基于BIM技術(shù)的裝配式住宅研究

俞 鑫 徐桂明

（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164）

0 引言

裝配式建筑是建筑工業(yè)化中的一類，具有環(huán)保節(jié)能、施工效率高的優(yōu)點，目前我國勞動力成本不斷升高，對綠色、環(huán)保、節(jié)能提出更高要求的前提下建筑業(yè)轉(zhuǎn)型迫在眉睫［1-2］。BIM技術(shù)這項工具的應(yīng)用和推廣使得建筑業(yè)在工業(yè)化道路上找到了突破口［3］。BIM技術(shù)的核心是集成，而裝配式體系的核心是一體化，兩者結(jié)合使用順應(yīng)時代發(fā)展需要［4］，因此基于BIM技術(shù)的裝配式建筑體系應(yīng)用意義重大。本文結(jié)合浙江省寧波市奉化區(qū)某地塊住宅項目，介紹了BIM技術(shù)在裝配式住宅項目中的應(yīng)用。

1 工程概況

本項目位于寧波市，總建筑面積127 796 m2，有6棟20～27層高層住宅，住宅樓采用裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，項目總平圖及單體立面分別如圖1、圖2所示。本文以6號樓為例進(jìn)行介紹，6號樓共27層，建筑高度79.3 m，地上計容建筑面積11 637.46 m2，容積率獎勵建筑面積349.12 m2，預(yù)制構(gòu)件包括疊合板、陽臺、預(yù)制樓梯、預(yù)制凸窗、預(yù)制外隔墻。預(yù)制率40.55%，裝配率51.00%。

圖1 總平面圖Fig.1 General layout

圖2 立面圖Fig.2 Vertical section

2 平面拆分方案及相關(guān)原則

2.1 預(yù)制構(gòu)件拆分原則

預(yù)制構(gòu)件拆分原則如下：①預(yù)制構(gòu)件少規(guī)格、多組合；②控制單塊構(gòu)件的重量不超過6 t；③通過構(gòu)件有規(guī)律地重復(fù)使用，形成豐富的立面色彩，從而豐富建筑造型及空間，使得設(shè)計安全、經(jīng)濟(jì)［5］。

2.2 住宅平面拆分方案

在滿足裝配率和預(yù)制率的要求下，標(biāo)準(zhǔn)層平面拆分方案如圖3所示，裝配式建筑裝配率計算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 裝配率評分表Table 1 Rating table of assembly rate

圖3 平面拆分圖Fig.3 Split plan

在裝配率計算中Q1項中有10分為高精度模板，經(jīng)成本計算，在標(biāo)準(zhǔn)層多于30層的情況，鋁模建造成本和木模成本持平。計算依據(jù)如下：

A：鋁模板單價=1 400元/m2

B：鋁模板回收價=350元/m2

C：安裝費(fèi)用=29元/m2

D：免批蕩節(jié)約成本=9元/m2

E：節(jié)約其他費(fèi)用=2元/m2（包括安全文明施工費(fèi)、垂直運(yùn)輸費(fèi)、場地占用費(fèi)、垃圾處理費(fèi)等）

鋁模施工費(fèi)用=（A-B）/層數(shù)+C-D-E

計算數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示，周轉(zhuǎn)次數(shù)在30次時，木模成本和鋁模持平。

圖4 成本與周轉(zhuǎn)次數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between cost and turnover times

裝配式建筑預(yù)制率計算數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 預(yù)制率計算表Table 2 Calculation table of prefabrication rate

