BIM的預制裝配式建筑綠色施工應用研究

趙璐

（唐山市墻體材料革新辦公室， 河北 唐山 063000）

預制裝配式建筑之所以這么受歡迎， 是因為它是一種工業化的建造方式， 它的主要部件都是在工廠里進行的， 而施工需要的零件則會被運到現場上， 由專業人士根據圖紙組裝而成。 要注意， 為了保證結構的可靠， 所有的部件都要是牢固的。 將BIM技術運用于預制裝配式建筑中， 可以使構件在到達現場后根據圖紙進行組裝， 而不需要按二維圖紙進行澆筑、 現場組裝。 這種結構看起來和用常規的方式建造的房屋完全相同， 但是它的構造方式是不同的。 BIM技術在預制裝配式建筑中的應用， 可大大縮短施工工期， 節約用電、 用水、 人工， 使施工流程更加簡單。 同時， 它還能降低各類污染物， 降低垃圾數量， 避免對建筑環境造成污染， 有利于現場的管理。

1 預制裝配式房屋的現狀和特征

相對于傳統的混凝土結構， 預制裝配式建筑具有明顯的優勢， 其優點是: 節省了大量的資金， 縮短了建設周期； 本文主要從節省人力、 降低工程造價、 保證工程質量、 良好使用性能等幾個方面進行論述。

1.1 資源的節省

根據不完全的數據統計， 目前國內建筑業的能源消耗比發達國家高出3 ～5 倍， 很難適應建筑的節能要求。 水泥、 鋼材的消耗量是國外發達國家的15%～25%， 而且在建設過程中往往會產生大量的廢料。 根據資料顯示， 中國建筑業的CO排放量占到了整個國家的30%。 從這一點可以看出， 傳統的建筑工程不僅不能達到節能的目的， 而且會產生大量的環境污染物。

裝配式建筑多采用預制外墻板， 充分利用預制的外墻板， 從而大大減少了墻體的使用， 根據不完全的數據統計， 可以節省20%～30%的鋼筋， 節省40%的木材， 減少70%的金屬焊接， 同時減少建筑廢料的產生。

1.2 縮短建設時間

由于在裝配式建筑的外壁板施工中， 預先預留了木塊， 在結構封頂后即可進行外壁的封堵， 因而節省了大量的時間。 此外， 在裝修和裝飾層中， 施工人員通過預制的飄窗和預制的外墻來完成裝飾和保溫， 這比傳統的建筑工程節省了3 個多月的時間。

1.3 節省人力資源， 減少項目成本

在我國的預制裝配式建筑中， 往往采用集中生產的方法， 采用流水式的生產方法， 在工作臺上進行拼裝， 這樣可以極大地提高生產的效率， 一般由4 ～6個人來完成， 大大降低了材料的消耗， 節約了成本。

1.4 良好的使用效果

通過大量的實例， 可以看出， 組裝房屋的強度要比傳統的混凝土結構要高得多， 而且在裝配式建筑中還采用了隔熱材料， 起到了很好的隔熱和密封作用。另外， 鋼筋混凝土是裝配式房屋的主要構件， 其韌性、 硬度、 強度、 熱脹冷縮均有很好的適應性， 從而極大地提高了結構的使用壽命。

2 BIM技術的特點和優勢

2.1 BIM技術特點

BIM技術具有可視化、 協同、 模擬、 優化、 繪圖等特征。 盡管設計師在設計階段采用了之前的二維設計， 但BIM技術能夠對燈光、 風力、 能量等進行三維建模， 從而為建筑設計提供科學依據。 BIM技術可以對操作過程中的地震、 火災進行仿真。 通過對BIM技術的深入研究， 可以對大型工程進行深度的分析與優化。 通過對系統的優化， 可以使用戶理解怎樣才能更好地達到控制投資費用的目的。 通過對BIM技術所產生的圖形進行可視化、 協同、 仿真、 優化， 為以后的應用提供了更好的依據。

