BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用
——以中科大廈為例

劉鵬坤 齊宏拓 滕 越 馬玉錳 劉界鵬

(1.重慶大學鋼結(jié)構(gòu)研究中心，重慶 400045；2.重慶中科大業(yè)建筑科技有限公司，重慶 400045)

1 工程概況

中科大廈是中科大業(yè)建筑科技有限公司EPC總承包建設(shè)的裝配式建筑試點項目，位于重慶市涪陵區(qū)西部新城區(qū)太白大道，為一類高層公共建筑，包含辦公、商業(yè)、酒店式公寓等功能，其總建筑面積約3.8萬㎡，建筑高度99.75m。

1.1 技術(shù)應(yīng)用介紹

中科大廈是采用EPC模式建造的裝配式重點示范項目，其復(fù)雜性、獨特性、創(chuàng)新性為項目的整體管控帶來了巨大的挑戰(zhàn)，BIM技術(shù)的成功的運用為項目的順利實施創(chuàng)造了條件。整體預(yù)制率達 51%，裝配率達61%。采用鋼管約束混凝土組合結(jié)構(gòu)體系，比同等條件的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)重量更輕、連接更方便，而且具有更高的承載能力及抗震性能。項目采用EPC總承包模式，運用了系列新型建材及預(yù)制部品部件，如高拋不離析微膨脹混凝土、裝配式同層排水衛(wèi)生間、后復(fù)合三明治外墻板、輕質(zhì)灌漿內(nèi)墻板等 10余項新技術(shù)、新產(chǎn)品。在本項目建設(shè)過程中，BIM技術(shù)的運用覆蓋設(shè)計階段、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段、施工階段。

圖1 中科大廈外立面效果

在項目管理方面，創(chuàng)新項目管理方式，采用數(shù)字信息化管理，通過BIM管控平臺，運用BIM、3D測量儀等先進技術(shù)和儀器，實現(xiàn)項目精細化管理。同時，由臺灣潤泰對項目管理提供全過程指導(dǎo)，確保實現(xiàn)新工法新工藝的落地[1]。

2 設(shè)計階段BIM 應(yīng)用

2.1 外墻板的參數(shù)化設(shè)計

中科大廈前期方案構(gòu)思中，項目區(qū)位邑枕長江烏江兩江，設(shè)計靈感源于浩瀚江水，外墻板采用預(yù)制清水混凝土，考慮到外立面設(shè)計為扭曲的線條來模擬動態(tài)的水面效果（如圖1所示），其異型的立面效果給傳統(tǒng)設(shè)計模式帶來了諸多不變，立面的更改會增加很多工作量，方案設(shè)計及優(yōu)化的效率低下。因此，在方案設(shè)計階段引入了的參數(shù)化設(shè)計，基于 Rhino和Grasshopper參數(shù)化設(shè)計軟件，對建筑外形進行整體蒙皮化分割，并通過編寫參數(shù)化程序構(gòu)建幾何間聯(lián)動的邏輯關(guān)系，從而更加易于控制各形體之間的關(guān)聯(lián)，以實現(xiàn)前期方案的快速修改與變動，最終高效地完成了建筑立面的構(gòu)建與設(shè)計。

圖2 外墻板造型歸類

2.2 預(yù)制部品部件及加工

中科大廈建設(shè)過程大量采用了新型預(yù)制部品部件生產(chǎn)技術(shù)，包括新型擠壓成型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板、新型預(yù)制夾芯保溫外掛墻板、輕型裝配式樓梯及裝配式同層排水衛(wèi)生間。預(yù)制構(gòu)件由工廠生產(chǎn)加工完成，大量減少現(xiàn)場現(xiàn)澆作業(yè)，減少工地材料堆放及建筑廢料的產(chǎn)生，符合節(jié)能環(huán)保的要求；外觀質(zhì)量優(yōu)良，避免防火施工，減少腳手架搭設(shè)，整體工期速度加快，有利于節(jié)約成本；預(yù)制構(gòu)件的安裝采用裝配式工法，大大減少現(xiàn)場用工量。

