BIM技術在裝配式建筑質量管理中的應用研究

文／趙雪 山東菏建置業有限公司 山東菏澤 274000

引言：

裝配式建筑是指由工廠加工的構件在施工現場通過可靠的連接裝配而成的建筑，其結構形式包括預制裝配式混凝土結構、鋼結構和現代木結構等，本文所提及的裝配式建筑特指預制裝配式混凝土結構形式的建筑。預制裝配式混凝土結構的建筑是指一個完整的建筑產品，被拆分為幾種預制的鋼筋混凝土構件，這些構件在工廠中的組裝線上制造，然后被運送到施工現場組裝，其施工過程類似搭建積木。這種建造方式將建筑從大量的手工生產轉變為密集的機械生產，這是建筑工業化的重要形式，也是建筑業轉型發展的有效途徑。然而，在實際應用中，還存在工人作業環境未得到明顯改善，工程質量、造價等未凸顯優勢等問題，而BIM技術可以解決這些難題，本文著重從裝配式建筑設計、碰撞檢查、施工等方面的BIM技術應用進行討論。

1、裝配式建筑概述

裝配式建筑主要有混凝土、鋼結構、木結構3種結構形式。裝配式鋼結構建筑因自身使用年限和結構耐久性等問題，在民用建筑中應用較少；木結構屬于特種結構，僅作為低層民用建筑和特種建筑形式被應用。裝配式混凝土建筑相比于傳統建筑模式而言，其有本質上的優勢，成為應用廣泛的裝配式建筑結構形式。裝配式混凝土建筑是將傳統現澆混凝土部分在預制工廠中制作完成，采用統一設計、預制模具后進行標準化的生產，并且在生產過程中采用現代化的生產工藝與管理技術，從而保證預制構件在規格、質量等方面都能非常穩定，而后將構件運輸到施工現場，再按照工藝標準進行安裝的施工形式。裝配式最大的特點是可以連續地按順序完成工程的多個或全部工序，從而減少進場的工程機械種類和數量，將過去各個工序之間的時差消除，理論上能夠做到各個工序間的無縫銜接，從而提高工效。另外，因裝配式建筑的構件不在現場進行施工，能夠減少資源消耗以及建筑垃圾，隨之降低施工成本。本文對裝配式混凝土建筑施工工藝進行研究。

2、裝配式建筑的優勢

2.1 提升建筑質量

裝配式混凝土構件均是在工廠預制完成，通過現代化的生產工藝和科學的生產管理方式進行標準化的生產。運送至現場后進行安裝即可。對于裝配式建筑，其質量控制點相對較少，且控制過程相對簡單，通過控制生產過程的材料選擇和預制過程，可保證生產出合格的構件，從而保證整體建筑的施工質量。

2.2 優化空間利用與房屋格局

預制混凝土墻板、疊合板的強度均高于現澆施工的同類混凝土結構，使用裝配式構件進行施工的房屋通常具有跨徑大、開間大的特點，對于房屋空間分割、功能分區等室內設計的約束減少，能夠優化空間利用，使房屋格局更合理。

2.3 提升施工效率

相對于傳統現澆混凝土工程，裝配式建筑的施工工藝更簡單，效率更高。以預制率約為35%的30層高層住宅為例，相比于同規模的混凝土建筑項目，建筑工期能縮短20%以上，施工人數能減少70%，且建筑無須額外的室內外抹灰工程，能夠有效降低粉塵、噪聲污染，減少建筑垃圾，生產成本也隨之降低。

