基于BIM技術(shù)的裝配式混凝土建筑成本控制研究

朱敏 張哨軍 孫靜 李子昌

摘要：目前，我國的裝配式混凝土建筑比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的成本要高，成為阻礙裝配式混凝土建筑發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。BIM技術(shù)的應(yīng)用對于降低裝配式混凝土建筑成本具有重要意義。本文通過分析裝配式混凝土建筑成本過高的原因，提出利用BIM技術(shù)在裝配式混凝土建筑的深化設(shè)計階段、構(gòu)件生產(chǎn)階段、構(gòu)件運輸階段、施工階段實施全過程的成本控制，可有效的提高建筑質(zhì)量和降低成本，助推我國裝配式混凝土建筑的蓬勃發(fā)展。

Abstract： At present， China's fabricated concrete construction costs are higher than cast-in-place structures， which has become one of the key factors hindering the development of fabricated concrete buildings. The application of BIM technology is of great significance for reducing the cost of prefabricated concrete construction. In this paper， by analyzing the reasons for the high cost of fabricated concrete buildings， it is proposed to use BIM technology to implement cost control in the deepening design stage， component production stage， component transportation stage and construction stage of prefabricated concrete buildings， which can effectively improve the construction quality. And to reduce costs， committed to the flourishing development of China's prefabricated concrete buildings.

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);裝配式建筑;成本控制

Key words： BIM technology;prefabricated building;cost control

中圖分類號：TU17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0268-03

0 ?引言

2017年3月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部根據(jù)《“十三五”裝配式建筑行動方案》，制定從2018年至2020年裝配式混凝土建筑占新建筑物的比例要達(dá)到15%以上的工作要求。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，裝配式混凝土建筑省去了復(fù)雜的建筑工序，不僅可以縮短工期，而且更加綠色環(huán)保。

我國的裝配式混凝土建筑發(fā)展還在起步階段，裝配式混凝土建筑成本比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的成本要高，通過計算傳統(tǒng)現(xiàn)澆式和預(yù)制裝配式的施工成本差異，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計生產(chǎn)成本和建筑安裝成本是裝配式混凝土建筑成本偏高的主導(dǎo)因素。BIM技術(shù)作為建筑工程項目管理的信息化手段，將其運用到裝配式混凝土建筑的各個階段，可以提高裝配式混凝土建筑協(xié)調(diào)設(shè)計效率、優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)流程、模擬施工流程，為我國裝配式混凝土建筑在降低成本方面取得關(guān)鍵性突破。

1 ?裝配式建筑成本過高原因分析

傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)成本由直接費、間接費、利潤、規(guī)費、稅金組成，其中直接費在傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中占有較大比例，是成本支出的重要組成部分。預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)的成本構(gòu)成不僅僅包括現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)直接費中的人工費、材料費、機(jī)械費和措施費，還包括預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、運輸和安裝成本，這些過程成本對裝配式混凝土建筑成本起決定性作用。

目前，我國裝配式混凝土建筑成本高于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的原因主要體現(xiàn)在三個方面：

1.1 預(yù)制構(gòu)件拆分不合理：設(shè)計師需要根據(jù)預(yù)制構(gòu)件的受力情況、施工特點、吊點設(shè)計、后期運輸要求等，根據(jù)設(shè)計院提供的建筑設(shè)計圖紙，針對圖紙中節(jié)點接頭部位，合理的對預(yù)制構(gòu)件尺寸進(jìn)行分割，這樣一來，就比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建筑的設(shè)計成本多出了二次拆分的費用。同時，不合理的拆分也會增大后期施工階段構(gòu)件運輸和吊裝的難度，增加了施工成本。

1.2 預(yù)制構(gòu)件缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)：我國對預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計和生產(chǎn)還沒有完整的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)能力低下、產(chǎn)品類型單一、設(shè)備工藝落后、標(biāo)準(zhǔn)化程度低。不同企業(yè)之間的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、互相之間不存在可替代性，這樣就造成構(gòu)配件生產(chǎn)商缺少競爭力，價格難以下降。因此，要實現(xiàn)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，提升綜合效益，從而降低成本。

1.3 施工吊裝方案不合理：與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，預(yù)制構(gòu)件的在安裝過程中的垂直運輸工作量大幅增加，安裝熟練工種的缺失，也會導(dǎo)致人工成本提高。在吊裝過程中，不同塔吊方案的選擇、安裝構(gòu)件的數(shù)量、構(gòu)件的不同也會對建造成本造成影響。在材料費用方面，構(gòu)件之間的連接件在安裝成本中也占了較大的比重，由于我國目前技術(shù)不成熟，對于連接件、防水處理等技術(shù)問題處理不完善，也增加了裝配式建筑成本。

