基于BIM技術的裝配式建筑設計深化及成本管理應用研究

□ 胡小玲 賴婧婷 農日東

隨著社會的發展和科技的進步，我國建筑工業化與信息化也得到快速推進，建筑業迎來新的機遇和挑戰。然而傳統建筑生產方式過于粗放，導致社會資源浪費嚴重，環境污染嚴重，成為發展綠色建筑的絆腳石，在一定程度上阻礙了國民經濟可持續發展。裝配式建筑憑借著損耗低、工期短等諸多優點得到眾多學者和工程師的青睞，國家積極推廣裝配式建筑、大力發展裝配式混凝土，通過工廠生產好裝配式構件后再運輸到施工現場進行組裝，可以有效縮短工期、降低成本，減少資源浪費，實現社會資源優化配置[1]。但是目前我國裝配式建筑施工成本居高不下，嚴重限制施工企業發展應用，如何以最低的施工成本提供最優質的建筑，成為裝配式建筑可持續發展的根本動力。作為建筑信息化產業革命的推動者，BIM技術具有可視化、協同化、模擬化、標準化、精細化等特點，并為降低裝配式建筑施工成本提供有效的信息化手段，促進裝配式建筑施工成本管理控制水平的提升，有利于推動我國綠色建筑的發展。本文旨在研究預制建筑物的建筑成本管理，并使用BIM技術對施工成本進行建模，包括預制建筑物的基本理論、成本管理理論、BIM的基本理論[2]，以及預制建筑物的成本分析、控制，這將為施工企業施工成本精細化管理提供借鑒[3]，也拓寬了BIM應用領域，使其具有更廣闊的發展空間和推廣前景。

1 裝配式建筑施工項目成本管理存在的問題

裝配式建筑產業鏈的設計生產階段屬于成本控制的前期階段，也是非常重要的階段。裝配式建筑設計階段存在的問題是：一是與傳統的現澆建筑設計相比，裝配式建筑的深化設計費用在原基礎上提升30%～40%[4]。二是國內針對預制構件的設計與生產還沒有完整的或者統一的參照標準，構件類型存在單一性[4]。三是針對預制的建筑構件，梁、板等水平構件較多，對于柱、樓梯等垂直部件的生產量不大。四是裝配式建筑模具利用率低，在設計中較難及時發現問題，如在裝配中發現安裝不合適導致增加成本等。五是裝配式建筑需要長途運輸，這也是一項不可消除的費用[5]。如果現場生產，會增加維護成本，且效率低。據了解，在裝配式構件生產方面，我國具備相應資質進行設計與生產的單位較少，部分企業沒有與專業相結合，專業間對接較差。

裝配式建筑施工階段存在的問題有：一是因保留傳統的現澆建筑模式，在現場布置和施工順序上考慮不周全，導致建筑成本大幅增加。二是裝配式建筑需要大量的吊裝工具，垂直運費高。三是裝配式構件采購進度與施工進度相結合，需要管理者有一定的把控經驗。四是裝配式建筑安裝技術有一定的難度，若工人操作不當，則會增加不必要的開銷。

因此，裝配式建筑施工成本管控要解決預制構件的標準化問題、現場布置的最優化問題、進度管理的高效化問題、成本管理的精細化以及數據信息的集成化問題。

2 BIM技術在裝配式建筑施工成本管理中的作用

2.1 有助于專業間的協同設計

在項目的預設計階段，來自各個專業工種的設計人員設計同一項目，如水、暖氣、電，并且使用建筑圖紙在不同區域進行設計。但因水、暖氣和電3個專業相互獨立，其專業之間的信息和數據無法進行交互，從而在后續安裝過程中出現各種崩潰沖突[6]。使用BIM平臺執行協作設計可采用工作集方法，以實現不同專業、不同樓層和不同區域的協同設計，有助于提高設計效率并降低對計算機性能配置的要求。

2.2 有助于展現施工模擬

BIM是一種最新的信息技術，可以利用BIM獲取基于三維模型的施工模擬軟件，結合施工組織進度表，并添加時間表以實現模型隨時間變化的動態增長，模型構建涉及對項目進度的實時和動態控制。與傳統的成本核算相比，BIM實時更新信息數據庫可實現現有圖紙和建筑材料的實時連接，這在快速發展的建筑時代中尤其重要。基于計算機信息數據庫的數理統計不僅可以執行許多傳統計算，而且可以及時準確地調查、檢查和分析項目所需的數據，最重要的是大大降低了錯誤計算的概率，節省大量的時間和人工成本。

