裝配式建筑集成項目交付應(yīng)用框架研究*

潘 捷，李松陽，李志勇，吳 方，馬智亮

(1.北京建工地產(chǎn)有限責任公司，北京 100101；2.清華大學(xué)土木工程系，北京 100084；3.北京建工集團有限責任公司，北京 100055)

0 引言

裝配式建筑和傳統(tǒng)建筑相比, 具有質(zhì)量好、施工效率高、浪費少及環(huán)境友好等優(yōu)點[1-4]。在中國政府的推動和房建企業(yè)的落實下, 裝配式建筑已成為中國建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢之一。2020年，全國新開工裝配式建筑共計6.3億m2，較2019年增長50%，占新建建筑面積的比例約為20.5%，完成了《“十三五”裝配式建筑行動方案》確定的到2020年達到15%以上的工作目標[5]。

裝配式建筑中的部分預(yù)制部品部件由工廠加工生產(chǎn)，再運輸至施工現(xiàn)場進行安裝，因此，和傳統(tǒng)建筑相比，其建造過程更為復(fù)雜，項目參與方更多樣，運用合理的項目交付模式來組織項目各參與方的交流和合作，打通各建造階段的協(xié)同工作，對裝配式建筑項目的綜合效益具有重要影響。

現(xiàn)階段，我國建筑工程最常采用的項目交付模式是傳統(tǒng)的設(shè)計-招標-建造(design-bid-build，DBB)模式。在DBB模式下，一方面，項目各參與方利益目標不統(tǒng)一，很難高效協(xié)同工作；另一方面，設(shè)計和生產(chǎn)及施工割裂，即設(shè)計階段不會考慮生產(chǎn)階段和施工階段可能存在的問題，設(shè)計成果難以達到最優(yōu)。對傳統(tǒng)建筑而言，設(shè)計階段的疏漏或失誤，會對施工階段的可施工性等造成影響，其結(jié)果最終體現(xiàn)為返工和設(shè)計變更，一方面會造成施工成本的增加，另一方面也會延長施工工期。對于裝配式建筑，如果設(shè)計階段未能充分考慮生產(chǎn)和施工的需要，除了會引起返工和設(shè)計變更外，還可能增加生產(chǎn)完成的預(yù)制部品部件無法使用而不得不重新生產(chǎn)的風(fēng)險，這樣會造成巨大的浪費和損失。

集成項目交付(integrated project delivery，IPD)模式起源于發(fā)達國家的一種新興項目交付模式，其核心原則之一是要求項目主要參與方早期參與設(shè)計，有助于解決傳統(tǒng)DBB模式設(shè)計和生產(chǎn)施工割裂的問題，也因此適合應(yīng)用于裝配式建筑項目[6]。按照IPD原則的要求，在裝配式建筑設(shè)計階段，生產(chǎn)方、施工方等項目參與方要參與設(shè)計，為設(shè)計工作出謀劃策，優(yōu)化設(shè)計成果，以減少后續(xù)生產(chǎn)和施工階段潛在的問題。如施工圖設(shè)計時，施工方可從施工性角度提出意見建議；設(shè)計預(yù)制部品部件拆分時，生產(chǎn)方從預(yù)制部品部件生產(chǎn)標準化的角度提出意見建議；深化設(shè)計預(yù)制部品部件時，施工方從預(yù)制部品部件現(xiàn)場易安裝的角度提出意見建議。項目多參與方協(xié)同工作，有利于裝配式建筑設(shè)計成果達到精益求精，為后續(xù)建造階段提供高質(zhì)量、可信賴的生產(chǎn)施工依據(jù)。但對于如何在裝配式建筑項目中IPD應(yīng)用及應(yīng)用效果如何，迄今仍缺乏相關(guān)研究和實踐。

本研究結(jié)合我國工程實際，提出了一種具有可行性、可操作性和先進性的裝配式建筑IPD應(yīng)用框架，明確裝配式建筑設(shè)計階段的協(xié)同工作流程及施工階段對相關(guān)技術(shù)手段的要求。

1 IPD及其核心原則

根據(jù)2003年Kent，Becerik-Genber的問卷調(diào)查結(jié)果，被業(yè)內(nèi)最廣泛接受的IPD的定義是美國建筑師協(xié)會(American Architects Associate，AIA)在其2007年發(fā)布的IPD指導(dǎo)手冊中給出的[7]。AIA將IPD定義為一種將商業(yè)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、實踐與人員集成至項目實施過程中，充分利用每個項目參與方的知識和遠見，達到優(yōu)化項目執(zhí)行結(jié)果，提升項目對于建設(shè)方的價值，在制造和建造等項目實施各個階段中減少浪費和提高效率的目的的項目交付模式[8]。