2 ?BIM技術(shù)與裝配式建筑結(jié)合的優(yōu)勢

BIM理念源自制造業(yè)，大土木行業(yè)的工業(yè)化就是裝配式。BIM技術(shù)與裝配式的結(jié)合，主要在模塊化BIM設(shè)計、BIM模型構(gòu)件生產(chǎn)和BIM構(gòu)件現(xiàn)場裝配三方面。BIM與裝配式的結(jié)合，即利用BIM一體化的方式，將裝配式混凝土建筑設(shè)計、生產(chǎn)、裝配環(huán)節(jié)結(jié)合起來，實現(xiàn)BIM信息化協(xié)同。

2.1 實現(xiàn)裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

對于裝配式混凝土建筑而言，預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化體現(xiàn)在從設(shè)計到安裝的整個過程中，其設(shè)計的合理性直接影響到裝配式建筑的成本。相較于傳統(tǒng)裝配式建筑設(shè)計模式，BIM技術(shù)應(yīng)用下的裝配式混凝土建筑能夠更好的實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化設(shè)計以及可視化設(shè)計，能夠表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢。

2.2 優(yōu)化施工進(jìn)度和流程

將BIM技術(shù)可視化、參數(shù)化等優(yōu)勢，與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)加工流水線系統(tǒng)融合，在構(gòu)件從原材料進(jìn)場到成品出廠的生產(chǎn)周期中合理利用，可使生產(chǎn)更加高效、管理更加便捷。在裝配式建筑實際生產(chǎn)施工中，應(yīng)用BIM技術(shù)能有效地控制及協(xié)調(diào)材料的運輸進(jìn)場時間，盡早確定預(yù)制構(gòu)件所需要的原材料的實際狀態(tài)，根據(jù)不同的材料供應(yīng)情況制定出現(xiàn)場施工安排，減少不確定因素帶來的成本增加問題。

2.3 提高施工效率和精度

BIM技術(shù)能夠解決預(yù)制混凝土施工過程中各階段、各專業(yè)之間信息不通暢、溝通不到位等問題，確保工程施工項目的工期、質(zhì)量、成本得到保證和溝通協(xié)調(diào)有序進(jìn)行。對于工程施工的關(guān)鍵部位，比如預(yù)制關(guān)鍵構(gòu)件及部位的拼裝，其安裝相對比較復(fù)雜，通過BIM技術(shù)，能夠提前對重要部位的安裝進(jìn)行動態(tài)展示，對安裝工人進(jìn)行三維可視化施工交底，進(jìn)而提高施工效率和安裝的精度，減少施工過程中的成本。

3 ?BIM技術(shù)在裝配式混凝土建筑成本控制中的應(yīng)用

3.1 設(shè)計階段

裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是以現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的深化設(shè)計，大部分工作是在常規(guī)設(shè)計之后，一般先對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的分析，然后針對不同的構(gòu)件進(jìn)行節(jié)點的拆分，拆分完成以后再進(jìn)行深化設(shè)計，工廠根據(jù)深化設(shè)計的圖紙進(jìn)行預(yù)制生產(chǎn)，最后將預(yù)制成品運往施工現(xiàn)場。在現(xiàn)場實際中，PC設(shè)計師往往沒有核對結(jié)構(gòu)施工圖的準(zhǔn)確性，拿到結(jié)構(gòu)施工圖就開始做拆分，即使發(fā)現(xiàn)問題，考慮到牽扯的平行專業(yè)太多，溝通的時間太長，設(shè)計完的圖紙需要反復(fù)審核修改，效率不高，這是傳統(tǒng)裝配式混凝土管理手段的局限性。因此，需要引進(jìn)新的BIM管理工具，在設(shè)計的初期就關(guān)注預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化問題，使用更少類型的構(gòu)件設(shè)計滿足不同需求的建筑物，形成預(yù)制構(gòu)件庫，更好的實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化設(shè)計、高效協(xié)同設(shè)計以及可視化設(shè)計，表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢。此設(shè)計方法共分為三個階段：形成預(yù)制構(gòu)件庫、構(gòu)建BIM模型和優(yōu)化BIM模型。

3.1.1 形成預(yù)制構(gòu)件庫

形成預(yù)制構(gòu)件庫的主要目的是為了提高預(yù)制混凝土構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化和通用性，其標(biāo)準(zhǔn)化有利用提高預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)廠的流水線施工的工作效率，而通用性則體現(xiàn)在可以滿足不同要求的預(yù)制混凝土建筑產(chǎn)品。

