BIM 視角下PC 建筑施工技術(shù)探討

文／宋元璋 日照興業(yè)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 山東日照 276800

劉子源 日照鴻方建設(shè)工程有限公司 山東日照 276800

方紅梅 日照銀華建設(shè)工程有限公司 山東日照 276800

1.裝配式混凝土（PC）建筑的基本概述

1.1 PC 建筑概念

裝配式建筑相較于傳統(tǒng)建筑，其施工建設(shè)中主要為預(yù)制式、裝配式工藝，就是建筑結(jié)構(gòu)中的各種構(gòu)件在工廠預(yù)制、再在現(xiàn)場組裝而形成完整結(jié)構(gòu)。

1.2 PC 建筑特點

PC 建筑與傳統(tǒng)建筑的施工工藝有明顯區(qū)別，前者為預(yù)制工藝，后者為現(xiàn)澆工藝，依據(jù)施工流程、工期、技術(shù)難度等的對比，PC 建筑的施工更為簡單和高效。當前市場上的裝配式建筑呈現(xiàn)數(shù)量增多、規(guī)模擴大的趨勢，這類型建筑具有以下特點：結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為工廠預(yù)制而成，構(gòu)件精度高，工廠內(nèi)為標準化、機械化作業(yè)，現(xiàn)場濕作業(yè)少，施工更為便捷和高效，施工周期短；設(shè)計生產(chǎn)可實現(xiàn)一體化，制作的構(gòu)件能循環(huán)利用，現(xiàn)場組裝中產(chǎn)生的噪音小、污染少，施工更為環(huán)保；現(xiàn)場很多作業(yè)流程均由專業(yè)機械設(shè)備完成，人工投入大大減少[1]。

1.3 PC 建筑施工工藝流程

如工程項目為PC 建筑，施工流程應(yīng)嚴格按照流程以保障每個環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量，并加強不同環(huán)節(jié)的銜接，可提高工程質(zhì)量與安全。

2.PC 構(gòu)件設(shè)計-生產(chǎn)階段的現(xiàn)狀與特點

2.1 PC 構(gòu)件設(shè)計生產(chǎn)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段的建筑工程市場上，裝配式建筑作為一種獨特的形式，受到了人們的一致關(guān)注。雖裝配式工藝日漸成熟，形成了較為科學(xué)且完善的施工技術(shù)體系，但因為行業(yè)內(nèi)企業(yè)的規(guī)模、發(fā)展水平參差不齊，一些企業(yè)并未完全掌握預(yù)制工藝，在PC 建筑施工中部分環(huán)節(jié)還依舊采用傳統(tǒng)工藝，影響了施工效果。另外，PC 建筑項目中的承發(fā)包依舊停留在DBB（設(shè)計—招標—建造）方面，部分項目雖采用了EPC 總承包模式，但不同主體在開展工作時并未嚴格按照新模式展開，還受到傳統(tǒng)理念、模式的影響，導(dǎo)致PC 建筑的施工效率低、質(zhì)量差、成本高。首先，當前裝配式建筑尚處于發(fā)展初期，并未進入成熟期，且部分設(shè)計方水平有限，各種PC 建筑中推行直接面向構(gòu)件的設(shè)計方法不具有現(xiàn)實的可行性，設(shè)計方在確定方案時主要參考現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)完成初步設(shè)計，遵循“等同現(xiàn)澆”原則拆分大型構(gòu)件優(yōu)化方案；不同專業(yè)之間未做好協(xié)調(diào)工作，各自的工作相互分離，影響了項目的順利實施，極易出現(xiàn)質(zhì)量、安全、進度等問題。其次，針對深化設(shè)計，大部分均由PC 構(gòu)件生產(chǎn)商或其委托單位來負責，很少有項目由設(shè)計單位負責深化設(shè)計，設(shè)計任務(wù)與深化設(shè)計獨立開展，二者之間的銜接不夠，無法凸顯設(shè)計方的牽頭作用，深化設(shè)計方、設(shè)計方之間往往就很多問題難以達成一致意見，耗時耗力。最后，PC 構(gòu)件生產(chǎn)商為新的參與主體，從項目實施的全過程分析，該參與方處于中間位置，其與深化設(shè)計方、施工方之間都保持密切關(guān)系，主要工作就是參考標準化設(shè)計，以機械化方式高效生產(chǎn)構(gòu)件。但部分PC 構(gòu)件生產(chǎn)商僅僅將現(xiàn)澆混凝土轉(zhuǎn)移到了工廠，本質(zhì)上并未推行預(yù)制工藝。