3、施工關鍵技術及存在的問題

3.1 連接和精度問題

裝配式建筑所使用的各種構件需要嚴格按照圖紙進行制定，因而對于構件的尺寸要求很高，如果尺寸控制不到位，后續在安裝的過程中容易出現構件不完全閉合的問題。值得注意的是，在灌漿操作當中，管道內部的情況并不能從外觀看出，控制難度較大，可能會導致預制構件與現澆式承重結構的節點搭接方面存在問題，出現偏差。而填充的飽滿程度也難以進行準確的估計，從而導致連接質量無法達到要求。在縱向連接的墻板方面，確定灌漿質量達標的標志是灌注混凝土從板頂的孔里順利流出，這種情況下，工作人員非常容易出現操作失誤，灌漿孔被堵死。同時，在套筒安裝期間，位置偏差也是較為常見的問題，如果出現部分偏離的現象，鋼筋則可以插入;如果偏離程度過大，則無法進行鋼筋插入操作，即便是采取補救措施，也不會達到設計標準，可能會涉及到返工返修的問題，嚴重影響到工程質量。

3.2 平板安裝問題

平板安裝操作也是經常出現問題的施工部分。第一，轉角板自身的厚度不足，體積很大，在運輸或者使用的過程中及其容易被折斷，尤其是在吊裝的過程中，轉角板容易出現回折的問題，導致平板損壞，浪費材料;在保養階段，也會由于操作不當而出現轉角位置角度變化的問題。第二，外墻板的保溫層也較為脆弱，脫落和斷裂的問題十分常見，究其原因，是外墻材料的使用出現的問題。一般而言，多數的外墻板都會由外裝飾面、保溫層以及結構層這三個部分構成，然而，部分情況下這三層材料不兼容，可能會造成脫落和斷裂的問題。

3.3 管線預埋問題

構件埋設不當、管線預埋施工等操作也會導致很多的問題，例如構件的偏移、脫落等。最終使得構件的實際位置與設計位置出現較大的差異，影響到裝配式建筑整體的穩定性，進而影響建筑質量。因此，在構件位置的固定方面，需要合理控制管線的走向，考慮管線的綜合排布的問題，嚴格按照圖紙開展規范化的管線預埋，確保施工的合理性。

4、BIM技術在裝配式建筑的應用

建筑信息模型（BuildingInformationModeling）簡稱BIM，是一種新興技術，具有協調性、可視化、優化性、模擬性、可出圖性等特點。BIM模型信息所具有的構件化架構與裝配式建筑的構件化施工相互契合，為BIM技術在裝配式建筑中的應用提供了天然條件。BIM技術的強大之處在于巨大的信息聚類和整合能力，用戶可以對已有模型進行快速重構，把構件的可重復利用性、可變性進行優化升級，以實現構件經濟高效的預制生產，滿足現場的高效組裝要求。此外，標準BIM模型具有構件完整的幾何數據信息，為建筑業實現工廠規模化、自動化生產提供了支撐條件。

4.1 基于BIM技術的構件設計

裝配式建筑構件生產使用的模具加工費為1.4萬元/t左右，這對構件的售價起到了決定性作用。構件規格越多，模具樣式必然增多且周轉利用率降低，直接影響項目成本。因此，構件的設計應注重少規格、標準化原則，提高模具的重復利用率，同時兼顧“多組合”原則，以滿足客戶個性化的需求。利用BIM技術，可以完成項目整體設計，并通過對參數的反復調整，使建立的三維模型立面造型更加簡潔，結構布置規整均勻。裝配式建筑的設計，應充分考慮居住單元模塊的標準化，以提高經濟效益，同時實現重組不同的戶型模塊，滿足個性化的需要。整體設計完成后，還需要對已建的模型進行構件拆分。出于安全考慮，柱子、剪力墻等豎向承重構件不拆分，采用現澆施工。梁、板、樓梯、陽臺、空調板等水平構件及非承重墻構件可進行拆分，拆分時要合理設置參數，使構件在結構中的拼接位置與現澆結構施工縫留設的位置相當，減小“冷縫”對結構質量的影響。此外，構件拆分還要綜合考慮運輸、現場吊裝能力等因素，以及標準化和種類少的要求等。因此，構件拆分需綜合考慮的因素多，單純依靠人工以二維CAD圖紙的形式進行拆分設計，工作量大且有較高的出錯率。而BIM技術三維數字化功能，能讀取模型中預制構件類別、三維坐標、尺寸等信息，自動拆分裝配式框架結構梁、板等預制構件，提高拆分設計效率。同時，企業可以創建內部BIM預制構件庫，這樣公司日后的項目便可方便地調用族庫里的標準BIM構件，快速完成“組裝”設計，滿足業主的多樣化需求。