2.2 BIM技術的優勢

本文對我國BIM技術在我國的應用狀況進行了分析， 其優點是: 1) 效率高。 通過 BIM 技術的特性，可以清晰地理解工程規劃， 并對其進行優化和改善。采用3D視覺效果， 提交施工圖紙， 工程的進度能得到保障； 2) 通信便利。 通過三個共享的模型， BIM技術團隊能夠更好的了解工程， 并能更快的完成工程； 3) 利用BIM數據模型， 可以檢驗和修正設計中的缺陷， 是否因預先設計疏忽而導致的施工問題， 從而實現節約投資； 4) 對現實世界的仿真。 預先對施工流程進行仿真， 保證對實際工程進行計劃。 在BIM技術中， 結構化的方法能夠很好的了解設計者的意圖。 這樣就能解決在建筑中出現的問題， 并在設計階段進行解決， 從而節約了成本和時間。

3 在裝配式建筑工程中引入BIM 技術應注意的幾個問題

3.1 工程成本因素

BIM技術在施工中的應用， 將會涉及到更多的構件， 因此， 在建造的過程中， 構件的造價會更高。 但在施工項目中， 施工費用管理中存在著明顯的施工部件管理不到位的問題。 而對建設單位而言， 造成這種情況的原因， 主要是由于成本管理人員缺乏足夠的專業知識， 缺乏足夠的社會實踐經驗， 沒有足夠的工作態度， 很難將項目的成本發揮到極致。 而且， 想要生產出合適的零件， 所需要的成本也會根據市場的價格而改變。

3.2 設備因素

近年來， 我們可以看到， 在裝配式建筑的建設和管理體制方面， 并沒有發生很大的變化。 長期以來，有關部門的工作重心都集中在建設項目的效率與質量上， 因而常常忽略了施工項目中的某些質量問題。 然而， 在裝配式施工中， BIM技術的引入常常會涉及到設備的問題。 BIM技術要比傳統的技術更加的依賴于科技， 也更加的依賴于電子信息技術。 BIM技術的實施需要將施工項目的設計與實施有機地結合起來， 但在施工的過程中， 沒有好的設備是不可能實施的。 通過調研， 目前大部分BIM技術未能應用于施工中， 最主要的原因在于缺乏相應的施工設備。

4 BIM技術在裝配式建筑中的應用問題

4.1 設計與生產脫節

我國目前的裝配式建筑發展迅速， 其技術體系多種多樣， 對其需求也各不相同， 但傳統的設計者對其技術系統認識不足， 對其設備狀況也未給予足夠的重視； 在預制和現場組裝過程中， 仍沿用了傳統的設計思想， 導致部件的尺寸不夠規范化； 模具重復利用率低， 生產施工埋件設計考慮不全面， 生產和施工效率低， 這無疑會加大工程造價， 不能充分發揮其優越性。

4.2 BIM建模高成本和低利用率

BIM建模是一種非常消耗人力的方法， 但大多數BIM模型都是在工程施工的各個階段進行的， 沒有充分的利用， 從而使投入和產出不成正比， 不僅不能帶來顯著的經濟效益， 反而會增加企業和工程的負擔。

另外， 有些公司把已有的零件深化設計做BIM模型， 僅做三維展示和宣傳， 無疑增加了企業的投資，這也是BIM技術在實踐中的一個誤區。

4.3 BIM軟件之間的數據交互性能不佳

BIM技術是在裝配式建筑中進行的一種技術； 基于BIM技術的不同階段 BIM技術的應用， 需要不同階段、 不同專業的 BIM技術進行協同， 需要 BIM技術的相互配合。 雖然BIM公司宣稱可以通過多種形式的IFC和API進行互動， 但BIM的各功能模塊間存在著無法完全導出、 屬性無法識別、 數據丟失等問題，導致數據的傳遞也無法精確。

5 BIM技術在裝配式建筑綠色施工中的應用

在建筑信息化的驅動下， 建筑工業化進入了一個全新的發展時期， 以大數據為基礎， 通過云計算平臺的數據結構， 對整個建筑的生命周期進行可視化、 模擬化的研究。 通過BIM技術， 使裝配式建筑從 “設計、 生產、 裝配” 的全生命周期轉變為 “一體化設計、 生產、 裝配”， 從而使信息資源的共享、 各個施工階段的協同、 信息共享， 避免了 “信息孤島” 現象。 BIM技術在裝配式建筑的各個方面都得到了廣泛的應用。

