基于BIM的裝配式建筑研究進展

陳溢晨，陳墅香

（1.福建江夏學院工程學院，福州 350108；2.澳門科技大學人文藝術學院，澳門離島 999078）

0 引言

2022 年我國《“十四五”建筑業發展規劃》為建筑行業的智能化發展吹響了進攻號角，強調大力發展裝配式建筑，提出整體構建裝配式建筑標準化設計和生產體系，推動生產和施工方式實現智能化升級［1］。制造業的生產組合理念影響著建筑業的更新發展，工廠預制的工業化建筑體系（IBS）與現場組裝相結合的裝配式建筑越來越受到行業的推崇，預制、裝配式、模塊化作為可持續發展的建筑技術，大量的新建建筑以裝配方式設計施工，建筑信息模型（Buiding Information Model，BIM）作為實現預制裝配式建筑現場裝配服務的有效工具［2］，基于BIM的裝配式建筑領域的研究愈發值得關注。2006 年《Automation in Construction》雜志率先刊發了關于創建BIM的參數化設計的文章，此后，基于BIM的裝配式建筑研究逐年升溫，來自建筑學、計算機科學、環境學、經濟學等領域的學者從不同的角度進行探索。目前已有學者對相關成果進行梳理分析，主要有BIM與傳統結構設計［3］、工程管理［4］、建筑拆除［5］等研究綜述，以及裝配式建筑中供應鏈管理［6］、安全風險管理［7］、質量控制［8］等方面的綜述，但現有BIM與裝配式建筑結合的文獻綜述不足。本文采取共詞分析的方法，分析全過程BIM在裝配式建筑中解決的問題、當前研究成果，為未來裝配式建筑的研究提供方向。

1 數據來源與分析方法

1.1 數據來源

基于Web of science數據庫，以“BIM” OR “building information modeling”和“Prefabricated Buildings” OR “off-site construction” OR “offsite construction” OR “prefabricated construction” OR “industrialised building system” OR “panelised construction” OR “modular construction” OR “precast”為主題進行檢索，期刊來源限定為科學引文索引擴展（SCI）和社會科學引文索引（SSCI）兩種，檢索時間范圍截至2022 年12 月31 日，共檢索到“基于BIM的裝配式建筑”研究文獻205 篇，剔除不相關學科領域的文獻，刪除新聞報道、無作者署名、重復綜述等不符合本研究范圍的文獻后得到200篇，并以此作為本文的文獻庫。其中國內學者在英文期刊刊發的有85 篇。

1.2 分析方法及步驟

Mulchenko［9］是最早提出科學計量學概念的學者，基于已發表的文獻數據，通過關鍵詞網絡建模和可視化，映射該領域知識的數據集，繪制及闡明該知識的結構和演變［10］。共詞分析是映射和追蹤相關詞語關聯性的內容分析法之一，采用多元統計技術對一組詞兩兩統計其在同一文章中出現的次數，反映出詞間的親疏關系，分析這些詞所代表的學科及主題結構［11］。因子分析是通過提取共性因子，相關變量組合成一個公共因子，減少變量的個數，利用盡可能少的公共因子來概覽原始的大量信息。聚類分析指出該領域的研究模式，與之相關的具體研究主題，為研究的概念框架奠定基礎（見圖1）。

圖1 計量分析方法框架

2 研究概況

目前英文文獻基于BIM 的裝配式建筑領域的年發文量呈增長趨勢，y表示點的趨勢線，R2表示這些點的歸納程度達到94.26%（見圖2）。2006 年開始有相關論文發表，2017 年作為拐點，此后年發文量穩定增長；2020 年之后基于BIM的裝配式建筑研究的論文數量快速提高。2017 年和2020 年出現兩次轉折爆發，2017 年的增長主要與建筑大數據［12］的發展相對應，2020 年的轉折與區塊鏈信息系統［13-14］、智能系統［15］等的初始發展相對應。