在計算預(yù)制率時，使用BIM技術(shù)，預(yù)制率降低1%。裝配式建造成本降低10元/m2。

3 BIM技術(shù)在設(shè)計階段應(yīng)用

3.1 PC深化圖紙的正向設(shè)計

PC深化設(shè)計的主要流程為：設(shè)計院方案和建筑施工圖設(shè)計，主體院施工圖紙再移交給PC深化單位進(jìn)行拆分和構(gòu)件深化設(shè)計，后由構(gòu)件工廠進(jìn)行流水化生產(chǎn)。在此過程中遇到的最大問題為，大多設(shè)計院對構(gòu)件的生產(chǎn)要求、生產(chǎn)過程和后期的安裝流程了解不夠，前期建筑方案時未考慮戶型拆分的合理性，導(dǎo)致住宅拆分不經(jīng)濟(jì)。本項目在設(shè)計前期便邀請主體設(shè)計院、PC深化設(shè)計院、總包單位和預(yù)制構(gòu)件工廠進(jìn)行多次溝通，打通設(shè)計壁壘，解決傳統(tǒng)二維設(shè)計過程固化、消息反饋緩慢造成的反復(fù)修改的問題。運(yùn)用BIM技術(shù)，設(shè)計師可以從整體三維模型（圖5）方面全盤策劃裝配式技術(shù)方案，并能從建筑信息模型中方便準(zhǔn)確地導(dǎo)出各種二維CAD圖紙（圖6），大大提高了設(shè)計師的設(shè)計效率，設(shè)計變更和現(xiàn)場簽證下降60%。

圖5 BIM三維圖Fig.5 BIM 3D

圖6 構(gòu)件深化圖Fig.6 Detail drawing of components

3.2 BIM設(shè)計優(yōu)化

BIM最大的優(yōu)勢為各專業(yè)信息技術(shù)的集成，統(tǒng)一平臺一體化設(shè)計，建立各專業(yè)BIM模型，解決傳統(tǒng)二維設(shè)計中產(chǎn)生的“錯、漏、碰、缺”［6］。利用碰撞檢查功能，二次深化機(jī)電管線綜合圖紙，直觀地表示各專業(yè)的標(biāo)高，通過二次開發(fā)參數(shù)化實現(xiàn)凈高分析功能，優(yōu)化凈高，提高質(zhì)量，優(yōu)化方案，事前控制設(shè)計圖紙的問題，減少對后期施工的不利影響；利用參數(shù)化技能對優(yōu)化后的模型一鍵開洞，給出結(jié)構(gòu)空洞預(yù)埋圖紙大大提高設(shè)計圖紙的準(zhǔn)確性；通過對可參數(shù)化構(gòu)件的預(yù)拼裝，解決構(gòu)件交接及自身的細(xì)節(jié)問題，如圖7所示的管線預(yù)埋問題和圖8所示的節(jié)點碰撞問題。

圖7 構(gòu)件管線預(yù)埋Fig.7 Embedded component pipeline

圖8 節(jié)點碰撞問題Fig.8 Node collision problem

3.3 BIM技術(shù)優(yōu)化鋁模設(shè)計

鋁模技術(shù)的應(yīng)用對戶型的標(biāo)準(zhǔn)化、建筑線條、建筑保溫形式、建筑隔墻的砌筑形式、主要的連接節(jié)點、結(jié)構(gòu)墻梁尺寸、電梯及管道、精裝點位、開發(fā)節(jié)奏等都有較高的系統(tǒng)化要求。此外，該地塊所有樓棟采用鋁模技術(shù)，二次結(jié)構(gòu)均一次澆筑成型，二次結(jié)構(gòu)的工期優(yōu)化約18天，工序優(yōu)化27個，界面無感移交。管道井全混凝土拼裝，工期節(jié)約21.9天，工序優(yōu)化25個，降低管理力度。

通過BIM技術(shù)建立鋁模構(gòu)件參數(shù)化族庫，在平臺中預(yù)拼裝解決設(shè)計問題，鋁模構(gòu)件參數(shù)化（圖9）深化設(shè)計，對材料的使用和部件的加工工程量進(jìn)行統(tǒng)計，形成工程量清單（圖11），為工程招采、材料以及人工的供應(yīng)提供依據(jù)。