5.1 BIM技術在建筑方案設計中的應用

在裝配式建筑中， 預制件的預埋和預留過程是兩個重要的問題。 在施工項目設計中， 要解決這兩個問題， 不僅要耗費大量的人力物力， 而且還需要高度的協調。 在BIM技術的引導下， 通過搭建標準的設計平臺， 為設計者提供高效的對接。 在此基礎上， 將 BIM建模的相關數據傳輸到系統中， 可以使系統的設計方案與參數的協調與優化。 設計員們可以通過此平臺進行高效的溝通， 或者通過自身的測試和失誤來找出并改正設計中的不足， 從而幫助設計者及時地做出相應的調整， 使其達到最優。

5.2 在裝配施工階段BIM技術的應用

組裝建筑的部件都是由工廠統一生產的， 這樣的工業化生產模式可以極大的提高工人的勞動生產率，同時也可以減少人為因素的影響， 同時也能保持較好的生產條件， 從而保證構件的質量。 而常規的平面設計顯然無法滿足這種生產模式。 利用BIM技術， 將設計過程中的全部數據與組件制造工廠進行共享， 在設計階段生成的三維模型能夠滿足零件的精度要求， 因此可以直接應用到組件制造中。 裝配式建筑與傳統的建筑結構有很大的區別， 它是將預制件在工廠內生產， 然后運輸到現場進行組裝； 而后者， 則是就地灌漿。 因此， 裝配式建筑的制造工藝要求工廠對已完成的產品進行保護， 利用BIM技術構建的精密建筑模型可以在產品制造之前， 為產品的儲存做好準備， 從而更好地保護產品。

5.3 BIM技術在裝配式建筑施工布置中的應用

BIM技術對于裝配式房屋的規劃和工程建設有著不可取代的優勢。 BIM技術在施工企業的規劃中的運用， 主要涉及到施工流程優化、 施工現場一體化、 存貨管理等方面。

1) 優化施工工藝， BIM技術能夠模擬現場的設備布局， 根據場地的實際情況， 合理的規劃施工通道， 設置不同工種的工作區， 優化場地布局， 最大限度地解決施工中遇到的問題。 利用BIM技術， 將預制構件的堆場布置在適當的位置， 以減少二次運輸的影響， 提高作業效率和使用率。 通過對預制件的進場速度和資源的消耗進行仿真， 發現設計中存在的缺陷并對其進行優化， 從而達到改善工程質量的目的。BIM模型能夠對各個施工階段的不同地點進行建模，從而使施工方案更加直觀、 合理地安排施工設備和作業范圍， 全面準確掌握施工進度、 適時調整設計方案、 合理調配資金、 合理安排施工人員、 確保方案符合施工要求， 使施工質量、 效率、 效益最大化。

2) 全面的施工場地管理， BIM技術可以幫助施工單位掌握工程的施工流程及技術關鍵， 通過BIM技術對工地進行科學的設計， 便于工人熟悉作業流程，從而有效地提升作業和作業的質量。 對于一些重要的， 復雜的， 精細的預制品， 可以利用BIM仿真系統進行操作， 并在BIM仿真平臺上反復演練， 從而提高工作效率， 確保工程的質量。

3) 管理存貨， 利用BIM 技術對存貨進行管理，能夠實現批量、 快速、 自動化的驗收， 并能有效地減少手工驗收帶來的誤差。 同時， 利用條形碼對預制件的大小、 安裝位置等信息進行分析， 便于施工人員進行分揀、 實際安裝， 保證了整體庫存管理的精確性和條理化。