圖2 基于BIM的裝配式建筑英文文獻年發文量

3 詞頻分析

利用Bicomb對文獻中的關鍵詞進行詞頻統計，錄入200 篇相關文獻，共獲取868 個關鍵詞，對相同意義的關鍵性進行合并，如：BIM、Building information modeling、Building information modeling（BIM）合并為“bim”。設置詞頻≥4 的高頻關鍵詞23 個（見表1），除了主要關鍵詞“prefabricated construction”“bim”之外，“工業基礎類（IFC）①”“可持續性”“數字孿生”“互操作性”是所有關鍵詞中出現頻率較高的，表示其在該領域被廣泛研究。可以看出，基于BIM 的裝配式建筑研究熱點是工業基礎類（IFC）①、可持續性、數字孿生等，以及從中延伸出的互操作性、物聯網（IOT）、面向制造和裝配的設計（DfMA）②等。

表1 詞頻≥4 的關鍵詞排序

利用書目共現分析系統BICOMB 軟件生成詞篇矩陣，導入數理統計軟件SPSS中采用Ochiai系數轉變為23 ×23 的近似值矩陣，為下文的統計方法提供數據基礎。

4 因子分析

因子分析目的是運用盡量少的因子去概括眾多信息間的聯系，原理是根據相關性大小把研究對象變量分組，把相關性較大的研究對象組成一組，不同組的相關性較低。每組變量為一個公共因子，利用得到的高頻關鍵詞Ochiai 系數相似矩陣，導入軟件SPSS，通過“分析——降維——因子”，提取方法上采用主成分分析法和相關性矩陣，得到6 個特征值大于1 的公共因子，從表中可見6 個因子累計方差解釋貢獻率67.878%（見表2）。說明將23 個關鍵詞分為6 個類別，可以解釋“基于BIM 的裝配式建筑”領域研究67.878%的信息。通過因子負載系數絕對值大于0.5才被接受，對解釋研究主題有幫助及影響［16］，可以得出前6 個公共因子的具體范疇如下：①互操作性、工業基礎類、模型視圖定義、預制建筑混凝土、建筑信息模型；②科學計量分析、建筑、預制裝配式建筑；③自動化、預制結構混凝土構件、物聯網、數字孿生；④供應連鎖管理、可持續性、區塊鏈；⑤建設自動化、精益建造；⑥關鍵成功因素、中國。其解釋的方差分別達到29.719%、13.796%、8.726%、5.799%、5.012%和4.827%，表明這6 個領域對研究BIM 背景下的裝配式建筑相對重要。

表2 總方差解釋

因子分析對應的碎石圖（見圖3），顯示各因子的重要程度。它將因子按照從大到小依次排列，從中可以直觀顯示前4 個因子類別較重要。前面的陡坡對應較大的特征值，作用較明顯；后面的平坦，作用弱。前4-6 個因子的散點位于陡坡上，后面因子處于緩坡且特征值均小于1。因此下面按4-6 個因子個數對共詞的相異矩陣進行分層次聚類分析。

圖3 因子個數碎石圖

5 聚類分析

聚類分析是根據一些變量，把相似性較大的變量聚合一類，依據指標或因素本身的特性研究個體分類。本文采用系統聚類，將研究領域內的高頻關鍵詞分為相對同質的群體，把一個高頻關鍵詞單獨當作一類，計算其距離，把每個距離最靠近的幾個高頻關鍵詞當作一小類，再計算每個小類之間的距離，最后不斷計算距離再合并，把一切子集都集合到一個大類，最終得出聚類結果樹狀圖（見圖4），進行可視化研究，縱坐標為個案數（高頻關鍵詞），橫坐標為其組間的平方距離。

圖4 聚類結果樹狀圖

利用SPSS軟件的聚類方法采用“組間聯接”“二元——Ochiai系數”測量方式，得到聚類樹狀圖。根據聚類譜系圖可以將研究熱點分為4 個類別。由“工業基礎類”“互操作性”“模型視圖定義”“預制建筑混凝土”“數字孿生”“物聯網”“預制混凝土構件”“自動化”構成“類別1——信息協同”，由“供應連鎖管理”“區塊鏈”“精益建造”“建設自動化”“可持續性”“建筑工程管理”構成“類別2——施工協同”，由“預制裝配式建筑”“建筑信息模型”“面向制造和裝配的設計”“循環經濟”構成“類別3——設計協同”，由“關鍵成功因素”“中國”“建筑”“科學計量分析”“可持續建筑”構成“類別4——資源協同”。

