基于BIM 技術的裝配式住宅建設管理研究
——以北京市某裝配式住宅為例

■ 邢超雲 XING Chaoyun 王 薇 WANG Wei 干申啟 GAN Shenqi

0 引言

近年來，建筑行業迎來發展的高速時期，BIM（Building Information Modeling）技術應用與研究在國內掀起了一場建筑革命。BIM 技術將傳統的建筑二維平面圖發展到三維可視化模型，將施工設計與深化設計、施工過程與施工管理緊密結合，實現建筑從設計到施工管理，再到后期運營的全生命周期管理。國內運用BIM 技術與工程實例結合的成功案例越來越多，例如，大興國際機場通過BIM 技術協同設計平臺，將上百人的設計團隊整合，從方案設計到施工圖的完成僅用了一年的時間；上海世博會博物館應用BIM 協同管理平臺，來自不同地方的參與方實現統一管理。此外，BIM 技術還在杭州奧體中心主體育場、重慶國際馬戲城、濟南大劇院等項目中有一定的運用。2020 年我國新冠疫情期間，武漢火神山、雷神山兩座醫院的建造，從設計、施工到交付使用僅用10 天，創造了建筑行業的傳奇，這得益于BIM 技術的全過程參與。

近年來，國內外學者從不同角度對BIM 技術在裝配式建筑中的應用進行分析研究。如寇園園、王淑嬙和馮曉科[1-3]探索了BIM 技術在施工管理中的應用；王巧雯、林樹枝和胡延紅[4-6]開展了基于BIM 技術裝配式建筑協同管理平臺的研究；舒欣、徐鵬飛和周文波[7-9]根據實際項目分析了BIM 技術在裝配式建筑工程中的應用；吳大江[10]探討基于BIM 技術的裝配式建筑一體化應用；劉丹丹[11]提出BIM 不同軟件間相互配合達到最優設計施工方案；張健[12]分析BIM 應用框架和系統流程；薛茹[13]分析信息化建模技術下裝配式建筑施工的問題及對策。綜上學者對裝配式建筑與BIM 技術的研究，主要集中在通過BIM 技術實現施工過程的管理或者建筑工程全生命期的應用，但對建造過程管理研究不夠全面。

裝配式建筑的建造管理不僅是施工過程的管理，還包括設計階段和施工準備階段，這三個方面在BIM 技術的協調下更容易實現應用價值。目前，裝配式建筑設計與施工過程的銜接與管理還不夠完善，因此，研究BIM 技術對實現裝配式建筑建設過程的精細化管理，具有更重要的理論與實踐指導意義。

1 BIM 技術的內涵及優勢

1.1 BIM 技術內涵

BIM 技術的出現和發展，實現了貫穿建筑全生命期的各項數據信息集成、共享，是建筑建造智能化控制管理的基礎。BIM 技術的應用推動現代建筑向信息化、智能化、產業化發展，是現代化建筑行業轉折性的變革。

BIM 技術發展主要分為三個時期：早期BIM 系列軟件搭建模型時期，以數字化精確建模；中期BIM技術輔助施工生產，從早期策劃、設計、生產、施工，到后期的運營維護全生命期；現在是BIM 建造管理時期，利用BIM 平臺進行信息共享與實時管理控制。

1.2 BIM 技術優勢

BIM 技術是繼CAD 技術之后建筑行業的又一革命性技術，與CAD相比較有以下優勢：①相較于CAD的二維平面設計，BIM 的數字化模型屬于多維度信息模型（3D 模型、4D 時間模型、5D 成本模型），實現參與建筑全生命期建設；②BIM+技術是對建筑信息標準化的二次開發，實現使用者對具體問題解決的需求；③建筑建造全過程的各參與部門在BIM 應用管理平臺上，實現數據信息資源共享，協同管理。

2 BIM 信息協同管理研究

2.1 信息參與主體

裝配式建筑的建造過程是集人、材、機械、資金為一體的復雜的動態過程，涉及多個參與方，按照對建筑影響的程度分為直接參與方和間接參與方。直接參與方對建筑的最終呈現效果有著決定性的作用，它參與建筑投資規劃、設計建造、維護運營，包括建設單位、設計單位、監理單位、施工單位、構件生產單位、材料供應商、建筑運營部門等。間接參與方不直接參與建筑的建造過程，但它制定的相關政策、行業規范對建筑形態產生重要影響，包括政府部門、科研部門等。

2.2 BIM 信息協同研究

項目管理的重點是各參與方之間的相互合作與交流，裝配式建筑各參與方之間的信息具有雙向性和復雜性，常出現信息傳遞不及時、不完整的情況。基于BIM 的信息協同管理模型能很好地解決這一問題，實現信息高效共享和傳遞。BIM 信息協同模型主要包括：數據層、模型層、應用層、用戶層四個層面。其中，數據層是基礎，收錄和共享不同時期的各項數據；模型層為各設計方提供相互配合的平臺，為各參與方提供直觀的信息模型，方便及時查看做出反饋；應用層則將BIM 的數據信息提取分類，提供不同種類的功能服務，并及時反饋現場情況做出相應調整；用戶層根據自己需要，登錄平臺賬號，實時查看、修改、提取信息，實現數據共享（圖1）。

