BIM 技術在鋼結構裝配式建筑施工現場的應用研究

唐俊，王浩，韓文靜

（中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

為確保裝配式建筑施工的安全，需針對施工現場進行嚴格的管控。以鋼結構裝配式建筑施工為例，其現場管控就是以傳統建筑施工為基礎，對建筑各工序在施工過程中的質量控制和現場施工管理模式，進行研究和探索。管控目的是使工程質量更趨于安全，滿足人們對建筑質量的要求[1-3]。為了在最大程度上確保現場施工安全，在管控的過程中可采用模塊化設計施工模式，施工現場可以進行高度標準化設計，按照標準生產并且安裝完畢。在裝配式建筑施工現場，在確保施工質量和進度的前提下，還必須把施工過程中的各工序控制到位。這樣才能保證建筑工程的質量[4-5]。但施工過程中每個工序都有其自身獨立的技術要求，并不是所有工序都能夠得到有效控制。在鋼結構裝配式建筑施工現場就必須對各個階段的質量進行控制。保證鋼結構組裝式建筑施工過程中各個質量節點都得到有效控制，從而達到安全、高效、經濟的效果。

相關學者對此問題進行了研究，例如，白俊峰等人對裝配式建筑結構在醫院建設工程中的應用進行研究[6]，對裝配式建筑結構的作業進行詳細分析，從主體結構、制作施工等方面分析裝配式建筑的主要優勢，并應用大數據技術進行醫院建設工程的施工改進，此方法能夠提升施工安全性預測監測。趙家敏對桁架結構在裝配式建筑中的應用進行了研究[7]，通過云模型獲取裝配式建筑面受力，采用層次分析法分析裝配式建筑安全影響因素，利用DEMATEL-ISM 進行裝配式建筑施工現場安全性評估。

但是以上方法均未考慮安裝進度的監測，基于此，本文將針對BIM 技術的具體應用進行詳細探究。

1 BIM 技術在鋼結構裝配式建筑施工現場的應用研究

1.1 構建BIM 模型，獲取鋼結構裝配式建筑施工材料清單

為實現對鋼結構裝配式建筑施工現場各類材料的管理，引入BIM 技術，通過建模的方式，將各類施工材料導入到模型中，并以此生成鋼結構裝配式建筑施工材料清單。圖1 為BIM 模型的構建思路。

圖1 BIM 模型構建思路

針對施工現場原有的施工材料，將其按照圖1 左側內容進行建模，針對施工現場新進的施工材料，將其按照圖1 右側內容進行建模[8-9]。在建模的過程中，為確保模型精度，根據施工材料的等級將其信息精度劃分為LOD100、LOD200、LOD300，分別對應一級施工材料清單結構、二級施工材料清單結構、三級施工材料清單結構。針對不同等級，獲取鋼結構裝配式建筑施工材料清單，并進一步完成對清單的分解，如圖2 所示。

圖2 不同等級施工材料清單分解示意圖

在建立BIM 模型時，還需要針對具體項目設置相應的編碼。編碼按照數字的形式描述，不同層級之間可用“.”連接。在BIM 模型中，通常采用裝配式構件的首字母縮寫加上編號或大小，在字母和數字之間用“-”連接。

例如，“300×400”的鋼結構長方形柱子（如圖3 所示），可以用“GJXZ-300×400”或“GJXZ-01”來命名。在描述無預制件時，可以采用“全名+實踐”的方法，例如：水泥砂漿地板-1-001 層。鋼結構裝配式建筑特點要求對 BIM 的精度有很大的影響[10]。第一個項目的特點是它的總體設計要求和功能；第二類工程特征要求對結構的幾何、物理性質進行描述，如果資料不多，則根據 IFC 進行擴充；第三階段的特點需要更加詳細，這樣才能為制定出招標控制價和承包商的投標提供依據。

圖3 鋼結構構件示意圖

1.2 基于RFID 技術的鋼結構構件安裝過程跟蹤

在獲取鋼結構裝配式建筑施工材料清單后，為實現對鋼結構構件安裝過程的跟蹤，引入RFID 技術[11-13]，圖4 為基于RFID 技術的鋼結構構件安裝過程跟蹤原理圖。

圖4 基于RFID 技術的鋼結構構件安裝過程跟蹤原理圖

跟蹤的具體步驟為：第一步，在每一個鋼結構上安裝一個RFID 標簽，根據構件安裝狀態實時更新標簽。第二步，在不同的鋼構件安裝過程中，RFID 識別終端被 RFID 識別終端識別，在更新包中加入鋼結構構件變化后的信息，包含位置信息和狀態信息。

通過RFID 識別終端，將標簽中的信息傳輸到物聯網跟蹤平臺上，實現對信息在平臺上的實時顯示。在進行對鋼結構構件安裝過程跟蹤中，利用RFID 技術與物聯網技術，實現了對RFID 標簽在一定距離上的檢測與識別，便于現場操作，無需人為干預[14]。對于兩個RFID 標簽之間的距離測定，其依據可用公式形式表示：

公式中，E表示待測定位置RFID 標簽與已知RFID 標簽之間的距離；Sm表示已知RFID標簽在讀寫器裝置上的RSSI值；Sn表示未知RFID標簽在讀寫器裝置上的RSSI值；R表示RFID 標簽讀寫器數量。RFID 標識終端能夠同時支持 ROM工作方式和讀寫式工作方式，并且不需要觸碰和鎖定，可以在任何惡劣的環境中自由工作，并且可以使用較短的 RFID 設備，不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環境。根據上述論述，將RFID識別終端設置在各個安裝階段，包括：組裝階段、焊接階段、運輸階段、堆場階段、吊裝階段和校正階段。通過對RFID 標簽的識別，在一定的安裝階段，實現了目前的鋼結構構件的確定，從而實現對其全過程的跟蹤。