圖9 鋁模參數(shù)化構(gòu)件族Fig.9 Parametric member family of aluminum mold

圖10 鋁模三維模型Fig.10 Three dimensional model of aluminum mold

圖11 鋁模工程量清單Fig.11 Bill of quantities of aluminum mold

4 BIM+RFID技術(shù)在施工階段應(yīng)用

4.1 RFID技術(shù)概述

應(yīng)用BIM和無線射頻技術(shù)（RFID）智能識別技術(shù)遠(yuǎn)程讀取構(gòu)件信息和施工技術(shù)人員相關(guān)信息，為裝配式構(gòu)件的實時定位及信息采集提供了支持。RFID技術(shù)服務(wù)半徑達(dá)幾十米，且對環(huán)境要求較低，抗污染和耐久程度高。應(yīng)用該技術(shù)可以實施定位構(gòu)件位置（圖12），確定該構(gòu)件（圖13）是否完成施工，大數(shù)據(jù)采集構(gòu)件、安裝進(jìn)度、質(zhì)量檢查、施工組織設(shè)計及進(jìn)度計劃管控提供了有力保障。運(yùn)用該商用軟件技術(shù)進(jìn)行智慧工地建設(shè)，符合國家發(fā)展戰(zhàn)略。

圖12 構(gòu)件位置可視化管理Fig.12 Visual management of component location

圖13 預(yù)制樓梯Fig.13 Prefabricated stairs

4.2 RFID應(yīng)用流程

向構(gòu)件植入芯片，包含計劃開始完成時間、構(gòu)件現(xiàn)場位置、構(gòu)件進(jìn)場完工時間等相關(guān)信息，待工序完成時運(yùn)用讀寫器將構(gòu)件的安裝情況寫入內(nèi)部芯片（圖14）中，實現(xiàn)現(xiàn)場進(jìn)度和現(xiàn)場施工質(zhì)量的實時更新。主要流程如圖15所示。

圖14 芯片及投射儀器Fig.14 chip and projection equipment

圖15 施工過程Fig.15 Construction process

4.3 RFID技術(shù)優(yōu)劣勢分析

BIM+RFID技術(shù)的綜合應(yīng)用在資源短缺和人力成本逐年增加的情況下，必然會逐漸為大家所接受。該技術(shù)也遇到例如建安成本增加、施工工序增加等相關(guān)問題。裝配式建筑相對于現(xiàn)澆混凝土建筑有著復(fù)雜的施工工藝和較高的吊裝要求。應(yīng)用新技術(shù)進(jìn)行施工模擬和5D進(jìn)度控制，事前控制現(xiàn)場所遇到的所有技術(shù)問題，應(yīng)用施工BIM技術(shù)可以在三維平臺進(jìn)行施工模擬，優(yōu)化流程和吊裝次序，減少二次施工，提高施工質(zhì)量，使得建筑施工更智能化、數(shù)字化。

5 結(jié)論

（1）裝配式住宅建筑通過BIM技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計施工全過程、全方位的信息集成，減少圖紙設(shè)計問題，提高現(xiàn)場施工管理效率，保證了裝配式建筑全生命周期的高效性精細(xì)化管理和效益最大化。

（2）通過BIM技術(shù)，正向設(shè)計PC圖紙，消滅鋼筋與鋼筋、預(yù)埋件等碰撞問題。建立參數(shù)化構(gòu)件族，提高構(gòu)件出圖效率。

（3）通過鋁模和BIM技術(shù)的結(jié)合降低裝配式住宅預(yù)制率和裝配率，以此來降低成本。經(jīng)計算得出，周轉(zhuǎn)次數(shù)在30次以上時，鋁模成本低于木模成本。

（4）利用BIM+RFID技術(shù)提取構(gòu)件信息，完成進(jìn)度模擬，將產(chǎn)業(yè)化工程由粗到細(xì)，縮短工期、合理利用勞動力、規(guī)劃運(yùn)輸路線、布置場地、布置塔吊、判斷型號，完善智慧工地建設(shè)。