4.2 基于BIM技術的碰撞檢查

傳統的CAD二維圖紙文件信息關聯性差，圖紙中的碰撞問題難以察覺，需依靠各專業人員共同仔細審查大量圖紙才可能發現。這種檢測碰撞問題的方法出錯率高、對空間想象的能力要求高，使得圖紙中往往遺留一些不易察覺的“錯漏碰缺”問題，并在后期施工過程中顯現。后續工程一般通過變更和索賠來補救，這種方式必然引起造價的增加和工期的延長。BIM碰撞分析技術能有效解決以上弊端，BIM三維立體模型可準確標注顯示碰撞點位置，并自動出具詳細碰撞報告，然后通過參數調整，完成碰撞避讓處理。裝配式建筑預制構件間的主要碰撞是節點處的鋼筋碰撞，如梁柱節點、梁板節點以及預制板板間節點等。采用BIM技術可對這些復雜部位和關鍵施工節點進行論證，保證施工的可行性。此外，利用BIM技術的協同功能，模型可綜合建筑、結構、機電、裝修和場地布置等多專業內容，并通過對多專業的碰撞檢測，有效地減少各專業之間可能存在的錯誤和遺漏。

4.3 基于BIM技術的施工模擬

裝配式建筑施工的特點是裝配精度要求高，構件種類和數目多，現場構件吊裝量大。如果沒有直觀準確的技術交底，那么吊裝過程中極易發生構件操作失誤而相互碰撞，產生尺寸偏差，影響施工質量。而施工模擬具有預知、交互與優化的作用。應用BIM模擬建造技術對擬定的施工方案進行預演，有助于管理者提前發現和解決問題，排除現場施工隱患，優化施工工序，減少不必要的損失。同時，BIM模型加載時間參數能對施工階段進行4D動態模擬，實現施工工期的精準估算，均衡優化資源配置，以及矯正偏差工期和調整進度計劃。同時，還可以利用BIM施工策劃軟件，根據優化后的進度計劃模擬場地布置，合理規劃施工場地的道路、管線、材料、設備等位置，滿足施工現場安全文明標準。此外，BIM三維模型在加載時間參數的基礎上，可繼續加載費用參數，形成5D數據模型。該模型可根據裝配式建筑的特點快速分析和分類統計工程量，然后利用軟件插件完成定額套用，最后結合時間參數，實現工程成本的實時計算和動態控制。

5、施工質量提升措施

5.1 建立并完善建筑施工質量監管體系

為做好該項目裝配式建筑的施工管理工作，相關管理人員應結合相關標準、施工環境等科學合理的建立施工質量監督管理體系，并結合建設實際不斷優化完善。對此，建筑企業與施工單位可從以下幾方面健全管理制度。如人員管理制度，結合建筑需求與發展方向建立培訓制度與考核制度，從而提高施工建設人員的專業素養與綜合能力；制定質量管理機制，有效落實施工各環節的質量建設管理、材料管理、質量驗收管理、專業設備養護管理等，為裝配式建筑項目的施工質量提供堅實的保障；合理制定獎懲機制，針對工作進度加快、施工質量較高的工作人員進行精神表彰與物質獎勵，同時對造成嚴重問題的員工進行懲處與技能再培訓，有效提升工作人員的施工質量與效率；制定風險防控策略。針對在裝配式建筑施工過程中的風險隱患等設計防控預案與緊急應對策略，便于快速處理事故問題，維護建筑施工的有序開展與安全建設。同時還應建立監督管理部門，有效監督施工管理并深入落實監管制度，從而增強裝配式建筑的施工質量。

