火神山、雷神山項目中“BIM+裝配式”應用優勢分析

滿吉芳 （遼寧鐵道職業技術學院，遼寧 錦州 121000）

新冠肺炎疫情肆虐武漢之時，在全國千萬“云監工”的注視下，火神山、雷神山醫院飛快地“拔節生長”。短短13天建成2所醫院，這令世人驚嘆的“中國速度”背后，不僅有數千名建設者的日夜鏖戰，更有強有力的技術保障——BIM+裝配式。BIM與裝配式建筑相輔相成，雙劍合璧，發揮了“1+1＞2”的效果，最終確保了“兩山”醫院的按期交付。

1 火神山、雷神山項目建設困境分析

1.1 常規設計有壁壘，無法按“料”出圖

設計單位與項目參建其他各方相互獨立，缺乏溝通交流，無法根據資源供給狀況開展設計。而“兩山”醫院項目工期極端緊張，物資設備需求量極大，卻又恰逢春節假期，大批工廠放假停工，物資設備供求關系嚴重失衡。為解決這一問題，設計院必須根據物資設備采購情況，做到有的放矢，實現按“料”出圖。

1.2 生產流程顯弊端，不易節“時”保“準”

裝配式建筑構件常規加工流程：人工統計構件數量和規格—深化加工圖—人工加工構件。對于“與死神競速”的“兩山”項目而言，該流程存在兩大弊端：一是人工構件統計和加工圖深化耗時長，影響施工工期；二是人工構件加工存在誤差，無法保證裝配精度，甚至導致裝配失敗。

1.3 項目管理存短板，難以聯動作戰

“兩山”項目參建單位眾多，形成“由中建三局牽頭，聯合武漢市政等多家單位參與，上百家各類專業分包單位配合”的格局。而當前項目管理信息化程度不高，組織協調難度極大，很難實現各單位高效聯動作戰，各工序無縫銜接。

2 BIM技術在火神山、雷神山項目中的應用情況

2.1 BIM技術在項目設計中的應用

2.1.1 BIM深化設計，實現按“料”出圖

為實現快速建造，“兩山”醫院均采用鋼結構箱式房裝配化施工，即對鋼結構主體進行現場裝配式施工，而對集裝箱式活動板房進行模塊化拼接。建筑設計中標準模塊平面尺寸為3000mm×6000mm，而集裝箱的平面尺寸為2990mm×6055mm。若直接按“兩橫+一豎”的原則布置，即病房位置橫向布置2個標準模塊+走道位置縱向布置1個標準模塊，如圖1所示，將產生拼裝誤差75mm（6055-2×2990=75mm），遠大于標準模塊拼裝間隙10～12mm。

圖1 “兩橫+一豎”單元布置（圖片來源：作者自繪）

為此，設計人員開展了集裝箱BIM深化設計，以走道箱體尺寸為總控，以密拼的方式（縫寬為10～12mm）連接走道箱體。病房箱體間穿過位置仍為密拼（縫寬為10～12mm），而標準模塊間分戶墻（雙墻）位置設有寬縫，最終將拼裝誤差消除在3個走道箱體（1個標準組）范圍內，如圖2所示。通過深化設計，將集裝箱科學有效地拼裝在一起，完美解決了“集裝箱型號規格與標準不符”這一問題，完成了精準定位，實現了按“料”出圖。

圖2 集裝箱誤差消除方案（圖片來源：作者自繪）

2.1.2 可視化協同設計，提高設計精度

“兩山”醫院為呼吸系統傳染病醫院，建設中涉及基礎工程、土建工程、污水處理、凈化工程等多個不同專業。為從根本上解決碰撞問題，設計人員依托BIM協同平臺，開展基于同一BIM模型的多專業協同設計，實時進行不同專業BIM模型的協調審查和碰撞檢查，有效避免了信息壁壘帶來的錯、漏、碰、缺等問題，大幅提高了設計精度和設計效率，縮短了設計時間，為項目按期交付提供了保障。

2.1.3 3D場景漫游，優化空間布局

為有效避免交叉感染，最大程度地實現“醫患分區，潔污分流”，“兩山”醫院按“三區兩通道”的原則進行內部布局，呈中軸對稱的魚骨狀形式，如圖3所示。為直觀分析醫院內部布局的合理性與實用性，設計人員利用BIM技術的3D漫游功能，多角度觀察整個醫院內部布局，全方位分析其合理性，并根據分析結果，對內部空間布局進行了改進優化，優化后的雷神山醫院內部格局如圖4所示。

