嶺南古建筑裝配式一體化BIM算量方法研究*

林凱鑫 龍永焯 陳伯科

（廣州市房屋開發建設有限公司，中國 廣州 510030）

1 背景

伴隨著鄉村振興等政策的提出，嶺南傳統建筑風格在風景區、傳統歷史街區大量使用。這種風格建筑的建造目前主要采用現場濕作業方式，建造周期長、環境污染大，標準化程度低。裝配化建造是實現綠色建造的重要導向，國內外關于古建筑裝配式的研究相對較少，主要體現在構配件的預制加工方面。近年來，BIM技術在建筑裝配化的應用已經成為趨勢，特別是在算量和裝配式生產方面，如呂淑萍在裝配式混凝土的增量成本研究中對裝配式建筑進行了BIM自動化算量探索[1]；蔣博雅等人通過研究裝配式建筑的工程量，利用研發外部模塊技術導出構件的工程量信息[2]；張春影等利用revit構件模型技術，證明使用BIM建模軟件可以同步和直觀的計算工程量[3]；Ke C等人通過開發建造信息建模系統，收集裝配式過程的信息，提高預制裝配式的建造效率[4]。綜上可見，目前BIM在裝配式建造及其算量方面的探索主要集中在局部技術的應用實現方面，缺乏項目全生命周期應用和技術視覺，這在一定程度上限制了該技術的應用效能。本文將根據裝配化建造全生命周期流程特點，探討嶺南古建筑裝配式一體化BIM算量方法。

2 問題討論

古建裝配化建造一般為五個階段，其中前期策劃和整體設計階段需要考慮古建樣式選型和標準化構件搭接等問題，而后期的生產加工與現場裝配需要考慮生產廠家和安裝班隊的工作協調，到了運維使用階段，則要考慮構件維修拆裝管理。目前一方面由于裝配式社會化協作體系不夠完善，另一方面缺乏有效的數字技術載體，加之階段和工種之間的操作割裂，導致大量重復工作浪費以及數據孤島的現象。基于這種應用需求，BIM一體化模型技術應運而生，這種技術是指在項目開展過程中通過BIM參數化和聯動化的技術機制實現設計建模修改、方案推敲、算量以及出圖聯動的BIM集合技術。嶺南古建具有風格淡雅，空間和構件組合靈活多變的特點，過程需要頻繁的構件搭建、推敲、算量評估，采用BIM一體化模型技術能有效利用該風格建筑構件標準化特點，通過BIM一體化模型搭建，實現項目推進過程中各種工程輔助并行開展，減少數據交換的誤差。

3 技術方法和關鍵技術

3.1 BIM一體化模型技術與管控方法

BIM一體化模型是指能在同一技術載體上實現項目多種門類工程應用的BIM集成化數字模型，具有完備性、關聯性和一致性的特點[5]。這種技術不僅能在項目的前期策劃、整體設計、算量出圖等場景中應用，在后期生產安裝以及運維階段也可以作為數據管理的技術載體持續更新使用。該技術的實現目前主要依托以下三個途徑：

3.1.1 系統內部集成技術

利用BIM系統本身的參數化和聯動化技術機制開展相關工程化制作，實現操作的關聯和信息的準確傳遞與共享，具體可劃分為幾種典型技術：①系統自身數據庫結構關系和功能，如幾何模型與非幾何信息的關聯、模型與后臺算量的關聯、模型與視圖的關聯等；②面向對象數據模型，建立具有狀態和行為兩部分的工程項目數據模型，相同屬性的對象構成一個類，父類與子類構成類層次，從而應用族類型建立模型信息庫。③參數化集成技術，將設計要求、原則、方法和結果用靈活可變的參數來表示，在人機交互過程中根據情況隨時更改，提高設計效率和質量。將三維模型的相關經濟、技術指標信息集成一體，得出完整統一的建筑信息模型。

3.1.2 系統外部交接技術

這種是指通過BIM系統之間數據交互技術來支撐項目過程的數據信息交互，其交互能力主要體現為數據遷移以及數據共享。以常用的核心建模平臺Revit為例，圍繞這種操作平臺，設計數據信息交互的方法可以包括：①以API接口調用建模平臺的數據，如用Dynamo等節點式編程技術，調取數據形成新的數據表；②采用中間數據格式的轉換技術；③以IFC為數據交換標準建立基于面向對象的數據模型體系，模型中包含材質、幾何及關聯屬性等信息，此IFC格式的文件導入不同軟件即可讀取其中的主要模型數據信息。