2.2 PC 構(gòu)件設(shè)計與生產(chǎn)的信息化現(xiàn)狀

PC 建筑的多方參與性決定了在設(shè)計施工中應(yīng)采用信息化管理模式，構(gòu)建一個集多種功能于一體的動態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)兼具信息傳遞、應(yīng)用、共享功能。不論是設(shè)計、深化設(shè)計、施工階段，均可利用該系統(tǒng)展開協(xié)調(diào)、管理任務(wù)，發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢。目前PC 建筑中信息化管理雖取得了一定的工作成效，但卻存在信息共享不足的情況，這是未來信息化工作的重點。

目前PC 建筑信息化現(xiàn)狀如下：

（1）設(shè)計方借助專業(yè)的設(shè)計軟件或者平臺得到設(shè)計方案，生成設(shè)計階段的建筑、結(jié)構(gòu)、機電、內(nèi)裝信息模型，形成這些模型后開展專業(yè)內(nèi)部、專業(yè)之間的碰撞檢查，優(yōu)化設(shè)計細節(jié)，將最終得到的設(shè)計成果提交給深化設(shè)計單位。

（2）設(shè)計方與深化設(shè)計方的信息平臺未完全統(tǒng)一，雖設(shè)計方按照相關(guān)規(guī)定向深化設(shè)計方提交了其設(shè)計成果，但深化設(shè)計方無法在自身平臺上直接打開，還需要進行修正或者重新建模，工作量大且需耗費一定時間。

（3）智能化作業(yè)方面，僅實現(xiàn)了部分流程的智能化，尚未實現(xiàn)完全智能化，工廠沒有與設(shè)計階段的數(shù)據(jù)相對接，導(dǎo)致有關(guān)人員很難直接調(diào)取和利用前一流程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，還需要人工重新梳理、整合數(shù)據(jù)，工作效率低，且人工處理下可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差。

2.3 設(shè)計-生產(chǎn)階段信息集成的可行性分析

由于PC 建筑的建設(shè)模式、工藝與傳統(tǒng)建筑有所不同，施工建設(shè)中企業(yè)必須意識到信息化的必要性和重要性，采用現(xiàn)代先進工藝構(gòu)成信息化管理模式，在系統(tǒng)中集成信息，促進物流、信息流在不同階段、不同參與方之間的流動。PC建筑建設(shè)中以設(shè)計、深化設(shè)計、生產(chǎn)過程作為主要流程，在各個階段產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)在不同主體之間傳輸和共享。為達到信息集成目標，工程企業(yè)需引進BIM技術(shù)，以BIM 技術(shù)為基準優(yōu)化PC 建筑施工流程和工藝，發(fā)揮BIM 技術(shù)的協(xié)調(diào)性、模擬性優(yōu)勢。

3.PC 建筑中利用BIM 實現(xiàn)信息集成的方式

3.1 設(shè)計階段信息集成

PC 建筑中設(shè)計為施工建設(shè)的參考，為提高設(shè)計質(zhì)量，傳統(tǒng)的人工設(shè)計方法并不可行，設(shè)計人員需根據(jù)PC 建筑的設(shè)計要求，借助Planbar 軟件建立專有模型，在該模型中整合各種工程數(shù)據(jù)，完成協(xié)同工作、碰撞檢查，調(diào)整設(shè)計方案的細節(jié)，并根據(jù)建筑中的構(gòu)件類型、尺寸等，實施體系化、模式化拆分設(shè)計。設(shè)計階段的信息集成主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）構(gòu)成規(guī)范的建模與協(xié)同組裝標準。相關(guān)人員需參考行業(yè)要求，保障定位基準、命名規(guī)則的統(tǒng)一性，在此前提下再考慮建筑項目的特殊結(jié)構(gòu)要求，在模型中人為設(shè)定PC 構(gòu)件的屬性、尺寸，繪制構(gòu)件、建立戶型和標準層BIM 模型，同步協(xié)調(diào)土建、機電、裝修等設(shè)計，考慮不同專業(yè)的各自要求，處理不同專業(yè)之間的矛盾與沖突[2]。

（2）標準化設(shè)計以及體系化、模式化拆分設(shè)計。PC建筑中采用BIM 模型時，將該模型作為一個體系，在具體的設(shè)計工作中相關(guān)人員需按照PC 構(gòu)件拆分要求開展標準化設(shè)計，在符合結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上減少大型構(gòu)件的數(shù)量，使大型構(gòu)件變?yōu)橐粋€個小型構(gòu)件，每個構(gòu)件都是結(jié)構(gòu)體系中不可或缺的部分。