圖3 “三區兩通道”內部布局（圖片來源：全球知識雷鋒）

圖4 雷神山醫院內部布局（圖片來源：中國暖通空調網）

2.1.4 BIM正向設計，縮短建設工期

為滿足醫療建設相關規范對醫技樓開間大小和凈高尺寸的要求，“兩山”項目中醫技樓均采用了鋼框架結構。鋼框架結構的傳統建設流程：基于二維圖紙的設計—翻模分析計算—繪制施工圖—施工單位繪制加工詳圖—設計院認可—工廠加工—現場拼裝。顯然，該模式不適用于“與時間賽跑”的“兩山”項目。為此，設計人員對醫技樓進行了BIM正向設計，優化了其建設流程。通過TAKLA建模（選擇該軟件的原因：一是該軟件搭建的模型可直接導入MIDAS等有限元分析計算軟件；二是該軟件可直接導出構件加工詳圖），將建設流程優化為：TAKLA建模—MIDAS結構驗算—導出施工圖—導出加工詳圖—工廠加工—現場拼裝。不僅實現了“先建模，后出圖”的目標，保證了模型與圖紙的一致性，而且加強了設計、施工及構件生產三方的協作，幾乎同步完成了結構分析計算、施工圖導出和加工詳圖導出工作，大幅縮短了建設工期，為項目如期交付提供了保障。

2.2 BIM技術在構件生產中的應用

“兩山”醫院建設期間，千萬“云監工”看到的是施工現場忙碌的身影，看不到的是構件生產廠的日夜奮戰。為加快施工進度，需在工廠加工完成鋼結構主體、集裝箱式活動板房等相關構件后，直接運往施工現場進行裝配施工。而時值春節假期，大批工廠放假，工人返鄉，構件加工成為了項目建設中的一個“攔路虎”。

為成功消滅這一“攔路虎”，實現“用有限的工人加工大量的構件”的目標，構件生產單位將BIM技術與數字化加工集成起來。調用BIM模型后先將其轉換成數字模型，再根據該數字模型進行數字化加工。BIM與數字化加工“強強聯手”，提高了生產效率，縮短了構件生產時間。同時，構件生產單位直接通過BIM模型導出構件明細表，并據此進行科學排產，深入挖掘自身潛力，優化制約整體產能釋放的關鍵工序，進一步提高生產效率，最大幅度地縮短構件生產加工時間，為“兩山”應急項目的按期交付提供保障。

2.3 BIM技術在裝配施工中的應用

2.3.1 BIM全過程優化，縮短施工工期

“兩山”醫院建設中，首先通過BIM施工模擬，對輕鋼結構裝配順序、集裝箱式活動板房吊裝次序以及施工機械走行路線的合理性進行了分析驗證，確保了施工技術的可行性和合理性。此外，通過基于BIM技術的虛擬漫游，對挖掘機、推土機、起重機等大型機械設備的布置情況進行了分析，優化了施工現場平面布置，最大程度地減少了因大型機械設備安置不合理而造成的現場擁堵、窩工等問題。最后，利用BIM技術進行可視化交底，通過三維模型將施工技術有效地傳遞給施工人員，使施工人員直觀、清晰地了解施工要點，從而確保裝配施工中無差錯、無返工。BIM全過程模擬，優化了施工方案，改善了交底效果，縮短了施工工期。

2.3.2 BIM深化設計，輔助施工優化

①BIM管網優化，輔助“跳倉法”施工

雷神山醫院原設計方案中每個病區之間均布設有雨、污、廢管線，若按該方案施工，不僅需要場內大面積開挖，而且嚴重干擾集裝箱式房吊裝工作，降低施工效率。為此，通過BIM深化設計，按“隔一設一”的原則優化管道布設，合并多余管道（圖5），輔助室外管網“跳倉法”施工。最終，為箱式房吊裝作業提供了足夠的工作場地，減少了現場開挖工作量，降低了施工機械投入。

圖5 室外管網優化設計（圖片來源：作者自繪）

②BIM基礎優化，加快施工進度

為簡化施工工藝，加快施工進度，雷神山醫院還進行了BIM基礎設計優化，將原設計方案中的混凝土基礎優化為“混凝土條基+鋼結構”組合式基礎，即外部采用混凝土條基、內部采用梅花形布置H型鋼基礎。通過基礎形式優化，不僅提高了施工速度，而且減少了工程量，降低了施工成本，此項共減少混凝土條基22576m（共計3387m3混凝土），減少管道穿孔1036個，減少勞動力投入約200人。

③BIM屋頂優化，實現快速施工

雷神山醫院項目原設計方案中采用鋼結構屋頂，該類屋頂不僅存在自重大、工藝復雜、應變性較差等一系列缺點，而且需要提前定制加工，施工周期較長，很顯然不符合雷神山醫院“時間就是生命”項目要求。為此，通過BIM優化，設計了鋼管+彩鋼瓦組合式屋頂，如圖6所示。該屋頂以鋼管（支撐架體）和槽鋼（檁條）為屋頂支撐體系，以彩鋼瓦為屋面板，并通過在四周設置纜風繩予以加固，四措并舉，不僅滿足了屋面的功能要求，而且實現了快速施工的目的。

圖6 鋼管+彩鋼瓦組合式屋頂BIM設計圖（圖片來源：李文建等.武漢雷神山醫院項目施工階段BIM應用［J］.第九屆“龍圖杯”全國BIM大賽獲獎工程應用文集.228-233）

