為位置布置圖和構件加工圖,根據深化結果,共生成約10 000個構件二維碼信息,每個構件對應唯一的二維碼,用于構件生產質量追蹤、物流管理、安裝進度控制。二維碼編號以項目統一編號,樓棟碼,樓層碼,構件類別,構件流水編號構成,方便清點與安裝(圖3)。

圖3 5#棟6層BIM模型

利用BIM技術的進度追蹤,掃描二維碼可查看構件實時進度,進度信息儲存并反應在進度模型中,可實時查看相關構件進度,例如未生產、運輸中、待吊裝、已安裝等。各方可登錄EPR管理平臺查看相關進度信息,有利于施工方面關于施工進度的結算。

施工人員將施工進度表上傳Navisworks軟件,形成BIM 4D控制模型,利用二維碼技術和管理平臺技術,實時更新安裝進度,以不同顏色代表安裝或未安裝構件,將安裝進度同步于BIM模型中。通過對比進度表,能快速的尋找吊裝低效環節,協助管理者對造成問題的根源做出決策。

2.3.2 構件碰撞檢測。

利用BIM軟件的三維動態功能對三維鋼筋進行模擬動態碰撞檢測。對于復雜節點區域及疊合板底板等易損壞碰撞區域采取鋼筋碰撞檢測,使用檢測-修改-檢測的方法,直至不再發生鋼筋碰撞。對于容易發生管線碰撞的區域,進行管道碰撞檢測,對于管線碰撞處適當升高或降低局部管線標高,替代管線全局標高調整,能有效提升凈高,降低層高,節約施工成本。

2.3.3 成本管理

施工成本預測,施工費用可分為直接費用與間接費用,直接費用包括工程費、人工費、材料費、機械費等,可將工程清單上傳至計價軟件,再對比市場單價可得;間接費用采用作業成本法,通過建立間接成本歸集庫歸集間接成本。

將歸集結果與進度計劃表、模型預算等一并導入系統并進行關聯,歸集得到預計的直接成本與間接成本,將歸集結果與實際數據利用掙值法進行偏差分析。設置可接受閥值為5%,進行成本偏差分析及預測。

例如,該項目5#樓的預制疊合板混凝土工程量為149.92 m2,按照單價預估其預算為46萬元,人工成本約4.2萬元。在實際工程中,通過BIM 5D軟件發現,該工程實際工程量約為170.8 m2,實際總成本約為55萬元,通過細致的對比發現,直接費用中的人工費和機械費與計劃相比,提高了約8 000元,而材料費與計劃相比,提高約3.3萬元。通過查看BIM相關記錄可知,主要原因包括由于工人不熟悉吊裝流程、運輸過程預制構件破損、吊裝安裝過程發生碰撞導致板面開裂,部分管理員管理不善,進度延期等問題。項目針對該問題及時培訓施工人員,加強運輸管理,有效降低了后續損失,節省工期。

同時,針對項目鋼筋裁切浪費的情況,通過BIM信息模型獲取鋼筋全部規格及數量,根據現有的鋼筋規格及數量,初步擬訂裁切方案并利用整數規劃和篩選,得出較優的鋼筋裁切方案。

2.3.4 項目管理

項目管理主要包括人員和施工進度管理、項目場地管理、項目綠色管理、工程質量管理。采用如圖4所示的BIM項目管理平臺,各參與方可于平臺獲取構件尺寸、位置、安裝時間等信息,同時也可于平臺處獲取施工人員出勤打卡情況。

圖4 項目管理系統

2.3.4.1 人員和施工進度管理

通過將施工進度信息與計劃進度信息進行對比比較,進行偏差分析。將Revit模型與構件吊裝時間參數整合到Navisworks 4D進度管理信息中,通過對比模型中的構件安裝進度計劃與實際工程的安裝,管理人員和施工人員可以較為輕易的了解項目進度滯后原因,精確定位施工滯后區域,并針對性的對項目問題做出決策。例如,在1#樓1號區域的施工安裝過程中,項目進度明顯落后于實際進度,通過查閱BIM日志記錄及對比進度表發現,為最初工人不熟悉吊裝流程及生產商供應物流不及時所致。通過BIM技術提醒,管理者及時發現問題并增加培訓,敦促廠商及時提高產能。

2.3.4.2 項目場地管理

根據相關場地限制及有關部門要求,項目施工過程中設2個主要出入口,項目內設置內部通行道路,道路均經硬化處理以滿足通行要求,項目內設鋼筋加工棚、混凝土攪拌處、木工處、預制構件堆場、鋼筋堆場、板房等。由于場地長度限制及各加工處之間安全距離限制,為配合高層和裝配式的預制構件吊裝要求,除4#外每棟樓均配置1臺塔吊,項目共設置兩處鋼筋加工棚。利用BIM技術對施工現場進行模擬,確保構件堆放、材料加工、內部道路、生活區域均有足夠的空間,不會相互干擾。同時運用遺傳算法,優化項目內各加工、堆放處的位置排布,確保高效、有序的施工

2.3.4.3 項目綠色管理

項目將各個構件的耗能情況與構件吊裝時間信息附加在BIM模型中,建立4D模型,再附加清單建立人、機械、材料的耗能信息,通過將能耗模型可視化,方便管理者快速查閱施工全過程的能源消耗情況,方便管理者針對節能減排做出調整。

2.3.4.4 項目工程質量管理

利用BIM技術將工程信息轉化為數字信息進行儲存,可以有效提高項目管理效率,同時提高構件生產精細化程度。廠家生產完成后經檢查,將實際生產的預制構件信息上傳至BIM,并張貼構件全過程二維碼,通過將過程中全部信息數字化存儲,可將質量生產過程中各種問題,將責任可追溯化和終身化,便于質量責任的認定。

3 結束語

裝配式建筑作為一種高效節能的建筑形式,在我國倡導節能減耗的背景下,將逐漸成為建筑行業未來發展趨勢之一;BIM作為廣泛運用于建筑全生命周期的數字化手段,其與裝配式的結合能實現優勢互補,具有廣闊的運用前景和經濟效應。本文從運用BIM技術進行智慧管理角度出發,分析了有關BIM技術在裝配式結構上的運用,并結合實際工程,得出結論:

(1)BIM能彌補傳統裝配式的結構的專業協同化高、數字化、可視程度低等缺點,降低施工門檻,具有廣闊的運用前景和經濟效應。

(2)結合鼎能。國賓天韻項目,對 BIM設計整體流程、使用范圍進行分析,并針對BIM協同管理平臺的進度追蹤、碰撞檢測等功能進行運用研究,為其他裝配式建筑的設計提供參考。

(3)鼎能。國賓天韻項目所采用的BIM智慧管理系統綜合了構件深化設計、施工進度管理、項目成本管理、項目人員管理、綠色低碳管理等模塊,極大的節省了人力,方便施工管理,具有較好的經濟效益。