5.1 信息協同

建設的全過程要求設計院、設備材料供應商、建設單位、施工單位等協同完成，建筑與預制工程系統的數據交換融合是實現裝配式建設的基礎，需要建立BIM共同商定的交換標準，即數據標準化，建設各方信息協同的可視化平臺。相關研究主要集中在數字技術語言統一化處理，與材料物流仿真、GIS 路線選擇［17］、吊裝控制［18］、質量評估［19］結合，實時同步，達到建設精準性和整體性。數字技術語言統一化處理主要采用工業基礎類（IFC）來解決數據的交互操作性、制定數據交換規范，主要解決預制構件特定的圖元和特征性［20］、提供自動數據映射方法［21］、豐富模塊化空間設計［22］等，提出算法，統一內部對象模式映射到IFC屬性。整個裝配式建筑數據涉及多個應用程序共享的語義，需要交換規范的信息傳遞手冊（IDM）來將其模型視圖定義（MVD）與形式化信息模型聯系起來［23］。對于異構數據融合的研究，目前還基于片段化階段（見表3），開發的模式及構架還未達到各方完全統一。現階段通過數據信息進行承包商和業主間的信息交互、制造商與承包商之間的交流協作，未來目標是通過可視化圖件整合全過程各方的信息協同，從虛擬構架到系統的建設。

表3 異構數據融合模式研究

5.2 施工協同

目前BIM在裝配式建筑中的施工項目管理應用可以總結為“三控四管一監督”（見表4），包括：成本控制［28］、質量控制［29］、進度控制［30］、安全管理［31］、現場裝配管理［32］、材料管理［33］、生產管理［12］、監督機制［13］。200 篇研究文獻中有44 篇關于施工協同領域的“三控四管一監督”。其中質量控制的權重為32%，是所有類別中最高的，學者們對BIM在裝配式建筑施工中質量控制的研究較多，對監督機制研究的最少，缺乏對整個裝配式施工場地的自動化監管、隱私保護（見圖5）。項目管理對于裝配式建筑至關重要，涉及設計到施工和安裝的全過程，通過與BIM結合開發相關技術、平臺來協調、記錄和控制裝配式建筑的“三控四管一監督”是當前較優的方式。同時，自動化技術和精益建造原則已廣泛應用在汽車及其他制造業［34］，建筑業也在不斷地向其靠攏，并不斷創新，加強項目管理，以提高生產力，縮短時間。目前對于項目管理的研究較多集中在單一的控制、管理和監督，未來隨著自動化水平的不斷提高，需要開發一個完整的“三控四管一監督”系統，實現全面自動化控制、管理和監督。

表4 BIM在裝配式建筑中的施工項目管理應用

圖5 “三控四管一監督”的關注度比例

5.3 設計協同

BIM工具對整個建筑行業的貢獻巨大，但由于是在傳統非裝配式建筑背景下發展起來的，并沒有很好地考慮到工業生產、工地組裝的網絡過程［13］。目前需要通過調用BIM 應用編程接口（API）對BIM 進行二次開發裝配功能［35］。同時，很多建筑設計系統也是在非裝配式建筑的背景下開發的，并不能很好地適用于當前的裝配式建筑設計，學者主要研究對于BIM在裝配式建筑設計中增加構件目錄庫［36］、方案庫［37］，創建參數化設計或者運用參數化對周圍環境模擬，優化BIM設計平臺（見表5）。1992 年芬蘭學者就指出，一些成熟制造產業的原則應該應用于建筑行業［38］。DfMA引入建筑行業，作為當前新的設計系統，增加了拆分和裝配的過程，要求建筑設計師和拆分設計師的設計協同，裝配技師反饋問題，不斷優化設計。整合DfMA和BIM，開發設計評估及優化系統，為建筑設計師提供可選擇的建筑設計構件和元素，優化生產和組裝，提高建筑設計過程中的可視化及可預測性。