首先應(yīng)該明確建筑設(shè)計中的標(biāo)高和軸網(wǎng)，然后根據(jù)設(shè)計要求在做好的預(yù)制構(gòu)件庫中查詢相同的預(yù)制混凝土常規(guī)構(gòu)件，最后對于不屬于常規(guī)構(gòu)件且不在預(yù)制構(gòu)件庫中的預(yù)制混凝土構(gòu)件，可以在確定需求后設(shè)計出該構(gòu)件并入構(gòu)件庫，豐富構(gòu)件庫的種類。

3.1.2 構(gòu)建BIM模型

預(yù)制構(gòu)件庫形成以后，布置所有的預(yù)制混凝土構(gòu)件，從而構(gòu)建出裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計BIM模型。在實際操作中，通常用Revit軟件創(chuàng)建預(yù)制構(gòu)件族，根據(jù)不同的設(shè)計需求修改族的參數(shù)，構(gòu)建出BIM模型。

3.1.3 優(yōu)化BIM模型

BIM模型構(gòu)建完成后，還需要對其結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行復(fù)核。BIM作為一種管理手段，通過三維模擬的形式搭建建筑物的建筑、結(jié)構(gòu)、水電暖通專業(yè)，可以通過碰撞檢查，點擊撞車部位，避免設(shè)計中的撞車和疏漏帶來的巨大損失。預(yù)制構(gòu)件是在構(gòu)件廠生產(chǎn)，通過目前的生產(chǎn)和管理方式，質(zhì)量可以得到較好的控制，難點在于節(jié)點控制，如梁、柱、板的節(jié)點詳圖，樓板和陽臺的節(jié)點詳圖，都需要利用三維來檢驗連接件和鋼筋之間的沖突，此時碰撞檢查顯得尤為重要。對BIM模型的結(jié)構(gòu)復(fù)核后，可以指導(dǎo)現(xiàn)場預(yù)制混凝土構(gòu)件吊裝和施工作業(yè)，減少因為設(shè)計不合理帶來的成本增加。

3.2 生產(chǎn)階段

我國建立了許多生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件的預(yù)制加工廠，這些加工廠大多機(jī)械化水平不高，很少利用信息化軟件，效率相對較低，生產(chǎn)出的預(yù)制構(gòu)件的成本和質(zhì)量很難控制。將BIM技術(shù)可視化、參數(shù)化等優(yōu)勢，與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)加工流水線系統(tǒng)融合，在構(gòu)件從原材料進(jìn)場，到成品出廠的生產(chǎn)周期中合理利用，可使生產(chǎn)更加高效，有效節(jié)約成本。

在預(yù)制構(gòu)件的成本組成中，模具的攤銷費用約占5～10%，由此可見，模具的費用對于整個工業(yè)化建筑成本非常重要，擁有好的模具設(shè)計，不僅可以減少工作量、節(jié)約時間，更可以節(jié)省成本開支。因此，采用BIM建模軟件進(jìn)行設(shè)計，通過三維可視化、精準(zhǔn)化、參數(shù)化等優(yōu)勢，將大量的腦力工作通過三維的手段進(jìn)行簡化，可直接對構(gòu)件建模進(jìn)行檢查糾錯。

在構(gòu)建BIM模型時，在構(gòu)件參數(shù)設(shè)置中已經(jīng)輸入了構(gòu)件的尺寸大小、材質(zhì)等信息，可以從BIM模型中導(dǎo)出精確的材料用量，制定出預(yù)制廠每天所需生產(chǎn)的構(gòu)件數(shù)量、鋼筋加工量計劃，還可以利用BIM輸出的鋼筋信息，通過數(shù)控機(jī)床實現(xiàn)對鋼筋的自動裁剪、彎折，然后根據(jù)BIM所生成的構(gòu)件圖紙信息完成混凝土的澆筑、振搗，并自動傳送至構(gòu)件養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直至構(gòu)件運出生產(chǎn)廠房實現(xiàn)有序堆放，為控制危險源和降低成本提供了新的技術(shù)手段。

3.3 運輸階段

與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，裝配式混凝土建筑成本增加了構(gòu)件從預(yù)制工廠到施工現(xiàn)場的運輸費用，降低運輸費用成為控制裝配式混凝土建筑成本的關(guān)鍵。BIM技術(shù)在裝配式混凝土建筑運輸階段成本管理的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面：

