BIM技術在裝配式混凝土預制構件制造中的應用★

韓 超，吳金花

(河北水利電力學院土木工程系，河北 滄州 061000)

BIM是Building Information Modeling(建筑信息模型)的縮寫，是一種空間三維信息模型，動態、直觀、立體地反映建筑全方位的信息形象(亦有把時間、成本等視作維度，稱其為四維或五維的)。BIM技術指的是用這一信息模型作為數據化工具，整合項目的各種信息，并在項目的全周期中共享，搭建各階段協同工作的公共平臺。

裝配式混凝土建筑是實現建筑工業化的重要途徑[1]，其與傳統的現澆混凝土建筑相比最大的不同是大量的構件在工廠預制完成，現場作業則主要為裝配施工。裝配式建筑對設計、構件生產、現場施工和運行維護等各個階段的相互協調的要求很高。

將BIM技術應用于裝配式混凝土建筑可以優化工程各環節的銜接，有助于實現建造的數字化和智能化。2020年7月，住房和城鄉建設部、國家發展改革委、科技部等13部門聯合印發了《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，其第一項重點任務——加快建筑工業化升級中明確指出“大力發展裝配式建筑，……在建造全過程加大建筑信息模型(BIM)……等新技術的集成與創新應用”[2]。這標志著BIM技術與裝配式建筑這一組合開始由探索期轉入推廣期。然而，目前國內的BIM技術在裝配式混凝土中的應用研究和實踐多見于項目管理、設計以及現場施工等方面[3]，對BIM技術應用于預制構件生產的研究工作較少。研究基于BIM的預制構件制造技術對推動BIM技術在裝配式混凝土建筑中的應用有重要意義[4]。

1 BIM構件模型庫

目前，國內的裝配式混凝土建筑的設計準則是“等同現澆”，設計單位通常先進行整體設計然后拆分設計構件，這樣拆分出的構件往往存在種類多、構造復雜的特點，設計工作量大又不利于預制構件實現標準化。而利用BIM技術可以實現一種模塊化的設計方法：預制構件生產企業根據其生產能力、生產技術特點和現行標準規范，通過BIM軟件的相關功能建立預制構件模型庫，并通過項目的BIM協同平臺提供給設計單位。設計單位在進行預制構件設計時，可以直接選擇構件庫中的模型或在其基礎上修改，這就大大減小了設計工作量，也更易于實現設計標準化。目前，常用的BIM建模軟件主要有Revit，Bentley ArchiCAD，CATIA，天正，廣聯達等，預制構件模型庫示例如圖1所示。

2 預制構件編碼

預制構件生產企業得到設計單位提供的構件設計后，運用BIM技術對預制構件進行生產管理，記錄構件全過程數據信息，這就要求每一構件必須有獨立編碼[5]。需要注意，構件信息需要在項目的BIM協同信息平臺上進行共享和傳遞，所以構件的編碼不僅用于構件的生產管理，也用于設計和裝配施工等各階段。在項目的全過程中，每一構件的編碼應該是統一的。構件分類和編碼，應結合構件的構造、生產工藝及應用特點，在項目構件庫建立的同時，由設計單位會同構件生產企業來進行。通用構件編碼采用3層結構，三個層次分別代表構件類型、構件名稱、構件尺寸，如圖2所示。具體項目中，可結合實際要求在此基礎上進行擴展，例如后加注混凝土強度等級等。

編碼之后，構件生產企業就可以在項目BIM協同平臺中共享項目的預制構件數據，并將BIM構件數據及RFID(Radio Frequency Identification)信息同步。后續生產時，在相應構件的首道工序中嵌置RFID芯片，以便于后續生產和施工時在構件實體上調取信息。

3 預制構件生產工藝設計

目前預制構件的生產工藝主要有固定模工藝和流水線工藝，雖然兩種工藝在模具方案和自動化程度方面有一些區別，但其工藝設計的內容和過程是類似的。預制構件生產工藝設計是構件生產企業制作構件的依據，其內容主要包括：1)建筑、結構、水電暖、設備等各專業設計匯集；2)構件的生產工序設計；3)構件脫模設計；4)吊點設計；5)構件的倉儲和堆放設計等。

在各專業設計匯集時，構件生產企業可以通過項目的BIM協同平臺調取各環節對各預制構件的要求，要確保無遺漏的反映在生產工藝設計中。工序設計指的是鋼筋加工和綁扎、模板和預埋件安裝、混凝土澆筑和養護等的設計。工序設計時，利用構件的BIM模型復核預埋件及鋼筋的位置，用BIM軟件的碰撞檢測功能檢測預埋件與鋼筋是否存在位置沖突，是否距離過近影響混凝土的澆筑和振搗施工，如有則需對原構件設計進行調整。構件脫模設計時，按所編制脫模順序，用BIM模擬脫模過程，檢測是否有無法脫模或不易脫模的位置，如有則需調整模具設計方案。吊點設計和堆放設計時，主要考慮的是索具、支撐及構件本身的承載能力和變形驗算，然后用BIM技術進行吊運和堆放空間的模擬與檢測。