圖3 外墻板定位

圖4 外掛墻板創(chuàng)建

圖5 預(yù)制部品部件

在目前工業(yè)化建筑或者裝配式建筑中，預(yù)制構(gòu)件一般是根據(jù)設(shè)計單位提供的預(yù)制構(gòu)件加工圖進行生產(chǎn)，這類加工圖還是傳統(tǒng)的平立剖加大樣詳圖的二維圖紙，信息化程度低。BIM技術(shù)相關(guān)軟件中，通過“族”的概念，對構(gòu)件進行劃分，結(jié)合構(gòu)件生產(chǎn)廠家生產(chǎn)工藝，建立模塊化預(yù)制構(gòu)件庫，在不同建筑項目設(shè)計過程中，只需從構(gòu)件庫中提取各類構(gòu)件，再進行組裝，即可建立最終整體建筑模型。構(gòu)件庫的構(gòu)件種類也可以在其他項目的設(shè)計過程中進行應(yīng)用，并且不斷擴充，不斷完善。

2.3 各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計

BIM技術(shù)的協(xié)同作用不僅體現(xiàn)在中科大廈的初步設(shè)計階段，在各專業(yè)深化設(shè)計階段同樣采用了BIM技術(shù)進行協(xié)同指導(dǎo)。

（1）預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計

項目中采用了預(yù)制外墻板、預(yù)制衛(wèi)生間、預(yù)制樓梯及預(yù)應(yīng)力疊合板等裝配構(gòu)件，其中預(yù)制外墻板構(gòu)造復(fù)雜、類型多、生產(chǎn)難度大，成為重點把控對象。采用BIM模型對預(yù)埋件與鋼筋、預(yù)埋件之間進行碰撞核查，優(yōu)化調(diào)整。

圖6 外墻板預(yù)埋件與鋼筋碰撞核查及調(diào)整

（2）機電深化設(shè)計階段

中科大廈項目為功能綜合型項目，具有機電專業(yè)系統(tǒng)多，樓層層高低，管線復(fù)雜的特點，管線綜合排布具有一定的難度。該項目管線綜合排布遵循大管讓小管、壓力管避讓重力自流管、金屬管避讓非金屬管、工程量小避讓工程量大等原則，滿足設(shè)計規(guī)范及功能需求，同時保證美觀[2]。

圖7 機電管線綜合

（3）鋼結(jié)構(gòu)深化階段

采用Tekla搭建BIM模型，在模型中核查構(gòu)件尺寸、定位及連接節(jié)點，同時導(dǎo)入其他專業(yè)模型進行碰撞核查，比如導(dǎo)入預(yù)制外墻板模型，核查外墻板與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點布置的合理性、施工可行性，最終生成二維加工圖紙及材料單，保證了圖紙及數(shù)據(jù)的準確性[3-4]。

3 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段BIM應(yīng)用

對預(yù)制工廠而言，BIM技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩方面：一是構(gòu)件廠的建設(shè)和管理運營，二是預(yù)制構(gòu)件的全生命周期管理[5]。

3.1 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)指導(dǎo)

在構(gòu)件生產(chǎn)準備階段，采用BIM進行生產(chǎn)模擬、三維交底，分析生產(chǎn)過程中的難點，編制專項方案，同時提高現(xiàn)場人員對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工序的了解，有利于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量把控。

在構(gòu)件生產(chǎn)階段，利用BIM的精細化模型指導(dǎo)生產(chǎn)全過程。技術(shù)工人使用BIM模型可以非常直觀地看到構(gòu)件的形狀、造型和預(yù)埋件的位置等；利用BIM管控平臺，輔以RFID和二維碼等信息采集系統(tǒng)，可以隨時監(jiān)控構(gòu)件在生產(chǎn)中的狀態(tài)和控制生產(chǎn)質(zhì)量。

3.2 成品三維檢測

構(gòu)件養(yǎng)護至脫模后，為提高構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量，保證合格率，同時杜絕施工現(xiàn)場二次處理情況發(fā)生，生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件均采用三維掃描檢測技術(shù)進行驗收，合格后方可運輸至項目現(xiàn)場。基于RFID信息采集系統(tǒng)和三維掃描技術(shù)對構(gòu)件進行核查比對，比人工核查精度更高、速度更快。核查完成后，仍然通過管控平臺可以及時監(jiān)控構(gòu)件在繼續(xù)養(yǎng)護、堆場存放的狀態(tài)，直至運輸出廠至工地。