1.3 構件進場和裝車順序管控

在鋼結構裝配式建筑施工構件進場時，按照上述操作對其RFID 標簽進行掃描與識別。所有進場構件均需要確保其檢驗合格。在構件進場前，對構件進行詳細的構件進場操作流程，建立構件進場規則，并對構件進場時間進行規范。結合BIM 技術對構建進行動態建模，并在上述構件的BIM 模型中進行展示。根據鋼結構裝配式建筑設計圖紙上構建機場和裝車的順序要求，在模型當中完成管控流程[15]。若構件在進場過程中存在多種缺陷問題，通過現場驗證、實際操作比對后，得出缺陷對應構件及編號。在構件裝車前，施工單位需提前做好構件的裝箱前準備工作[16]。（1）對構件的尺寸、重量、外觀等進行測量；（2）采用 BIM 技術建立構件參數和外觀尺寸，為吊裝構件提供基本信息和依據。具體包括：了解各現場構件裝運情況和所需工具清單；制作構件裝箱清單；制定構件裝箱前處理計劃；制定吊裝構件裝載前安全措施方案。同時，在構件進場時，若構件不在上述構建的BIM 模型中，則需在現場人員進行構件驗收前完成。構件裝車前按照先卸后裝的原則進行作業，卸車操作時須注意吊裝件與預制件之間的距離控制，防止構件因自重造成錯位碰撞；在施工中根據現場條件設置預制件安裝定位系統；對預埋構件進行檢查是否存在銹蝕或破損情況。提前做好安全防護工作保證整個裝運過程萬無一失。在施工中注意合理設置運輸線路以保證構件與車輛的安全，避免因超重造成交通事故。在裝運過程中要防止不穩定、不連續的情況產生；在吊裝完成后要及時檢查各承載點是否存在不穩或破損情況。

2 實驗

2.1 實驗設計

以某鋼結構裝配式建筑施工項目為依托，通過本文上述論述，明確了BIM 技術在施工現場應用的基本思路，為實驗對BIM 技術應用可行性的驗證，將上述設計思路應用到該工程項目中。已知該工程位于某城市生態產業園區中，占地面積超過2.8 萬m2，總建筑面積超過5.5 萬m2。建筑主體形式為鋼框架結構（見圖5）。

圖5 鋼框架結構立面布置圖（1:100）

該建筑的總體外形是一個圓形的環體和三個大傾斜的筒體網殼裙塔，它的外圓半徑是32.9m，外圓半徑是58.9m，整體的平面尺寸是149m×185m。三座裙塔均采用鋼管網殼結構，標高13.5 米，上部為圓形框架。該建筑結構形式新穎，但同時對施工現場的管控難度也進一步增加。為實現對該項目施工現場的管理，引入BIM 技術。為實現對應用效果的檢驗，從施工實際安裝進度監測效果和施工現場卸車周轉耗時，共兩方面結果進行探究。

2.2 實驗結果分析

2.2.1 施工實際安裝進度監測效果驗證

為實現對施工實際安裝進度監測效果的驗證，針對實際安裝的五個階段分別利用本文上述BIM 應用思路對其進行監測，對比實際進度與監測精度，得到如圖6 所示的結果。

圖6 施工實際安裝進度監測效果圖

從圖6 可以看出，在應用BIM 技術后，針對施工現場的安裝進度監測結果與實際安裝進度相比，盡管在施工第3 階段、施工第4 階段和施工第5 階段出現了一定偏差，但最終完成安裝的時間一致。因此，通過這一對比結果可以看出，在應用BIM 技術后，針對施工現場的安裝進度可進行更高精度的監測。

2.2.2 施工現場卸車周轉耗時

為進一步驗證BIM 技術的應用可行性，將施工現場卸車周轉的耗時作為評價指標，對比應用BIM 前后現場卸車周轉耗時情況，若應用BIM 技術后，卸車耗時更短，則說明施工現場卸車效率更高，BIM 技術應用可行性越高；反之，若應用BIM 技術后，卸車耗時更長，則說明施工現場卸車效率更低，BIM 技術應用可行性越低。根據這一論述，將施工現場實際卸車周轉耗時記錄，并將結果繪制成圖7 所示。

圖7 BIM 技術應用前后施工現場卸車周轉耗時對比圖

對比圖7 中兩條折線可以看出，在5 次卸車周轉中，BIM技術應用后的耗時均小于BIM 技術應用前。因此，結合上述論述得出，將BIM 技術應用到鋼結構裝配式建筑施工現場可以有效縮短卸車周轉耗時，提高施工效率。

3 結論

論文提出一種基于BIM 技術的鋼結構裝配式建筑施工現場的安裝進度監測技術，利用BIM 技術，構建裝配式建筑施工現場模型，獲取建筑施工材料清單；利用RFID 技術，跟蹤鋼結構構件安裝過程，實現對構件進場和裝車順序的管控。實驗結果表明：

（1）本文方法在應用BIM 技術后，針對施工現場的安裝進度可進行更高精度的監測。

（2）在5 次卸車周轉中，BIM 技術應用后的耗時均小于BIM 技術應用前。因此，結合上述論述得出，將BIM 技術應用到鋼結構裝配式建筑施工現場可以有效縮短卸車周轉耗時，提高施工效率。