2.3 有助于各構件的碰撞檢查

在中國的建筑行業中，每年由于錯誤的圖紙而進行設計變更或返工的情況很多，造成進度損失和成本損失，由此啟用BIM的“碰撞檢查”[7]。操作原理是通過BIM模型檢查工具查找項目中元素之間的沖突。該元素可以是模型中的一組選定實體，也可以是所有實體。BIM模型可優化施工階段的零部件和管線、建筑物和結構、結構和管線的設計，通過碰撞檢查、施工模擬等方式 ，合理規劃了施工期間的機械位置和材料放置，并在施工前盡快完成設計。通過BIM模型找到一個合理的方法來解決問題和矛盾，或者討論最佳的建筑解決方案，以減少傳統2D模型中錯誤、遺漏、崩潰和缺陷的發生[8]，提高施工效率和質量，減少施工時間并節省成本。

2.4 有助于構建3D場布

3D場布是一種在項目中支持3D視覺布局的應用程序。借助BIM本身的分支應用程序，其擁有豐富的組件庫，包括建筑物、綠色文明建筑、建筑機械、交通運輸等，還具有快速構建施工現場模擬3D模型以及創建平面布局的能力，可以有效避免視覺錯誤造成的損失。可在技術和經濟兩方面及時進行合理性分析，將VR技術與安全培訓軟件相連接，為工人提供工程項目的VR安全培訓。

3 BIM技術在裝配式建筑中的成本控制應用

項目以廣西建通公司某裝配式項目（18層住宅樓）作為研究對象，總面積8569.44㎡，其裝配率高達72.34%，根據評價等級劃分，為A級裝配式建筑。該建筑部件包含疊合板、疊合梁、預制柱、鋼管束、預制剪力墻、預制樓梯、預制陽臺等構件[9]。項目通過建立應用技術路徑、軟件布局、安全管理、技術分析、模型計算、材料管理、進度管理諸如沖突檢查此類的應用方法，并針對實際應用過程的問題，充分利用BIM技術的優勢，解決裝配式施工存在的問題。

3.1 基于BIM技術裝配式建筑施工成本技術路線

通過BIM技術在準備工作、基礎建模、成本管控、評價方面提出相應的工作基礎要求，在準備工作階段需要構建裝配式族庫，如預制柱、預制剪力墻、預制樓梯、陽臺等[10]；在基礎建模階段要協同建筑、結構、給排水、暖通、電氣等各個方面，協同完成基礎模型構建；在成本管控階段，要做好場地布置、安全管理、技術交底等工作，通過Revit明細表、Navisworks構件及材料統計完成模型算量、物料監控、進度管理、碰撞檢測等輔助工作，具體工作如圖1所示。

圖1 技術路線

3.2 基于BIM技術裝配式建筑施工模型的構建

3.2.1 構建 Revit建筑信息模型

依據前期的設計構建建筑模型，創建標高、軸網、墻柱梁、門窗等，完成建筑信息模型構件。利用Revit的三維可視化、模擬性、參數化、優化性等特征，完成建筑設計、深化圖紙、工程量統計等基礎應用。通過Revit軟件，將各個專業單獨構建的建筑、結構、系統模型集于一體，并通過工作集的方式協同作業，實現建筑信息模型全專業搭建。

3.2.2 創建族與族庫

族是Revit軟件獨有的功能，是建筑信息模型的基本單元，通過創建墻族、窗族、門族等，創建族庫，能提高制圖的效率。在設計階段，通過族的參數化驅動，實現構件信息的修改和更新，做到“一處修改，處處修改”。在項目構建中，盡管一個族中不同圖元的部分或者全部參數值可能不盡相同，但參數的設置是相同的，在后期修改中，可根據項目需求進行調整。通過創建族及族庫可靈活運用構件，也可同步創建信息庫，如窗臺材質、框架材質、貼面材質以及窗戶的寬度和高度等構件信息一目了然，不僅可以提高建模的速度和精度，也能大大提升建筑的數據準確性。