4 預制構件生產管理

基于BIM和RFID技術設計的預制構件生產管理和控制流程主要包括利用協同平臺進行生產計劃制定和優化、技術交底和生產任務的布置、構件生產即時追蹤和構件質量檢測等。

4.1 生產計劃

根據所在工程項目的總進度要求、構件生產企業的產能和預制構件的生產工藝等編制生產計劃，包括構件生產的進度計劃、生產班組織計劃、機械設備計劃和模具的周轉方案、構件物料配置計劃、倉儲和出廠計劃等。另外，編制生產計劃調整預案，以針對可能的突發問題利用預留產能和優化算法調整生產計劃。生產計劃導入BIM協同平臺里，以供后續的生產任務布置和生產即時追蹤時加以利用。

4.2 技術交底和生產任務布置

在每種新的預制構件生產前，利用BIM的三維可視化模型進行技術交底；在各工序銜接段，根據生產計劃和構件生產即時追蹤結果，協同平臺自動向技術人員和工人布置當前的生產任務以及相應的技術資料。例如，平臺通過RFID追蹤到鋼筋籠和預埋件安裝工作完成，則自動布置混凝土攪拌和澆筑的任務，并同時發送配套的BIM模型和物料清單表。技術交底和生產任務布置時，應基于“一模型通”原則。所謂“一模型通”，就是對于每種構件提供該構件的完整模型，在該模型上可以調取生產所需的各種信息，不要讓技術人員和工人在不同的模型或圖樣去查詢同一構件信息。利用BIM技術模擬構件制作過程，并導出視頻供技術交底使用。

4.3 生產即時追蹤

生產過程中，利用BIM和RFID 技術進行預制構件生產即時追蹤。其中，RFID 技術用于預制構件即時追蹤的識別，而BIM用于將追蹤到的生產信息以模型和圖標展示出來并加以顯示和應用。選用RFID技術進行識別，可以避免因為預制構件的生產過程中的污損、蒸汽養護工序高溫高濕等無法貼近讀寫的問題[6]。追蹤過程主要涉及生產工序、信息識別記錄、信息集成和管理三個環節。識別預制構件信息的時間節點包括：生產開始、鋼筋綁扎結束、模具安裝完畢、混凝土澆筑完畢、蒸汽養護開始、構件脫模、構件入庫、構件出廠時。

4.4 預制構件質量檢測

預制構件質量檢測項目主要有各類構件的外觀質量、尺寸偏差、裝飾層、保溫層、防水和粗糙面的質量等。其中，尺寸偏差是影響結構性能和安裝、使用功能的主要因素。構件尺寸偏差傳統的檢測方法是人工量測，檢測數據主要通過鋼尺、靠尺、塞尺等測量工具進行實體測量得到。人工量測耗時多，易產生誤差。

可利用BIM技術聯合3D激光掃描技術對構件的尺寸偏差進行快速、精確的檢測。在BIM-3D激光掃描檢測系統中，BIM模型參數結合具體項目要求的檢測指標和合格標準，確定各構件的檢測規范，標定其檢測屬性，整合設計參數和合格標準參數，建立合格條件數據庫，為系統自動判定構件的尺寸偏差合格與否提供數據基礎。激光掃描檢測后，系統自動比較構件設計值與實際值，判斷誤差是否滿足合格條件，完成構件尺寸偏差檢測。檢測的結果通過編碼方式存在BIM模型中。同時，也可以用該技術檢測構件的外觀質量，發現表面缺陷。該檢測技術具有效率高、精度高、信息化、智能化的特點，更適于裝配式混凝土建筑發展的需要。上述基于BIM的預制構件生產管理過程如圖3所示。

5 結語

BIM參數模型可以整合建筑項目的各種信息，為項目策劃、設計、制作、施工、運行和維護的全生命周期提供協同工作的基礎，不僅在生產效率、成本和工期方面發揮重要作用，而且為實現智能化建造提供了技術基礎。BIM技術應用于預制構件制造，是其中不可或缺的中間環節，這一環節中能夠最大程度的體現裝配式建筑的優勢，并且也直接影響BIM在設計、施工等其他階段的應用。隨著裝配式建筑的發展，其將成為各預制構件生產企業的必由之路。