3.3.1 運輸時間

預(yù)制構(gòu)件在工廠加工完成后，在運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的過程中，需要考慮運輸時間，應(yīng)根據(jù)實際進(jìn)度下單、配送，達(dá)到現(xiàn)場零庫存的目標(biāo)，解決大面積鋪開預(yù)制構(gòu)件后產(chǎn)能不足、場地不足的問題，提前規(guī)劃好運輸時間。將BIM技術(shù)運用到預(yù)制構(gòu)件實際的運輸和管理過程中，通過植入RFID芯片，能夠短時間內(nèi)迅速獲取車輛和構(gòu)件的信息，實現(xiàn)對于運輸車輛的準(zhǔn)確定位以及信息收集。還可以根據(jù)現(xiàn)場實際施工進(jìn)度，合理安排運輸時間，保證滿足構(gòu)件現(xiàn)場及時準(zhǔn)確的安裝需求，這樣可以提高運輸效率，節(jié)約成本。

3.3.2 運輸空間

由于預(yù)制構(gòu)件尺寸相差可能較大，造成運輸裝車存放難度加大，如果預(yù)制構(gòu)件裝車不合理，構(gòu)件防護(hù)措施不到位，可能會損壞預(yù)制混凝土構(gòu)件，造成預(yù)制構(gòu)件成本的增加，同時也會影響現(xiàn)場裝配進(jìn)度。為了降低該部分運輸帶來的成本損耗，利用BIM模擬功能對構(gòu)件的裝卸順序，以及配備相應(yīng)的存放架、運輸架等進(jìn)行模擬，制定出一個能夠高效配合現(xiàn)場施工的運輸路徑，提高滿載率，制定運輸方案，考慮限高，并結(jié)合吊裝方案，減少現(xiàn)場堆放，降低成本。

3.4 施工階段

在裝配式混凝土施工吊裝階段，利用BIM技術(shù)可以提前發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題，及時規(guī)避潛在風(fēng)險，進(jìn)而降低成本。具體應(yīng)用主要表現(xiàn)在吊裝方案模擬和復(fù)雜節(jié)點樣板引路兩方面。

3.4.1 吊裝方案模擬

在施工吊裝階段，對于體積和重量較大的預(yù)制混凝土構(gòu)件不能用人工進(jìn)行安裝，往往需要借助吊裝機(jī)械。在現(xiàn)場實際中，吊裝機(jī)械的精度達(dá)不到預(yù)制混凝土構(gòu)件的安裝需求，常會造成個別構(gòu)件無法吊裝的情況，這樣會導(dǎo)致工期變長和成本增加，現(xiàn)場的進(jìn)度控制無法得到保障。因此，將BIM技術(shù)的施工吊裝模擬功能利用起來提高預(yù)制混凝土構(gòu)件的安裝效率顯得尤為重要。首先，在前期創(chuàng)建好的BIM建筑模型的基礎(chǔ)上，制定好吊裝機(jī)械和預(yù)制構(gòu)件的擺放位置;然后，根據(jù)制定好的施工組織設(shè)計和施工方案模擬出預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場吊裝的過程;最后，將演示動畫視頻向現(xiàn)場施工人員輸出，針對潛在的問題進(jìn)行溝通，優(yōu)化出最佳的吊裝方案。

3.4.2 復(fù)雜節(jié)點樣板引路

在預(yù)制混凝土構(gòu)件吊裝過程中，預(yù)制構(gòu)件種類多且節(jié)點復(fù)雜，如預(yù)制混凝土板，即使發(fā)生比較小的位移，也有可能造成預(yù)制板無法定位施工，有些節(jié)點較為復(fù)雜的構(gòu)件難以對現(xiàn)場施工人員進(jìn)行輸出和交底，施工人員不能快速掌握吊裝的過程和方法，就無法保障現(xiàn)場施工進(jìn)度符合計劃安排。此時，可以充分利用BIM可視化的顯著特點，根據(jù)現(xiàn)場實際提前制作出滿足要求的BIM動態(tài)樣板，如工前樣板、交底樣板和操作樣板等。將這些動態(tài)樣板對現(xiàn)場人員進(jìn)行交底后，減少因交底不明確帶來的成本增加。

在施工階段，除了利用BIM技術(shù)進(jìn)行吊裝模擬和對復(fù)雜節(jié)點引路外，還可以建立裝配式混凝土建筑的BIM5D模型，增加了時間和資源兩大要素后，可以更加清晰的了解到裝配式混凝土建筑資源投入情況，將目標(biāo)成本和動態(tài)成本對比后進(jìn)行偏差分析，針對分析出的成本偏差制定糾偏措施，及時解決問題。

4 ?結(jié)語

文章重點分析了裝配式混凝土建筑構(gòu)件設(shè)計階段、生產(chǎn)階段、運輸階段、施工吊裝階段成本過高的原因，利用BIM信息化的優(yōu)勢對不同階段制定對應(yīng)的解決措施，從而有效的提高裝配式混凝土建筑的生產(chǎn)效率和施工質(zhì)量，為降低裝配式混凝土建筑的成本提供有力支撐。

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