3.2.3 創建Navisworks 建筑施工模型

Navisworks和Revit是同源軟件，Revit軟件主要定位在于核心建模軟件，重在設計與建模；Navisworks軟件主要定位在于模型的集成與施工管理，重在管理與模擬。通過Revit軟件“附加模塊”選項卡中的外部工具，找到“Navisworks 2016”[11]，隨后打開其導出的文件，即可在Navisworks進行操作；通過“附加”或“合并”命令，可以實現建筑、結構、給排水、暖通、電氣等相關模型的集成，并實現輕量化；通過“Clash Detective”命令，可以實現各專業的沖突碰撞檢查；通過“TimeLiner”命令，可以實現項目進度管理，以動畫的形式展示建筑從開始到竣工的完成情況；通過“Quantification”命令可以實現模型算量的工作，為工程預算提供技術支持，最終完成由Revit單個建模軟件到Navisworks集成模型的整體創建，實現項目進度與成本相融合的管理。

3.3 基于Revit軟件的裝配式建筑施工成本管控應用

3.3.1 場地布置

施工現場平面布置至關重要，涉及總圖區域的劃分，對辦公區、生活區、施工區能否獨立開展工作具有重要意義。利用Revit創建場地管理，依據前期的勘測，通過數據的整合，建立場地模型，將生活、學習等各區域劃分[12]。對場地的材料區、塔吊區域等進行規劃，對施工道路等進行合理布置。通過運用Revit的三維可視化技術為三維場布提供有效的技術支持，讓施工布置呈現三維視覺直觀、清晰，有助于發現不合理之處，以便盡早整改。

3.3.2 安全管理

安全管理是施工生產的第一重要環節，是保障人員安全生產、維護社會穩定的重要內容。Revit建模過程中，利用插入貼附在建筑模型表面的圖片以及可實現安全標識的標記，對于“五洞口，四臨邊”的防護可以添加各種各樣的護欄，對于一些大型施工機械可以添加必要的維護信息，方便管理人員及時查詢和維修，避免因機械維護問題發生機械傷人事故。除此以外，對于一些危險物品的管理，實施指定拿取管理制度，并通過明細表功能進行統計，做到實時更新數據。

3.3.3 技術交底

傳統的技術交底主要依托二維的施工圖紙開展，但圖紙比較抽象而不夠直觀，通過BIM技術的應用不僅可以實現三維技術交底，還可以動畫模擬整個施工過程，達到清晰直觀、便于理解的效果，從而更好地指導施工，如圖2展示預制墻體的吊裝工藝。

圖2 預制墻體吊裝

3.4 基于Navisworks軟件裝配式建筑施工成本管控應用

3.4.1 算量管理

項目在算量方面，可以通過Naviswoks建筑施工模型實施算量管理[13]，主要利用Quantification工作簿完成。在系統中創建“項目目錄”“資源目錄”，根據目錄對模型構件制定WBS規則及自行添加構件編碼。項目目錄編制可以按照不同級別分類，材料可以根據不同厚度、長度等劃分。另外，資源目錄針對該項目建造過程中所需要的材料進行劃分，如混凝土、鋼筋、磚、水泥砂漿、玻璃等，建立建筑信息模型資源數據庫。當完成項目目錄和資源目錄之后，還需要進行計算規則的映射、特性映射，把構件中的參數與Naviswoks本身的名稱進行對應，此映射屬于全局映射，也可以在項目目錄中找到項目映射規則進行單獨設定。隨后通過選擇模型中的具體構件，將其拖拽到相應的清單條目，使得構件與項目目錄相關聯，即可統計出工程量，并可將最終結果導出至Excel表格中。

3.4.2 物料管理

二維碼技術在物料管理中的使用已較為普遍，管理者通過手機掃二維碼即可查詢所需信息。裝配式構件在生產廠家生產完畢之后運輸到施工現場，能夠讓施工人員準確定位到每個構件具體位置，二維碼技術與BIM技術的應用可謂功不可沒。可通過BIM模型準確定位到每個裝配式構件，并注明該構件所需信息，如項目名稱、構件名稱、物料編碼、S/N號、砼強度、砼體積、生產日期、質檢員等信息，利用二維碼生成器生成該構件的二維碼，將信息與二維碼作為一個文檔以鏈接的方式關聯到模型構件，便于BIM管理人員調取資料；還可將二維碼打印出來貼附在構件上，施工人員通過手機掃碼即可查詢該構件的定位。