（3）深度碰撞檢查、調(diào)整方案細節(jié)。PC 建筑中的構(gòu) 件、管線等數(shù)量較多，如缺乏協(xié)同設(shè)計，可能造成構(gòu)件或者管線之間的碰撞與沖突，影響建筑功能。而利用BIM的設(shè)計功能，系統(tǒng)可自動協(xié)調(diào)各個設(shè)計細節(jié)，完成碰撞檢查并生成報告，在報告中呈現(xiàn)碰撞位置等，再依據(jù)碰撞結(jié)果實施優(yōu)化與調(diào)整，得到高質(zhì)量的設(shè)計方案。

3.2 深化設(shè)計階段信息集成

PC 建筑中應(yīng)用BIM 技術(shù)時，深化設(shè)計階段的工作必不可少，此項工作是為了保持各個部分設(shè)計的精細化。具體的設(shè)計工作中有關(guān)人員需以前期確定的BIM 模型作為基準，分析不同專業(yè)之間的關(guān)系，構(gòu)件生產(chǎn)及裝配的需求，對于已經(jīng)拆分的構(gòu)件開展配筋、預(yù)留預(yù)埋、模具設(shè)計等工作，建立BIM 模型與各種信息之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，使PC 建筑設(shè)計、施工等階段不同信息能高效傳輸[3]。首先，在配筋設(shè)計方面，其設(shè)計對象為拆分后構(gòu)件，如以預(yù)制墻體為例，為提高墻體穩(wěn)固性，設(shè)計人員可直接在BIM 模型中調(diào)整有關(guān)參數(shù)，達到自動配筋。其次，預(yù)留預(yù)埋設(shè)計中，同樣也是對拆分后的構(gòu)件實施預(yù)留與預(yù)埋處理，但具體的工作中需參考設(shè)計圖紙，針對每個構(gòu)件由模型自動預(yù)留和預(yù)埋，保障預(yù)留位置、數(shù)量的正確性。如預(yù)制墻體中添加配筋、設(shè)置斜撐等均屬于預(yù)留和預(yù)埋處理。第三，模具設(shè)計，為提高設(shè)計質(zhì)量，具體的設(shè)計中必須以構(gòu)件類型、屬性、尺寸為依據(jù)，直接調(diào)取軟件族庫中與標準化構(gòu)件相匹配的模具，遵循少規(guī)格、多組合要求。最后，成果輸出，因為BIM 模型與構(gòu)件之間存在緊密聯(lián)系，再加上構(gòu)件屬性信息與各類報表的信息完全相同，模型中集成了全部的建筑信息，相關(guān)人員可自動提取不同維度的信息，如構(gòu)件類型、鋼筋數(shù)量、預(yù)埋預(yù)留件位置、尺寸等信息。

3.3 生產(chǎn)階段信息集成

PC 建筑項目中完成深化設(shè)計階段的工作后，相關(guān)人員需進入生產(chǎn)階段，此階段同樣需通過信息集成提升工作效果。為達到信息集成、數(shù)據(jù)共享目標，有關(guān)人員需在前期模型和平臺的基礎(chǔ)上內(nèi)置數(shù)據(jù)接口，由此接口導(dǎo)入TIM平臺，將該平臺與BIM 模型對接后利用平臺自帶功能，生成各類物料清單。與此同時，TIM 平臺還需與車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)保持數(shù)據(jù)傳遞、共享，在項目建設(shè)中合理安排生產(chǎn)計劃、加強車間管理。

生產(chǎn)階段的信息集成主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）生成物料清單。PC 建筑建設(shè)中包含的物料種類繁多，各種物料都在建筑結(jié)構(gòu)、功能中起著重要的作用，生產(chǎn)階段工業(yè)設(shè)計部門需根據(jù)深化設(shè)計階段的物料需求，制定合理的計劃物料清單，與此同時，由生產(chǎn)方車間生產(chǎn)部門依據(jù)生產(chǎn)作業(yè)流程、技術(shù)規(guī)范與標準生成制造物料清單，后續(xù)的物料管理及生產(chǎn)中參考此清單。