5.4 BIM技術用于裝配式建筑線路的碰撞檢測

建筑工程包括: 給水、 通訊、 通訊； 燃氣、 電力、 供熱等各類管道， 管道數量多， 線路間有交叉，施工時若不進行合理的布線， 會造成管道穿孔， 要進行返工， 從而增加建設費用。 建筑工程的實體交叉，其實體間的間隔小于設置的容差， 對施工造成的影響或對建筑物的特殊要求造成了影響， 稱為沖撞。 在進行碰撞檢測時， 要注意觀察建筑結構梁、 空調管道、給排水管道之間有無碰撞現象， 或為保證施工的安全、 方便， 在不同專業施工之間留出一定的空間， 以防止彼此的影響。 在解決裝配式建筑設計變更時， 要進行碰撞檢測， 其工作程序包括: 1) 為客戶供應各種工程， 如土建工程、 安裝工程； 2) 審核并修改提交的樣品； 3) 對各個行業的模板進行碰撞測試， 然后將測試結果進行打印； 4) 技術人員對各個模式進行了最優設計， 并編制了相關的碰撞報表。 利用 BIM技術進行拼裝施工現場的碰撞監測， 可以在施工過程中及時地發現構件制造和施工中存在的問題， 并利用BIM技術進行結構設計和施工， 使其不會發生沖突。通過BIM軟件， 可以導入供熱、 燃氣、 給排水等相關的數據， 然后將這些數據導入NavisWorks， 通過構建各種模型， 建立相應的模型， 生成相應的圖形， 并對各種不同的組合進行組合。 裝配式建筑可以根據不同的構件類型， 將相同的部件合并成一個完整的碰撞測試。 如果撞擊的位置少， 則可以進行最佳的搭配，而如果發生了沖突， 則要按照樓層來進行細致的區分。 在進行撞擊探測時， 還可以設定預制構件的起重路線， 并對在起重時可能產生的沖撞進行分析， 以便對吊裝線進行優化。 機電安裝工程是裝配式建筑工程中的一個重要階段， 也是一個難點問題。 采用BIM技術可視化技術， 在施工過程中， 可以直觀地顯示出所需預留的空洞的位置及尺寸， 并在對應的坐標上進行標記， 以保證工程的正常進行。

5.5 BIM技術在建筑工程建設中的應用

與傳統的建筑工程相比， 裝配式建筑在管理上也有一些差別。 裝配式建筑中的大部分部件都是預制的， 在運送到現場后， 要直接進行吊裝。 所以， 裝配式建筑的建設管理重點是預制件的制造、 運輸、 進場、 入庫、 吊裝， 保證工程進度順利完成。 裝配式建筑的施工管理， 其關鍵是能否及時掌握構件的制造、運輸、 進場等信息， 從而避免對工程的整體進度產生不利的影響。 傳統的材料管理方法不能很好地適應裝配式建筑的需求。 通過將BIM技術和RFID技術相結合， 構建了一個現代的建筑信息管理平臺， 使得項目經理和操作工人可以及時地掌握預埋件的工作狀態和特定的數據。 在部件制作期間， 裝配車間的工人會把部件的大小和模型； 將物料等資料錄入 RFID晶片，按照客戶的要求或合約編號， 再將含有元件資訊的晶片植入元件內， 方便日后采購。 施工人員查閱、 查詢。 通過 RFID芯片獲取的零件信息， 將其輸入到BIM模型數據庫中， 根據所定義的位置和過程信息，將其與模型匹配。 在預制件制造完畢后， 制造商將零件運送至現場， 利用RFID芯片， 能在最短的時間內掌握零件的運送地點， 并依據車輛的具體狀況， 進行合理的設計。 在零件運送至現場后， 由現場門禁系統讀卡器讀取出運輸車輛的資料， 及時通知采購及物管部門進行實地檢查， 確認后將其堆放在指定地點， 再將現場資料輸入RFID芯片， 并將其導入BIM模型庫，將各部件的位置、 進度與BIM模型進行比對， 以防止出現信息差錯。 通過對零件RFID芯片的數據分析，建立了BIM模型， 將零件在倉庫中的位置顯示出來，實現了零件的點對點堆疊和利用。

6 結語

BIM技術在預制裝配式建筑工程中的應用將會有很大的優勢。 中國走的是一條綠色的發展之路， 建筑工程能耗高， 資源消耗大， 且工程建設周期較長， 因此， 通過將BIM技術與預制裝配式建筑相結合， 可以有效地解決傳統的施工問題。 這樣， 建筑項目才能得到進一步的完善， 才能與中國的綠色發展戰略相適應。