3.4.3 進度管理

進度管理是施工管理的重要組織內容，滯后的進度會嚴重影響工期，增加成本投入，不利于成本管控。利用Navisworks的TimeLiner實現項目進度模擬和管理[14]，通過編制橫道圖計劃或者導入Project文件，將模型構件與任務選擇集關聯，并對提前、正常、滯后3種進度情況標記不同的顏色，通過動畫形式即可清晰展現項目的進度情況，便于決策人員調整施工方案。

3.4.4 碰撞檢查

碰撞檢查主要針對管綜與結構、管綜與管綜之間的碰撞沖突問題，傳統的二維圖紙由于各專業設計師彼此獨立設計，并沒有形成協同作業模式，其各專業整合一起時可能會出現碰撞沖突問題，給施工造成很大困擾，易導致材料浪費，從而影響工期，最終增加施工成本。利用Revit碰撞檢查和Navisworks的“Clash Detective”功能，可以實現各專業之間的碰撞檢查，并出具碰撞檢查報告，以便設計院進一步復核和調整，如圖3所示。

圖3 碰撞檢查

4 基于BIM技術裝配式建筑施工成本管控保障措施

在BIM技術的實際應用過程中總會存在各種各樣的問題，如人員分工不明確、標準不統一、數據信息丟失、軟件異常情況等，這些都影響了實施效果，給實際工作造成很大阻礙。為此，必須根據實際情況制定相應對策和保障措施，以便讓BIM技術更好地指導施工，從而降低成本，提高經濟效益。

4.1 完善制度，明確分工

項目應用BIM技術過程中應實行項目經理制，以BIM經理統籌BIM技術實施，實際建造責任由項目經理落實，虛擬建造責任由BIM經理落實，并受到項目經理的管理和協調。BIM建模、BIM應用應由專員負責，同時配有專門協調員，處理現場與模型的溝通協調問題。與此同時，項目內部的一些制度，如考勤制度、文明施工制度、安全生產制度、保衛制度等，應與BIM技術充分融合并進一步完善和修訂，確保BIM技術應用能夠獲得最大效益。

4.2 制定標準，協作統一

應針對BIM建模和應用制定統一，有效的項目標準是制定企業標準的重要依據。參照的項目標準ISO、IFC等國際標準，適應國內應用思維和習慣，結合項目本身應用條件制定應用流程和策略，以便更好的實施及推廣BIM技術，擴大BIM技術的應用范圍。

4.3 共享數據，安全保密

由于施工過程中參與方較多，且不同的人員分工不一，既需要一定的數據共享，也要建立好安全保密機制。盡量實現局域網內的協同作業，或采用加密的移動存儲設備進行數據傳遞，并做好備份工作，以便保證數據完整且保密不丟失。

4.4 人才培養，提升創新

BIM技術在國內發展還不成熟，有很多應用領域有待挖掘與探索。一是需加強人才的培養，通過定期開展技能培訓，鼓勵員工大膽創新。二是進一步加強信息化技術在施工領域中的應用，降低成本，提高效率，提升企業在行業的競爭力。

4.5 經費投入，持續穩定

加強項目績效管理，適當對BIM技術的應用進行經費的支持，一方面對設備性能的升級，另一方面對員工的業績的肯定和鼓勵，保障團隊作業持續穩定。

5 結語

居高不下的成本問題一直是困擾建筑裝配式技術發展的重要因素，而能否解決成本問題直接決定了裝配式建筑工程的規模、質量、周期以及普及程度，是這項技術成功的關鍵所在。隨著中國科技的發展和管理水平的提高，BIM技術應用在建筑裝配式領域已然成為一種趨勢。通過運用BIM技術在施工階段所建立的成本控制體系、BIM施工模型及項目管理技術，驗證BIM技術在工程項目成本控制中的可行性，為降低裝配式建筑建造成本提供了一種實用方法。