表5 BIM在裝配式建筑設計中的應用研究

5.4 資源協同

建筑業是全世界環境資源最大的消費者。每年建筑業消耗全球能源大約40%［44］，資源優化和建筑垃圾的可持續回收處理已成為全世界日益緊迫的社會、經濟和環境問題。裝配式建造是可持續發展的重要技術，近5 年基于BIM的裝配式建筑的可持續建設主要從能效［45］、材料與組件［46-48］、環境方面進行研究（見表6）。能效在施工建造階段受到技術和管理的影響，網絡交流信息穩定，勞動力、機器的高效安排，可提高資源配置效率。材料與組件對建筑可持續的全過程全周期都有影響，早期選擇低碳材料、中間過程減少浪費、后期材料回收再利用的方式來延長壽命。裝配式建筑對環境的影響，除酸化和礦物資源消耗外，其余方面均表現出環境友好性，裝配率提高，建筑環境影響降低，未來設計師需要關注裝配率，以提高建筑項目的環境績效。

表6 資源協同研究

6 結語

采用科學計量分析來剖析基于BIM 的裝配式建筑研究進展，揭示基于BIM的裝配式建筑研究現狀和未來發展。

（1）可視化圖件整合全過程信息協同。裝配式建筑的設計、施工及使用涉及建設單位、材料設備供應商、施工單位、監理單位、預制裝配單位等，不同利益相關者之間的互操作性和圖件的可視化管理對項目成功發揮重要作用。因此，裝配式建筑需要實時的可視化信息共享技術。雖然有學者對部分相關方的數據共享提供了可能，但并未對整個項目的各方提供一個數據管理平臺來可視化全過程圖件。為此可以構想云BIM平臺的開發，其將會是未來高水平IT 的集合，融合VR、GIS、物聯網等系統，簡化建造裝配式建筑流程，促進相關方決策的把握。

（2）全面自動化控制、管理及監督的施工協同。許多國家存在著勞動力成本上升以及人口老齡化的現象，自動化生產控制技術應用在制造業上已經游刃有余，但建筑業的自動化水平不高，目前的研究還缺乏對機器人、3D打印集成技術運用到裝配式建筑施工的深入挖掘。為了推動裝配式建筑的高效生產，通過BIM在施工中的自動化控制、管理及監督的施工協同，研究BIM與機器人、3D打印、智能機械等技術相結合，提高建筑業的自動化水平。

（3）AI和BIM結合優化平臺的設計協同。DfMA和BIM結合可以提高當前預制建筑的設計，但其還是需要設計師建模，費時費力。隨著人工智能技術的發展，ChatGPT的產生，未來有可能將AI與BIM結合，加速BIM建模過程。把設計原理、設計規范、設計需求等輸入計算機，與BIM結合生成設計方案及優化設計方案，同時基于BIM的智能設計還可以自動拆分構件或模塊，實現前期設計與后期施工、回收的一體化。

（4）能效、材料與組件、環境的全壽命周期資源協同。基于BIM的裝配式建筑與沒有BIM 的建設實施是不同的，其組織結構發生了變化，同時提高了能效、材料利用、環境效益。裝配式建筑全壽命周期包括設計準備階段、設計階段、施工階段、試運行階段、使用階段、更新或拆除回收階段，通過BIM 一體化平臺協同實現最優化。建設過程中的利益相關方通過云BIM數據共享模式，提高各方的科學決策及保證機器高效率工作。通過BIM 改善裝配式建設項目在施工過程中的協調，減少返工，減少材料損耗。建造過程中的廢棄物也降低，在全壽命周期中減低對環境的影響。

注：

①IFC表示Industry Foundation Classes，工業基礎類，是建筑信息的公共標準，用以支持BIM工具互操作性的數據格式。

②DfMA表示Design for Manufacturing and Assembly，面向制造和裝配的設計，一種起源于制造業的方法，用于評估和改進產品設計，從而來實現最佳制造和裝配［37］。