（2）與生產(chǎn)數(shù)據(jù)對接并建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。在TIM 平臺中建立有專門的SQL 數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)等決定了其與工廠MES 系統(tǒng)之間可直接對接，相互之間的信息傳輸不再受到限制，有利于保持生產(chǎn)計劃、執(zhí)行階段的高度協(xié)同，減少數(shù)據(jù)傳輸不及時引發(fā)的問題[4]。首先，制造物料清單中包含的材料種類較多，如有主體材料、鋼筋、預(yù)埋件、模具等的完整信息，還存在生產(chǎn)期間的流程、參數(shù)、設(shè)備等數(shù)據(jù)，通過集成和分析這些信息，MES 系統(tǒng)的生產(chǎn)管理更具針對性，可提高生產(chǎn)加工效率，即使在生產(chǎn)與加工中遇到了問題，有關(guān)人員也可直接調(diào)取系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)展開分析，鎖定問題并制定最佳方案。

3.4 應(yīng)用效果

PC 建筑中合理利用BIM 技術(shù)，可有效發(fā)揮BIM 技術(shù)的優(yōu)勢，特別是在設(shè)計—深化設(shè)計—生產(chǎn)階段以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建Planbar+TIM 集成化平臺，在該平臺中集成各種建筑信息，使不同參與方之間能共享信息，以信息為基準制定決策。綜合PC 建筑中BIM 的應(yīng)用情況，其作用主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）有利于提高PC 構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量。設(shè)計、深化設(shè)計階段均能利用BIM 技術(shù)的模擬、協(xié)調(diào)功能，再經(jīng)由碰撞檢查、標準化設(shè)計等，可及時處理PC 構(gòu)件的設(shè)計問題，通過調(diào)整和優(yōu)化參數(shù)、流程等減少PC 構(gòu)件質(zhì)量問題。得益于BIM 技術(shù)，PC 構(gòu)件、預(yù)留預(yù)埋件、模具設(shè)計質(zhì)量顯著提高，設(shè)計偏差大大降低。

（2）溝通協(xié)調(diào)更為便捷。由于PC 建筑的設(shè)計施工難度大、技術(shù)要求高，在任何階段都需要保障不同參與方之間的信息共享，如遇問題應(yīng)及時協(xié)商與溝通。為BIM技術(shù)支持下構(gòu)建的Planbar+TIM 平臺，在平臺中可集成大量的信息，不同參與方可在平臺內(nèi)調(diào)取信息并相互溝通，避免了原先溝通不暢引發(fā)的工程質(zhì)量或者安全問題。

（3）流程管理更為規(guī)范。PC 建筑的實施流程繁多，任一流程出現(xiàn)問題，與之相關(guān)的其他流程也會受到影響，從工程進度、質(zhì)量、安全等管理角度，流程管理十分關(guān)鍵。而Planbar+TIM 集成管理平臺自帶流程管控功能，利用該功能可開展規(guī)范化管理，保障把不同流程之間的高度銜接。

4.案例分析

4.1 工程概況

以某PC 建筑為例，該工程的工藝特殊，為三明治墻體結(jié)構(gòu)、夾心外保溫PC 技術(shù)，預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系，建筑面積超30 萬m3，占地面積為8.5 萬m3。由于本建筑的規(guī)模龐大、工藝特殊，為提高工程建設(shè)的質(zhì)量與效益，工程企業(yè)引進了BIM 技術(shù)輔助設(shè)計與施工。

4.2 PC 建筑中的BIM 技術(shù)

4.2.1 設(shè)計階段

PC 建筑設(shè)計階段的核心任務(wù)是確定設(shè)計方案，設(shè)計人員需通過構(gòu)建模型來實現(xiàn)對象的構(gòu)件化、模數(shù)化，與此同時還需整合、分析項目所在地的氣象變化、場地環(huán)境、采光條件等因素。通過綜合分析優(yōu)化原先的二維圖紙設(shè)計，得到三維可視化模型，全面還原建筑場地、結(jié)構(gòu)等特點。有關(guān)人員在應(yīng)用BIM 技術(shù)時需參考前期的體量模型、施工圖設(shè)計模型，選擇Ecotect、CFD 等專業(yè)軟件對于每一種方案的可行性，從技術(shù)、經(jīng)濟、安全等角度優(yōu)選方案。