3.1.3 二次開發

在現有技術上通過調用外部命令的程序接口API進行個性化需求拓展和修改軟件功能。如IsBIM、新點、斯維爾等。以Revit為例，使用Revit API進行二次開發，主流的方式有“C#+Revit”及“Dynamo結合Revit”兩種開發模式。其中Dynamo作為一款開源插件可實現開發功能的各種建造節點以及用戶自制建造節點的開發需求，適用于專業性功能開發，如繪制算量清單，利用BIM數據直觀處理與分類管理的特性，提高工程算量的工作效率[6]。

以上三種技術路線中，第1種無疑使用頻次最高，它利用軟件自身功能實現各種工作的聯動；第2種是第1種應用的補充，適合臨時性的算量數據表生成；第3種適合個性化功能定制，對于嶺南古建裝配式比較成熟的算量或者數據分析可以進行這種定制。

依托上述的BIM一體化模型技術，以古建筑裝配式模型為工作核心，通過預先建立的標準構件族庫，實現項目的快速搭建，并將預制裝配圖內嵌至BIM模型之中，輸出二維矢量圖紙、三維實體模型及構件明細等數據，從而實現古建筑設計、工程出圖、材料構件下單等工作內容聯動。然而由于需要多種數據有效聯動，這不僅依靠技術，同時還需要科學的管控方法，特別是在裝配式涉及的多工種和頻繁變更。有學者[5]提出設計階段BIM一體化管控方法，以“BIM應用要目”和“BIM應用技術原型”為基本操作面開展一體化模型管控方法。在該方法的約束下，項目的模型創建、使用以及后期施工的更新變化有序進行。其中BIM應用技術原型包括“建模約定”和“用模約定”兩部分，共六個要素：分類編碼規則、模型構建規則、整體拆分規則、參與方協同方式、模型細度和用途、軟件平臺和數據交換標準。通過這些要素提取，形成項目操作指引方法，指導項目的建模與用模工作。如在項目工程算量的應用場景中，通過對工程量清單編制、三算對比輔助項目工程量的測算校核，在前期建模約定中明確模型構件規則框架，后期即使模型發生變化，相應的明細表也可自動更新。

3.2 算量方法關鍵技術

按照古建筑裝配式建造過程特點，建立基于BIM一體化聯動技術的算量方法，需要考慮設計、算量和出圖下單幾方面的需求，過程操作涉及分類編碼、建模和算量體系搭建等多項關鍵技術：

3.2.1 構件分類、命名與編碼

根據裝配式建造過程特點，遵循相應的國家信息分類編碼標準，對嶺南古建筑裝配式的關鍵信息進行分類和編碼。傳統古建筑形制相對穩定，按大木作與小木作可大致進行樹狀方法分類，對應分為大類、中類和小類。構件按照古建類型命名，除考慮設計過程的易于判讀以外，還要按照項目編寫工程量清單內容的要求，描述原則一般就是根據工程實體特征與內容名稱，要求準確直觀、簡潔清晰。

信息編碼的目的在于將數據信息貫穿裝配式建造全生命周期的各個階段，使不同的構件、模型、操作平臺間完成信息傳遞、共享及使用，形成良好追溯線索，見圖1。編碼體系主要包含項目編碼、構件類型編碼、生產編碼和安裝編碼（也稱施工編碼）。其中項目信息編碼包含項目所在地、項目名稱、建設單位名稱等，主要應用于項目對內和對外的信息銜接。構件類型編碼則是根據這類古建筑裝配式建造所需的各類構件進行分類、設計、加工生產、現場安裝所需的信息管理技術，可以按三級方式編碼，例如某前正身檐柱，編碼碼層級為“柱類（Z）-檐柱（Y）-前正身檐柱（01）”。生產編碼指用于裝配化建造過程構件生產標識的編碼，其內容包括構件類型信息、生產信息和生產流水號，分為剛性碼、柔性碼和流水碼三個碼段。安裝編碼指用于裝配化建造過程構件安裝標識的編碼，其內容包括構件安裝所在樓層和安裝位置信息等，編碼內容為“樓層信息-所在或鄰近的安裝軸號交點”。算量編碼結合清單要求，可通過組合碼段的方式實現。

圖1 裝配化建造流程與信息編碼關系圖

3.2.2 建模規則

BIM一體化模型既要考慮算量，也要考慮設計過程的推敲，一般在方案設計確定后開始按嚴格的建模規則進行裝配化搭建。這類古建筑由于標準化的特點，常規的構件一般采用族庫管理，根據需要調用至項目場景中進行預制裝配，這些標準構件的命名、編碼和參變關系已經進行良好的預設，因此在項目樣板文件中搭建完畢后，常規的算量表即可自動生成。在建模規則設計上，需要結合各階段特點形成模塊化思維，即構件結構模塊化、采購分包的模塊化和搭建過程模塊化。模塊化便于構件的一體化管理。以古建筑柱式族模型建立為例，利用BIM參數化技術對柱子規范化分解，分為柱礎、柱身、柱頭三部分，建立柱式的多種類模型，以嵌套族的方式建立柱模型，并建立統一的部件代碼持續管理,見圖2、圖3。