IPD通過合同約束將項目各參與方組合成為收益共享、風(fēng)險共擔的利益共同體。在該前提下，其核心原則之一為：要求項目主要參與方在項目早期即參與項目設(shè)計，共享己方智慧和經(jīng)驗，通過協(xié)同工作來完成精益求精的設(shè)計成果。在執(zhí)行效果上，雖然項目多參與方協(xié)同設(shè)計會相應(yīng)延長設(shè)計周期，但在精益求精的設(shè)計成果指導(dǎo)下，施工階段的返工和設(shè)計變更將顯著減少，施工工期和成本也會顯著降低。在Kent，Becerik-Genber所調(diào)研的IPD項目中，70.3%項目實現(xiàn)了成本節(jié)約，59.4%項目成功縮短了工期[7]。除了設(shè)計階段的協(xié)同工作之外，在生產(chǎn)和施工階段，相比于傳統(tǒng)項目交付模式，IPD還要求加強對于進度計劃的管理及使用先進的技術(shù)輔助項目管理[9]。

2 裝配式建筑IPD應(yīng)用框架

由于缺少完善的法律和制度支撐、先進的技術(shù)平臺支持和成熟的理論指導(dǎo)，IPD現(xiàn)階段在我國還難以真正落地[10]。如IPD要求在項目初期確定各主要參與方，但我國固有的招投標流程則要求必須先有施工圖才能進行施工招投標，這與個別IPD核心原則相悖。為此，本研究結(jié)合我國裝配式建筑實際發(fā)展情況，盡可能滿足前文所述的IPD核心原則，建立了裝配式建筑IPD應(yīng)用框架，該框架包含3個關(guān)鍵要素：設(shè)計階段進行多參與方協(xié)同設(shè)計及協(xié)同深化設(shè)計、施工階段基于末位計劃系統(tǒng)進行進度管理、全過程應(yīng)用建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)。

2.1 多參與方協(xié)同設(shè)計及協(xié)同深化設(shè)計

裝配式建筑傳統(tǒng)設(shè)計流程是線性的，即設(shè)計階段由設(shè)計方獨立完成施工圖設(shè)計，圖審?fù)ㄟ^后進行生產(chǎn)方和施工方的招投標，生產(chǎn)階段由生產(chǎn)方獨立完成預(yù)制部品部件深化設(shè)計，施工階段由施工方獨立完成施工措施深化設(shè)計。該流程中，設(shè)計工作并非在設(shè)計階段全部完成，而是被分散至不同階段，且各個階段相對割裂，缺乏協(xié)同。

基于IPD項目主要參與方早期參與設(shè)計的核心原則，本研究首先提出初步方案，再與裝配式建筑項目管理專家確認其可行性，經(jīng)反復(fù)迭代，建立裝配式建筑多參與方協(xié)同設(shè)計及協(xié)同深化設(shè)計流程(見圖1)。通過該協(xié)同設(shè)計及協(xié)同深化設(shè)計，設(shè)計成果將不斷被優(yōu)化，從而減少后續(xù)生產(chǎn)和施工階段潛在的構(gòu)件出錯需重新生產(chǎn)、返工及設(shè)計變更等風(fēng)險。下面從時間節(jié)點、項目參與方、實施過程、協(xié)同工作平臺4個方面對該流程進行闡述。

圖1 裝配式建筑多參與方協(xié)同設(shè)計及協(xié)同深化設(shè)計流程

2.1.1時間節(jié)點

裝配式建筑多參與方協(xié)同設(shè)計及協(xié)同深化設(shè)計應(yīng)在施工圖圖審后、預(yù)制部品部件生產(chǎn)和施工開始前進行。一方面受限于我國固有的招投標流程，無法在項目初期就確定各主要參與方；另一方面是生產(chǎn)方和施工方過早參與設(shè)計所能發(fā)揮的價值有限。在施工圖圖審之后，可確定生產(chǎn)方和施工方，由于裝配式建筑項目的地下部分和地上首層部分一般不涉及裝配式構(gòu)件，可以率先開始施工，而在此時間段內(nèi)，則有時間和條件進行裝配式建筑多參與方協(xié)同設(shè)計及協(xié)同深化設(shè)計。雖然，此時施工圖已基本確定，但只要預(yù)制部品部件還未開始生產(chǎn)和施工，就有機會進行協(xié)同優(yōu)化。