圖1 BIM 信息協同模型圖

2.3 BIM 管理應用研究

裝配式建筑建造管理是在利用BIM 建立的三維模型基礎上，將項目數據和文件信息與BIM 模型關聯，通過BIM 系統將施工管理系列軟件系統和項目綜合管理系統兩大部分組合起來[4]，建立模型信息與數據管理雙向對接；為項目管理提供包括施工進度、質量、成本、安全以及材料采購等信息，滿足各參與主體業務管理需求；最終形成5D 數字化信息模型，為項目實時監測管理提供擴展功能，實現基于BIM 信息交換和協同管理，全面提高項目建造過程精細化管理水平（圖2）。

圖2 BIM 管理框架流程圖

3 案例應用分析

結合我國裝配式建筑工程項目建造的實際情況，BIM 技術在項目中的應用由建設單位主導，總承包單位負責，多個參與主體共同參與實施，主要包括模型深化設計、施工動態模擬、動態管理三個方面。

3.1 項目概況

北京某裝配式住宅項目位于北京市通州區潞城鎮（圖3）。總建筑面積約28 萬m2,共17 棟住宅樓，3 層以上是裝配整體式剪力墻結構，預制構件種類繁多，包括：外墻板、內墻板、疊合板、樓梯、陽臺板等，裝配率高達53%，預制率43%。預制構件加工生產及施工現場安裝連接是工程管控重點。

圖3 項目鳥瞰圖

3.2 模型深化設計

3.2.1 BIM 模型建立

裝配式建筑模型建立需要建筑、結構、機電、給排水、暖通、預制構件等多個專業參與，各專業之間既是獨立的子系統，又共同構成一個復雜的整體系統。通過BIM 協同管理平臺，實現不同專業之間信息集成，將全部信息保存在一個數據庫內，各設計人員根據自己的需求從數據庫中提取，實現建筑模型信息的編輯、轉換和共享[1]，提高設計效率與準確性。

在實際應用中，由于住宅小區建筑物形體比較規整，因此選用Revit進行三維建模。首先，將墻體拆分成不同模型的構件，設置構件參數性能、材料種類，建立構件模型庫，根據構件特點提取組合進行初步設計；其次，結構、機電、管道等不同專業人員相互配合進行綜合設計；最后，碰撞檢測深化設計，及時修改設計中不合理的地方，優化設計方案（圖4）。

圖4 三維建模

3.2.2 預制構件深化設計

裝配式建筑預制構件深化設計要以“少規格，多組合”為原則，減少模具種類，降低建造成本。裝配式建筑預制構件深化設計內容包含：鋼筋預留預埋、孔洞預留、鋼筋連接方式以及現場施工安裝。利用BIM 技術深化設計，實現預制構件加工圖紙和三維模型參數化數據雙向連接，滿足施工生產的需求。

在實際應用中，利用BIM 技術進行的裝配式建筑預制構件深化設計提取包括：構件標號、圖紙編號、混凝土鋼筋用量、預埋件、預留孔洞等信息[14]，為工廠集中生產加工提供助力。此外，為每個預制構件制作二維碼標簽，標簽信息主要包括：工程項目名稱、產品型號、生產日期、使用部位、檢測人員，以及構件自身數據，混凝土強度、PC 方量、混凝土量、保溫體積等，通過手機等電子產品掃描二維碼顯示構件的信息，實現不同專業人員之間構件信息傳遞快速、完整。

3.3 施工動態模擬

3.3.1 場地優化布置

預制構件在施工現場堆放、移動、吊裝是裝配式建筑場地優化管理的核心內容，利用無線射頻技術（radio frequency identification，RFID）和BIM 技術相結合的方式，建立三維場地布置模型，對預制構件進行追蹤定位，按照施工進度優化場地設計。根據樓號、樓層將預制構件堆放位置合理劃分區域，同時，考慮垂直運輸空間以及塔吊半徑，在半徑允許范圍內盡可能減少構件搬運次數，提高場地使用效率。

在實際應用中，場地規劃布置的要素有：出入口位置、車輛運輸道路、材料堆放倉庫、材料加工區、臨時辦公區、大型機械等。利用BIM 技術建立四維空間場地布置模型，動態模擬分析施工場地布置方案，優化不同時間節點場地布置情況，使不同施工階段場地布置與整體項目場地規劃布置相協調，達到最優狀態（圖5）。

圖5 場地布置模擬圖

3.3.2 重難點可視化交底

我國裝配式建筑發展比較晚，目前還處于基礎階段，施工技術不夠成熟，因此，裝配式建筑在施工前，必須組織施工人員進行技術交底。相比于傳統的技術交底方式，基于BIM的施工技術交底更詳細、更直觀，可有效降低施工人員理解難度，保障現場施工質量。