5.2 嚴格把控預制構件及其他施工材料的質量

在該項目管理中，相關管理主體應從多方面出發有針對性地進行構件材料的質量管理。在設計方面，設計人員應以建筑方案、戶型結構為依據，科學設計預制構件的類型、尺寸，確保其符合安裝規格；在生產采購方面，施工單位應深入調查供應商的規格、信譽與商品供應能力，多家對比預制構件及其他施工材料的生產質量與效率，選擇最優供應商進行合作。同時加強對相關生產工廠的監管工作，確保生產的預制構件符合設計標準與質量要求；在運輸方面，應有效規避氣候影響，采取科學有效的管理措施進行構件及其材料的分類放置與有效運輸，從而維護材料性能；在進入施工現場前，施工管理人員應實施嚴格的檢驗與科學的管理，確保其進場質量；在構件配件等材料組裝方面，應嚴格規范施工人員的拼裝技術與吊裝操作，確保構件銜接的合理性與緊密性、吊裝的準確度，同時還應注意預防在安裝過程中構件碰撞損壞的現象。通過構件及其材料的多方面質量管理，有效把控裝配式建筑預制構件、施工材料的質量安全，進一步提高建筑施工質量。

5.3 結合建筑實際需求優化創新工藝技術

在裝配式建筑的建設過程中，其工藝技術主要涉及兩個方面，即預制構件的生產工藝、建筑吊裝的裝配工藝。相關單位需順應社會發展，結合技術市場需求與施工要求不斷創新并優化工藝技術。在預制構件的制作工藝中，設計人員與生產人員應引進先進生產設備，嚴格按照規定的類型、尺寸、大小等進行生產，注重連接縫隙位置的科學預留，確保構件銜接結構的緊密度與完整性，從而提高預制構件的質量；在裝配環節的吊裝工藝環節中，施工單位應以施工方案、BIM模型為依據合理設計構件配件等的吊裝方案確定吊裝節點與位置，運用先進的專業器械輔助安裝，確保吊裝工藝的準確性與穩定性，BIM在裝配式建筑施工質量控制中的主要環節。

5.4 建立高素質、高質量的人才隊伍

在該項目裝配式建筑的施工過程中，涉及多專業的工作人員，如設計人員、安裝人員、管理人員等，不僅要注重培養建筑工作人員良好的安全意識，還需順應行業發展和社會需求不斷提高自身專業技能與操作水平。設計人員、設計單位應與時俱進不斷革新優化設計理念、風格、特征與方法，提高自身的設計素養，加強設計方案與施工現場的緊密結合，確保所設計的方案具備合理性、可行性特點。同時還應深入學習BIM等技術，掌握先進技術，科學構件模型。通過提高設計人員的專業素養與技術水平，增強裝配式建筑設計的質量。對于管理人員，建筑企業加強其質量管理意識、風險意識與管理能力，以制度為依據，通過安全教育、質量培訓等強化管理人員的意識與能力；對于施工人員，建筑企業應以裝配式建筑的吊裝、拼裝等工藝操作為基礎展開技能操作培訓，提升裝配能力，同時還應強化其安全意識與設備規范操作能力。另外，建筑企業應選取優秀人員建立高素質、高質量的建設團隊，便于及時發現并改進處理建筑施工各環節的問題，確保施工的有序開展、建筑的質量建設。

結語：

發展裝配式建筑無疑是建筑業實現工業化、信息化的有效途徑之一。但就目前來看，無論在理論上還是實踐上，裝配式建筑的整體性和安全性都不如現澆混凝土結構，而且造價也比后者高出20%左右，單純依靠政府政策激勵來推動裝配式建筑的應用和發展并非長久之計。BIM與裝配式相契合的特點，使它成為解決裝配式建筑缺陷的有效方案。事實上，基于全生命周期分析，當前對BIM技術進行應用可以使裝配式建筑等同于現澆，甚至獲得更好的效益。本文分析了裝配式建筑概述，并就其施工關鍵技術及存在的問題做了詳細闡述，可為今后裝配式建筑的發展和BIM技術應用的深度挖掘提供一定參考。