圖8 外墻板三維掃描點云核查

4 施工安裝階段BIM 應(yīng)用

中科大廈項目BIM全過程管理，施工階段的運用尤為重要，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

4.1 施工場地管理的BIM應(yīng)用

運用BIM技術(shù)能夠?qū)⑹┕鰞?nèi)的平面元素立體直觀化，更直觀地進行各階段場地的布置策劃，綜合考慮各階段的場地轉(zhuǎn)換，對施工中機械位置、物料擺放進行合理規(guī)劃，并結(jié)合綠色施工中節(jié)能、節(jié)地的理念優(yōu)化場地，避免重復(fù)布置。

（1）場地模型建立

根據(jù)標高方格網(wǎng)導(dǎo)入地形，提前策劃整個現(xiàn)場的道路標高系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、塔吊、施工升降機等其他臨建設(shè)施的布置位置。

圖9 中科大廈施工場地布置

（2）企業(yè)標準族庫的建立

為了實現(xiàn)裝配式建筑統(tǒng)一、標準的要求，場內(nèi)臨建設(shè)施建立標準化族庫，提高場地布置效率，同時為后續(xù)的項目提供標準模板。

圖10 施工臨建設(shè)施標準化族庫

4.2 土建施工過程管控的BIM運用

針對裝配構(gòu)件節(jié)點處理復(fù)雜、吊裝難度大、安裝精度高的特點，施工前采用BIM模型進行模擬，對施工的難點、重點進行虛擬演示、動態(tài)仿真，編制多種施工計劃和工藝方案，進行擇優(yōu)選取。同時運用 BIM技術(shù)確定施工人員在作業(yè)時的空間位置、工序、工法，提前發(fā)現(xiàn)危險源，采取措施降低施工風險，保證施工人員的安全。

（1）BIM模型施工模擬

a）預(yù)制外墻板吊裝模擬

圖11 外墻板吊裝模擬

b）預(yù)制樓梯吊裝模擬

圖13 預(yù)制樓梯吊裝模擬

（2）碰撞檢查和節(jié)點優(yōu)化

a）鋼結(jié)構(gòu)與外墻板的節(jié)點核查。施工前，利用Tekla模型與外墻板模型的結(jié)合，核查連接節(jié)點的合理性，既滿足結(jié)構(gòu)受力及承載力要求，又方便施工安裝，按此原則對鋼結(jié)構(gòu)埋件或外墻板埋件進行合理優(yōu)化，包括埋件定位、連接形式、固定措施等，保證施工安裝順利進行。

圖14 外墻板鐵件核查及優(yōu)化

b）混凝土結(jié)構(gòu)與外墻板的節(jié)點核查。中科大廈負一層至一層為混凝土結(jié)構(gòu)，外掛墻板固定埋件采取現(xiàn)場預(yù)埋，為保證大廈外立面整體效果，外墻板安裝精度控制在±15mm，對現(xiàn)場預(yù)埋工作提出非常大的挑戰(zhàn)。預(yù)埋前，采用BIM進行模擬安裝及節(jié)點核查，分析預(yù)埋工作的重點、難點，針對性編制專項方案，確保現(xiàn)場施工精度。

圖15 混凝土結(jié)構(gòu)與外墻板的節(jié)點核查

c）預(yù)埋件與鋼筋的碰撞核查。混凝土結(jié)構(gòu)埋件預(yù)埋過程中，除了嚴格控制埋件定位、標高之外，與結(jié)構(gòu)鋼筋的碰撞核查同樣重要。提前采用BIM模型進行核查，發(fā)現(xiàn)碰撞及時反饋設(shè)計優(yōu)化處理，杜絕現(xiàn)場鋼筋截斷、局部彎曲現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)安全。

圖16 鋼筋、預(yù)埋件碰撞核查

（3）現(xiàn)場施工交底

該項目施工過程中，針對分部分項工程的重點、難點工序，定期組織BIM施工交底，讓施工管理人員參與到BIM管理當中，從認識BIM、學習BIM到運用BIM進行管理，打造成為信息化施工管理團隊。

4.3 機電安裝的BIM運用

（1）機電管線碰撞檢查

應(yīng)用BIM模型輔助圖紙會審，通過Revit模型導(dǎo)入 Navisworks中對機電管線進行碰撞檢查，共核查機電與土建碰撞126項，機電各類管線碰撞208處，并反饋設(shè)計修改。