概念設(shè)計環(huán)節(jié)，由Ecotect 的氣象分析工具全面統(tǒng)計建筑所在地的氣象信息，以此結(jié)果作為施工依據(jù)與參考；方案設(shè)計環(huán)節(jié)，保持BIM 模型與CFD 軟件的對接，分析建筑現(xiàn)場的風(fēng)環(huán)境情況，展開一系列優(yōu)化工作，采取措施為現(xiàn)場營造室外風(fēng)環(huán)境、室內(nèi)通風(fēng)條件；將BIM 與Ecotect 建立聯(lián)系，分析建筑的自然采光情況，判斷其采光效果能否與建筑建設(shè)要求相一致，依據(jù)模擬與分析結(jié)果調(diào)整幕墻可見光相關(guān)數(shù)據(jù)[5]。

4.2.2 深化設(shè)計階段

PC 建筑中包含的構(gòu)件數(shù)量多，不同構(gòu)件往往存在屬性、尺寸等差異，深化設(shè)計時相關(guān)人員需利用Revit 給結(jié)構(gòu)中的每個構(gòu)件進行單獨、分塊參數(shù)化建模，如建筑中的預(yù)制夾心保溫外墻、預(yù)制樓梯、預(yù)制內(nèi)墻等，均可通過參數(shù)化建模來優(yōu)化設(shè)計。通過給內(nèi)部預(yù)埋件、鋼筋、套筒、線盒管線等建模，能減少不同構(gòu)件之間的沖突，提高構(gòu)件質(zhì)量水平。此外，利用BIM 技術(shù)進行的參數(shù)化建模，還可保障工作的便捷性，模型精度更高，即使后續(xù)涉及設(shè)計變更，調(diào)整也相對簡單，不再需要人工開展大量的計算與對比工作。

Navisworks 中配備有碰撞檢驗管理器，再加上具備可視化功能，在實際的工作中可全面評估各個設(shè)計細節(jié)，從微觀角度檢查預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點布置是否合理，并以檢查結(jié)果為基準調(diào)整現(xiàn)澆核心區(qū)域、復(fù)雜節(jié)點鋼筋的排列，如檢查中發(fā)現(xiàn)不同管線、構(gòu)件之間存在碰撞情況，需利用可視化來減少碰撞。深化模型具有碰撞檢測功能的前提下，專業(yè)人員利用Revit 能自動生成平面、立面、剖面圖、預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點圖，即使后續(xù)出現(xiàn)設(shè)計變更，只需要在模型中進行即可，通過調(diào)整關(guān)鍵部分，與之相關(guān)的其他部分將同步變化。

4.2.3 生產(chǎn)階段

預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量關(guān)乎PC 建筑的質(zhì)量與安全。正式的生產(chǎn)作業(yè)開始之前，有關(guān)人員需引入BIM 技術(shù)完成三維建模，在該模型中完整、準確地反映建筑中的混凝土、鋼筋、預(yù)埋件等各類構(gòu)件的信息。模型中集成了全部的構(gòu)件信息后，由軟件自動完成碰撞檢查，檢查結(jié)束后調(diào)整連接節(jié)點。BIM 模型能提供完整的預(yù)制構(gòu)件模具設(shè)計的三維幾何數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)，構(gòu)件廠家依據(jù)其生產(chǎn)線自動拼模，與此同時將BIM 模型中的鋼筋數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)控機床，由數(shù)控機床依據(jù)尺寸等信息自動調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

4.2.4 施工階段

PC 建筑的設(shè)計、深化設(shè)計、生產(chǎn)階段等各項工作結(jié)束后，需立即進入施工階段。由于本工程項目的規(guī)模龐大，施工流程多，工藝要求較高，為減少施工現(xiàn)場的質(zhì)量、安全、進度等問題，施工建設(shè)中工程企業(yè)可利用BIM 來模擬施工全過程，依據(jù)模擬過程及結(jié)果及時發(fā)現(xiàn)問題，制定可行的施工策略。施工企業(yè)可將BIM 模型與Project 之間建立聯(lián)系，通過二者的數(shù)據(jù)傳輸與共享為施工計劃的導(dǎo)入與導(dǎo)出提供便捷，使施工人員能利用模型自帶的功能評估和模擬施工作業(yè)，合理調(diào)配資源、安排工期。

結(jié)語：

建筑行業(yè)發(fā)展的過程中，PC 建筑的發(fā)展?jié)摿薮螅漕A(yù)制式、裝配式工藝能凸顯其在施工效率、施工成本、節(jié)能環(huán)保方面的作用。但目前的PC 建筑中BIM 技術(shù)必不可少，為提高PC 建筑施工建設(shè)水平，工程企業(yè)在當前及未來需持續(xù)研究BIM 技術(shù)的應(yīng)用。