2.1.2項目參與方

裝配式建筑多參與方協(xié)同設(shè)計及協(xié)同深化設(shè)計應(yīng)由建設(shè)方牽頭，由設(shè)計方、生產(chǎn)方和施工方協(xié)同配合來落實具體工作。另外，基于IPD的協(xié)同工作涉及多參與方、多專業(yè)領(lǐng)域，為保證各方之間高效的交流協(xié)作，BIM技術(shù)必不可少，即所有的協(xié)同設(shè)計工作和各方之間的交流均應(yīng)以BIM模型為媒介。考慮到當前國內(nèi)部分設(shè)計單位和構(gòu)件廠不具備BIM建模和應(yīng)用能力，在整個過程中引入BIM咨詢方，專門負責根據(jù)施工圖建立BIM模型，并給予BIM方面的技術(shù)指導(dǎo)。

2.1.3實施過程

裝配式建筑多參與方協(xié)同設(shè)計及協(xié)同深化設(shè)計應(yīng)采取的實施過程如下。

1)團隊組建 建設(shè)方牽頭項目各參與方組建IPD團隊，并向各團隊成員明確其工作任務(wù)和職責。

2)BIM建模 BIM咨詢方根據(jù)已通過圖審的施工圖建立對應(yīng)的包括建筑、結(jié)構(gòu)、機電、暖通、給排水等多專業(yè)BIM模型。如果設(shè)計方具備BIM建模和應(yīng)用的能力，該工作可由設(shè)計方直接完成。

3)設(shè)計方自查 設(shè)計方在BIM模型上進行設(shè)計自查，自查內(nèi)容包括多專業(yè)碰撞檢查及潛在的設(shè)計漏洞等，并對發(fā)現(xiàn)的問題進行及時整改。

4)生產(chǎn)方和施工方模型研判 生產(chǎn)方和施工方分別從己方角度出發(fā)，對BIM模型進行評價并提出設(shè)計優(yōu)化建議。如生產(chǎn)方可以考慮自身預(yù)制部品部件生產(chǎn)模臺尺寸的限制，對BIM模型中預(yù)制部品部件的拆分和模數(shù)協(xié)調(diào)提出建議，以使得生產(chǎn)階段所有預(yù)制部品部件均能正常生產(chǎn)，并能最大程度地發(fā)揮生產(chǎn)線生產(chǎn)效率；施工方可以考慮自身施工機具的限制，如塔式起重機最大起重量，對預(yù)制部品部件拆分提出建議，以使得施工階段在保證所有預(yù)制部品部件能正常吊裝的前提下，所選用的施工機具最經(jīng)濟合理。

5)設(shè)計成果修改 設(shè)計方根據(jù)上一步中生產(chǎn)方和施工方反饋的設(shè)計優(yōu)化建議，對BIM模型進行優(yōu)化修改。對于一般項目，該研判修改僅進行1輪即可得到相對優(yōu)化的方案；對于復(fù)雜項目，該研判修改可以循環(huán)進行多輪，直至達到各方均認可的優(yōu)化方案。

6)部品部件深化設(shè)計 生產(chǎn)方在優(yōu)化后的BIM模型基礎(chǔ)上，進行預(yù)制部品部件深化設(shè)計，建立深化設(shè)計模型。

7)部品部件深化設(shè)計研判 施工方從預(yù)制部品部件吊裝施工的角度，對預(yù)制部品部件深化設(shè)計提出優(yōu)化建議。如考慮塔式起重機吊裝的需求，預(yù)制部品部件中應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的預(yù)埋件等。

8)部品部件深化設(shè)計修改 生產(chǎn)方根據(jù)上一步中施工方反饋的優(yōu)化建議，對預(yù)制部品部件深化設(shè)計進行修改。同樣，根據(jù)項目復(fù)雜程度不同，該研判修改過程可以進行1輪或多輪。

9)施工措施深化設(shè)計和施工實施文件編制 施工方以前面協(xié)同設(shè)計得到的設(shè)計BIM模型和預(yù)制部品部件深化設(shè)計BIM模型為基礎(chǔ)，進行施工措施深化設(shè)計，并利用BIM技術(shù)，完成施工組織設(shè)計和施工方案編制。

在以上協(xié)同設(shè)計和協(xié)同深化設(shè)計實施過程中，建設(shè)方應(yīng)全程跟進追蹤，及時協(xié)調(diào)解決各參與方之間的矛盾沖突；BIM咨詢方也應(yīng)全程參與，為各參與方提供BIM技術(shù)解決方案。