圖17 機電管線的碰撞核查

（2）施工指導(dǎo)

利用BIM模型進行剖切、細化，標注尺寸、間距、標高等信息指導(dǎo)施工，通過Navisworks保存視點功能，對建筑功能區(qū)域進行區(qū)分，分樓層、分區(qū)域進行視點保存，導(dǎo)出圖片，用于施工現(xiàn)場的施工指導(dǎo)。

圖18 模型與實際施工對照

4.4 三維檢測技術(shù)在施工中的應(yīng)用

三維檢測是一種產(chǎn)品三維尺寸的測量技術(shù)，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。此技術(shù)能夠?qū)嵨锏牧Ⅲw信息轉(zhuǎn)換為計算機能直接處理的數(shù)字信號，與原始模型進行比對分析，便于對產(chǎn)品進行精度檢測及改良[6]。

中科大廈項目施工過程中，采用三維掃描儀分階段進行檢測驗收，生成的點云數(shù)據(jù)通過Sense軟件進行處理，再導(dǎo)入Navisworks中與Revit模型進行比對以核查施工誤差，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)施工、預(yù)埋件定位、預(yù)留洞口位置等有偏差時，多方共同商議解決，為后續(xù)的施工安裝提供保障。

圖19 檢查報告

5 總結(jié)

中科大廈項目采用EPC總承包模式，并將BIM作為工程項目管理的主要技術(shù)手段，保證了項目的成功實施，提高了工程建設(shè)質(zhì)量和項目綜合管理水平。

（1）設(shè)計階段

a）外墻板的參數(shù)化設(shè)計

利用參數(shù)化設(shè)計快速實現(xiàn)前期方案的快速修改與變動，最終高效地完成了建筑立面的構(gòu)建與設(shè)計。

b）各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計

由各個專業(yè)間的數(shù)據(jù)共享和互通，在設(shè)計過程中能夠進行各個專業(yè)間的有效協(xié)調(diào)，避免了各個專業(yè)間的沖突。

（2）預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段

a）預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)指導(dǎo)

進行生產(chǎn)模擬、三維交底，分析生產(chǎn)過程中的難點，編制專項方案，同時提高現(xiàn)場人員對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工序的了解，有利于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量把控。

b）成品三維檢測

構(gòu)件養(yǎng)護至脫模后，為提高構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量，保證合格率，同時杜絕施工現(xiàn)場二次處理情況發(fā)生，生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件均采用三維掃描檢測技術(shù)進行驗收，合格后方可運輸至項目現(xiàn)場。基于RFID和三維掃描對構(gòu)件進行核查比對，比人工核查精度更高、速度更快。

（3）施工安裝階段

a）施工場地管理

運用BIM技術(shù)能夠?qū)⑹┕鰞?nèi)的平面元素立體直觀化，更直觀地進行各階段場地的布置策劃，綜合考慮各階段的場地轉(zhuǎn)換，對施工中機械位置、物料擺放進行合理規(guī)劃，并結(jié)合綠色施工中節(jié)能、節(jié)地的理念優(yōu)化場地，避免重復(fù)布置。

b）土建施工過程管控

針對裝配構(gòu)件節(jié)點處理復(fù)雜、吊裝難度大、安裝精度高的特點，在施工前采用BIM模型進行模擬，對施工的難點、重點進行虛擬演示、動態(tài)仿真，編制多種施工計劃和工藝方案，進行擇優(yōu)選取。同時確定施工人員在作業(yè)時的空間位置、工序、工法，提前發(fā)現(xiàn)危險源，采取措施降低施工風險，保證施工人員的安全。

c）三維檢測技術(shù)

采用三維掃描儀分階段進行檢測驗收，生成的點云數(shù)據(jù)與Revit模型進行比對以核查施工誤差，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)施工、預(yù)埋件定位、預(yù)留洞口位置等有偏差時，多方共同商議解決，為后續(xù)的施工安裝提供保障。

本項目在設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)和施工安裝階段的BIM應(yīng)用拓展了 BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用范圍，為裝配式建筑與BIM的深入融合提供了技術(shù)支撐。