圖2 基于族技術的古建筑柱構件的一體化管理

圖3 古建筑柱式族創建

3.2.3 算量體系

算量與BIM一體化模型結合，可分為三個步驟開展：

（1）按照項目建模規則建立一體化模型，清晰命名模型中需要算量的構件，并設置項目樣板中不具備但需統計的明細表。

（2）推敲完善項目模型，導出已有的各類構件或系統組的明細表格，對較為復雜的數據表構建可使用如dynamo這類數據調取插件，構建各種下料清單，形成算量表格，為后續加工生產和造價計算提供幫助。

（3）使用專用算量計價軟件，導入生成各種專業化表格，計算工程項目所需材料的價格和工程造價。

這種方法不僅能獲得項目的算量結果或整體造價，同時也可根據項目變動實現動態更新。

4 案例實踐

4.1 項目概況

本項目為廣州執信中學增城實驗學校，位于廣州市增城區荔城街三聯村廣汕公路以北、逸翠莊園以西。項目規劃建設規模為初中教學班48個，可容納學生約2400人。項目規劃用地面積：56692.5㎡，總建筑面積：73485.62㎡。主要建筑物有：教學樓（5層）、學生宿舍（13F）、教師宿舍樓(15F)、食堂(2F)、行政綜合樓(6F)、體育館(5F)、演藝中心（6F）等，見圖4。本方案建筑外立面設計采用中國古典建筑結合民國時期建筑特色元素，同時融入現代建筑立面處理手法，將打造成為文化氣息濃郁的現代化學校。

圖4 教學樓和宿舍樓模型

4.2 方法應用

該項目的教學樓、學生宿舍和教師宿舍采用裝配式建造，裝配建設技術方案為：主體結構部分采用柱預制；工程隔墻采用管線、裝修一體化；裝修與設備管線采用全裝修、管線分離；鼓勵項含綠色與信息化應用、施工與管理。

本項目采用Revit核心建模平臺，主要采用系統內部集成技術實現設計、算量和出圖下單一體化聯動。前期在Revit中通過建模規則建立數字信息模型，依托構件族庫調取標準構件開展搭建，新建構件采用合理命名和編碼，賦予模型數據信息。模型構建到達一定程度后開展不同角度的工程算量，根據項目實際需求估算工程造價、用料明細、構件總數等，同時，三維模型設計與二維工程出圖同步，整體推進項目設計不斷深化。整體確定后，導出算量明細表與下料清單，并與與工廠對接預制加工所需構件和模型組。工廠生產后根據編碼信息打包并送往施工場地進行現場組裝建造。

4.3 項目工程算量

以教學樓為例，利用Revit 2020建立建筑信息模型，前期建模約定中明確模型構件規則框架，在建模設計的同時可以開展算量分析，得出相應的構件類型、用料、造價清單。表1、表2、表3則是利用Revit和Dynamo技術計算墻體、垂脊、樓板等構件的基本數據明細表。

表1 利用Revit和Dynamo技術計算墻體的基本數據明細表

表2 利用Revit和Dynamo技術計算垂脊構件的基本數據明細表

表3 利用Revit和Dynamo技術計算樓板構件的基本數據明細表

此項目已進入現場實施階段，圖5為構件加工生產和現場安裝實景。由于建造團隊對于古建筑裝配式和BIM操作系統使用經驗較少，需要設計方進行現場指導和講解，較為消耗時間，但通過BIM一體化模型技術方法對建造全過程整體管控，串聯工程開展的各環節，構件用料和下單準確度大大提升，構件生產和現場安裝的對接錯漏問題減少，工作效率明顯提高。

圖5 構件生產加工和現場安裝實景

5 結語

傳統古建筑采用裝配化建造方式既符合這類建筑類型特點，也是國家倡導的綠色建造方向，這方面研究探索十分迫切。本文嘗試引入BIM一體化模型技術，基于嶺南古建筑的特點，提出把這種類型建筑的算量工作融入一體化模型的技術原理和實施路徑，然而由于當前裝配化建造社會化協作體系的不完善，相關人員素質參差，這在一定程度上影響該技術成效的發揮。這些問題將在后續的研究中，通過加強這種協作體系各個環節的銜接設計進一步改善。本研究旨在拋磚引玉，引發全行業的更多關注和思考。