2.1.4協(xié)同工作平臺

裝配式建筑協(xié)同設(shè)計和協(xié)同深化設(shè)計過程可能存在循環(huán)迭代式的工作過程，即針對同一設(shè)計成果進行反復(fù)優(yōu)化，因此，同一設(shè)計成果就會存在多個不同版本，如何對版本進行高效有序的管理對于裝配式建筑協(xié)同設(shè)計和協(xié)同深化設(shè)計過程的執(zhí)行至關(guān)重要。此外，在利用BIM模型作為協(xié)同工作信息交流媒介的同時，如何對信息進行高效傳遞和管理，使正確信息在正確時間傳遞給正確的人也是需要解決的關(guān)鍵問題之一。因此，裝配式建筑協(xié)同設(shè)計和協(xié)同深化設(shè)計需基于線上的適配其工作流的協(xié)同工作平臺來實施[11]。

2.2 基于末位計劃系統(tǒng)的施工進度管理

IPD核心原則之一為要求加強進度計劃管理，其中所使用的重要技術(shù)手段之一為末位計劃系統(tǒng)(last planner system，LPS)[11]。傳統(tǒng)進度計劃方法為推式計劃方法，依靠上層計劃時間節(jié)點去推動下層計劃的編制和執(zhí)行，不能充分考慮下層計劃中任務(wù)執(zhí)行所需滿足的前置條件，如緊前任務(wù)、資源約束等，容易造成計劃和實際偏離。LPS為拉式計劃方法，采用多級動態(tài)交互的方式制定計劃，制定下層計劃時充分考慮當前進度計劃的實際完成情況，確定最合理的任務(wù)順序和工作時間，確保任務(wù)開始前的一切前置條件均已滿足，從而減少進度計劃的不確定性，增強其可靠性[12]。

傳統(tǒng)建筑施工一般以各施工段的分項工程為單位，所編制的進度計劃較為粗糙；而裝配式建筑施工則是以預(yù)制部品部件為單位，需要編制精細到預(yù)制部品部件級的進度計劃，充分考慮不同部品部件吊裝的先后順序及吊裝與其他工序的交叉配合[13]。LPS思想與該精細化進度計劃管理的需求相契合，因此，在裝配式建筑施工過程中，宜基于LPS進行進度計劃的編排和管理，減小預(yù)制部品部件級施工的不確定性，提升施工效率。

2.3 全過程BIM技術(shù)應(yīng)用

在IPD項目中，僅靠二維圖紙已不能滿足多參與方協(xié)同工作和信息交流的需要，必須應(yīng)用BIM技術(shù)[10]。如前文所述，在裝配式建筑協(xié)同設(shè)計和協(xié)同深化設(shè)計過程中，始終以BIM模型作為信息載體。在生產(chǎn)和施工階段，同樣應(yīng)使用BIM技術(shù)作為提升生產(chǎn)力的工具。如設(shè)計階段進行基于BIM技術(shù)的多專業(yè)模型碰撞檢查和建筑性能分析，生產(chǎn)階段進行基于BIM技術(shù)的預(yù)制部品部件深化設(shè)計和自動化生產(chǎn)加工，施工階段進行基于BIM技術(shù)的施工模擬和預(yù)制部品部件虛擬預(yù)拼裝。

3 調(diào)研驗證

為驗證所建立的裝配式建筑IPD應(yīng)用框架，本研究對北京建工李遂安置房項目進行了調(diào)研。在對20余名各參與方人員系統(tǒng)性講解IPD和裝配式建筑IPD應(yīng)用框架后，各參與方人員對該框架進行了充分討論，并提出了相應(yīng)意見，所提出的意見均已在本研究中落實。經(jīng)過修改后，各參與方人員一致認為，本研究所建立的裝配式建筑IPD應(yīng)用框架有助于解決當前項目交付模式下裝配式建筑建造中存在的問題，且各參與方有意愿和條件來執(zhí)行該框架。因此，該框架具有先進性和可操作性。

4 結(jié)語

本研究結(jié)合我國裝配式建筑發(fā)展現(xiàn)狀，基于IPD核心原則，建立了裝配式建筑IPD應(yīng)用框架，該框架要求在設(shè)計階段進行多參與方協(xié)同設(shè)計和協(xié)同深化設(shè)計，以消除后續(xù)生產(chǎn)施工階段潛在的預(yù)制部品部件重新生產(chǎn)、返工和設(shè)計變更；在施工階段基于末位計劃系統(tǒng)進行進度管理，提升進度計劃的可靠性；全過程使用BIM技術(shù)作為協(xié)同工作的輔助工具。對實際工程項目和相關(guān)參與方人員的調(diào)研表明，所建立的框架具有先進性和可操作性，對IPD應(yīng)用于我國裝配式建筑項目具有指導(dǎo)意義。