在實際應用中，利用BIM 技術對工人進行施工前的教育培訓，三維可視化模型將各類施工信息匯總，以文件、圖片、模型、動畫的方式展現出來（圖6），有助于工人清楚地理解施工過程的作業條件、材料要求、工序流程、技術要點、成品防護、環保措施以及注意事項，提高施工人員知識儲備，保障施工生產。

圖6 屋面構造模型圖

3.4 施工動態管理

在項目施工管理中，施工進度、質量、安全、成本是項目管理的核心目標，決定著整個項目的綜合效益。

3.4.1 進度管理分析

裝配式建筑的施工進度動態管理模式區別于傳統建筑的進度管理，裝配式建筑預制構件工廠化加工生產與現場安裝施工的方式，決定了各參與方信息協同的重要性，可加強信息傳遞效率，優化施工進度管理，有效節約時間成本。基于BIM 技術的裝配式建筑施工進度管理，可從進度模擬和實時監控兩個方面優化施工進度，提高生產效率（表1）。

表1 BIM 技術進度應用分析表

在實際應用中，建立項目進度橫道圖，采用可視化4D 信息模型模擬施工進度，以及從項目開工到項目結束的全施工過程。動畫模擬過程中，隨著時間的變化，項目建設不斷推進，可及時發現施工進度計劃中不合理的地方，優化工期安排。此外，對于復雜工序，按照時間節點合理安排機械、材料、人員等配備情況，提前做好準備工作，可有效減少施工間歇，加快施工進度。

3.4.2 質量管理分析

裝配式建筑施工質量的控制要求高于傳統現澆建筑。我國裝配式建筑一般采用套筒灌漿法，為保障預制構件在施工現場精準安裝，裝配式建筑施工質量管理主要包括兩個方面的因素：①預制構件制作加工的質量管理；②預制構件在施工現場安裝的質量管理。基于BIM 技術的質量管理，從裝配式建筑局部生產管理到整體質量管控，嚴格控制施工質量，減少了二次返工，節約了項目隱形成本（表2）。

表2 BIM 技術質量應用分析表

在實際應用中，運用碰撞檢查功能，找出構件之間的碰撞點1 000 余處，其中，機電管線碰撞點940 處。碰撞檢測生成的報告文件，包含構件碰撞類型，位置、標記代碼及碰撞點圖例等信息。根據文件中的碰撞點一一查看修改，優化模型信息，多次利用碰撞檢查，直至碰撞點完全修改完成，以保證施工質量。

3.4.3 安全管理分析

裝配式建筑施工現場安全管理分階段、分區域進行，如預制構件安裝階段，吊裝作業、高空運輸是主要危險源，機電安裝階段，電梯井安全防護欄是主要危險源。分析總結各種危險源對工程施工影響程度，根據分析預測結果，制定行之有效的預防和事故應急處理措施[15]。基于BIM 技術的數字信息化模型，可以在空間、時間上動態模擬施工變化，預測實際施工過程中可能發生的事故，建立科學有效的安全管理體系，減少事故發生。BIM 技術與VR 技術相結合，虛擬模擬施工現場事故，操作人員看實景感受事故危險，提高安全意識。

在實際應用中，BIM 可視化模擬技術在模擬預制構件現場安裝施工過程中，可及時識別具有危險因素的部位，按照施工進度表和施工部位將危險因素提前分類，根據危險因素影響程度劃分危險級別，盡量減少甚至消除外部影響因素，編制應急預案，協助各部門做好預防措施。另外，通過智慧工地實時監測體系（圖7），可隨時查看施工人員在現場安全佩戴情況，規范施工作業行為，減少安全事故。

圖7 智慧工地實時監測系統

3.4.4 成本管理分析

裝配式建筑由于預制構件的生產、加工、運輸等一系列工序，其成本往往比傳統建筑高，要控制裝配式建筑的成本，首先要提高信息集成與協同效率。基于BIM 技術的5D 成本管理，對裝配式建筑成本管理有著巨大的改善作用，在投資分析、動態模擬、過程控制等方面有著諸多優勢（表3）。

表3 BIM 技術進度應用分析表

在實際應用中，數據表明，BIM技術成本核算管理可節約90%算量時間，同時，減少人為因素導致的算量錯誤。基于BIM 技術建立三維信息化模型，包括建筑、結構、機電專業，建立施工圖紙與三維模型信息參數雙向對接，形成包括構件材料種類、位置、尺寸、厚度等屬性的材料用量匯總表，分析歸納提取各項數據，匯總形成計劃成本，從整體上調控項目成本計劃，使其達到預期目標。

4 結語

BIM 技術在全國范圍內的推廣和應用，為裝配式建筑建造過程智能化管理提供了條件。裝配式建筑的管理核心是多個參與方的信息協同管理，BIM 技術相關軟件及應用平臺為裝配式建筑管理提供有效方式。本文詳細分析了BIM 技術的發展趨勢以及信息協同管理的應用，并以北京某住宅小區的實際應用為例，總結BIM 技術在裝配式建筑建造管理過程中的應用價值，可為實現建筑全生命周期精細化管理的目標，推動BIM 技術在裝配式建筑管理中的應用提供借鑒參考。