2.3.3 BIM信息化施工管理，提升管理水平

“兩山”項目均采用了基于BIM的信息化施工管理，通過統一協調管理，實現了高效聯動作戰，確保現場幾十道工序齊頭并進，近千臺各種大型機械設備和幾千名工人有序作業，各道工序有序銜接、無縫對接。

①BIM-QR系統，實現鋼結構高效建造

“兩山”項目中涉及大量的鋼結構施工，施工工藝復雜，施工組織協調難度大。為實現精細化管理，施工單位自主研發了“BIM-QR系統”，其結構圖如圖7所示。BIM-QR系統的應用，實現了原料采購、構件生產、構件運輸和質量驗收全過程信息化管理，大幅提升了精細化管理水平。

圖7 BIM-QR系統結構圖（圖片來源：作者自繪）

②起重荷載計算系統，實現地基承載力“速算”

為確保“兩山”項目按期交付，近千臺各種大型機械設備和運輸車輛需同時進場，這對地基承載力提出了很大挑戰。為檢核地基承載力是否滿足要求，施工單位研發了“輪式及履帶式起重機行走及起重荷載計算系統”，僅用1天時間就算出了汽車吊、履帶吊的行走和吊裝作業時的地基承載力，為機械能否進場作業給出了明確的“答復”。

③智能化物流管理系統，實現集裝箱全過程信息跟蹤管理

項目部針對集裝箱式房安裝環節自主研發了“基于BIM的智能化物流管理系統”。該系統以BIM技術為核心，綜合應用物聯網、互聯網、大數據等新一代信息技術，通過信息錄入、查詢管理、入庫檢查與審核、現場吊裝管理等方式，完成集裝箱式房數據自動采集、信息交互和智能分析等工作，實現“深化設計—下單管理—工廠生產—物流運輸—入場跟蹤—質量驗收—安裝管理”全過程的信息跟蹤管理。該系統的研發應用，完成了BIM技術與集裝箱調度管理的深度融合，有效促進了集裝箱式房快速安裝，僅用72小時就將火神山醫院1832個箱式房安裝到位。同時，雷神山醫院3700余個集裝箱也在短時間內安裝完畢。

3 “BIM+裝配式”在火神山、雷神山項目中的應用效益分析

3.1 BIM技術多維度服務裝配式建筑，大幅縮短了施工工期

“兩山”醫院的迅速建成，向全世界展示了“中國速度”。而“中國速度”的背后，是BIM技術與裝配式鋼結構強有力的支撐。“兩山”項目建設過程中，BIM技術“身兼數職”，從提高設計效率、加快構件生產速度、提高裝配施工效率三個維度服務裝配式鋼結構，大幅度縮短了施工工期，最終確保了項目的按期交付，為全國抗擊新冠肺炎疫情爭取了戰略主動。

3.2 項目全過程BIM技術應用，有效降低了建設成本

“兩山”項目涉及大量的資金投入，且由于工期極端緊迫，以目前的工程管理水平，很難有效地控制項目投資。而BIM技術全過程應用，從根源上杜絕了這一問題的出現。首先，基于BIM技術的多專業協同設計，減少了設計中表達模糊、構件碰撞等問題，降低了設計變更帶來的額外支出。此外，基于BIM技術的施工模擬，優化了施工方案，確保裝配施工過程中無差錯、無返工。第三，智能化施工管理系統，實時監控建設過程的每個環節，保證建筑材料性能發揮到最佳狀態，有效降低了建筑材料的損耗，提高了資金使用效率，降低了工程建設成本。

3.3 基于BIM技術的項目管理，實現建設質量的有效管控

“兩山”醫院為應急呼吸系統傳染病醫院，建設質量絕不允許有任何問題。為此，項目管理方自主研發了基于BIM技術的協同管理平臺，打通了項目參建各方的信息壁壘，將傳統“串行模式”轉變為以BIM模型為中心的“并行模式”。從項目全生命周期的角度出發，實時監控項目設計信息、采購信息和施工信息，將片面的結果控制轉變成了全方位的過程控制，實現了對建設質量的有效管控，有效保障了“三邊工程”（邊勘測、邊設計、邊施工）的建設質量。

4 結論與展望

“兩山”項目的迅速建成，充分展現了“BIM+裝配式”的優勢，裝配式建筑因“工廠化程度高”而大幅度縮短了施工工期，BIM技術則從提高設計效率、加快構件生產速度、縮短裝配施工時間三個維度服務于裝配式建筑。二者相輔相成，構成互補，最終確保了“三邊工程”的順利實施，創造了令全世界驚嘆的“中國速度”。但是，二者目前尚未達到“可產生化學反應”的深度融合，未來，還需繼續探索促進BIM技術與裝配式建筑深度融合的途徑，進一步提高BIM技術在裝配式建筑中的應用價值，以有效助推裝配式建筑產業化發展。