裝配式混凝土住宅建筑中BIM技術(shù)的有效應(yīng)用

吳鳳珍

（河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042）

0 引 言

裝配式建筑的發(fā)展，推動了城市化發(fā)展的進(jìn)程。截至2022年底，我國城鎮(zhèn)人口總數(shù)已超9.2億，城市常住人口城鎮(zhèn)化率為65.22%，比2021年底提高了0.50%。同年我國房屋施工面積達(dá)到97億㎡，這不僅消耗了大量的建筑資源，也增加了對自然環(huán)境的污染與破壞。在以城鎮(zhèn)化建筑為依托促進(jìn)社會發(fā)展的過程中，亟需引進(jìn)、普及與可持續(xù)理念相匹配的建設(shè)與施工模式。裝配式建筑模式能夠?qū)⒄w建筑細(xì)分為各個構(gòu)件并進(jìn)行分門別類的生產(chǎn)，而后經(jīng)由工廠預(yù)制再運輸?shù)街付ǖ牡攸c進(jìn)行現(xiàn)場吊裝與連接，能夠?qū)崿F(xiàn)從既有“建造”模式到“制造”模式的轉(zhuǎn)變。裝配式建筑不僅能大大降低混凝土建筑的施工周期與建設(shè)成本，同時也可以達(dá)到提升建筑質(zhì)量與效率、維護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的，是城鎮(zhèn)化建筑的主要發(fā)展趨勢。然而新型的建造模式需要依托與之相匹配的管理技術(shù)，建筑信息模型（Building Information Modeling，后文簡稱BIM）技術(shù)的優(yōu)勢也使其成為加強裝配式建筑質(zhì)量、效率與經(jīng)濟性的最好保障。本文以鄭州某裝配式混凝土建筑工程為例，對BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢與技術(shù)要點進(jìn)行分析，研究成果可為相關(guān)領(lǐng)域的工作人員提供經(jīng)驗借鑒與參考。

1 工程概況

該項目工程為4棟裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)倒班樓所組成的住宅建筑，其總建筑面積為18042.4m2，每棟建筑共計地上7 層，每層高度為3.55m，東西方向?qū)挾葹?3.55m，南北方向長度為59.4m，依照《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB∕T 51129-2017）對該建筑的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行計算，可知其總裝配率為75.3%，達(dá)到A級裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)，該項目的單棟建筑BIM模擬圖如圖1所示。

圖1 項目BIM模擬圖

2 BIM技術(shù)在設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 建筑平面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

在項目前置規(guī)劃與設(shè)計階段，依照項目承辦方所提出的套間住宅配套功能需求，以BIM技術(shù)為依托對若干備選設(shè)計方案進(jìn)行對比分析，最終確定以開間3.5m、進(jìn)深11.4m的標(biāo)準(zhǔn)戶型開展建設(shè)，針對不同業(yè)主的個性化住宅需求可以在后續(xù)的裝修階段通過對內(nèi)部空間的深化設(shè)計與建設(shè)達(dá)成目的。

2.2 立面預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計

以BIM技術(shù)為依托，實現(xiàn)對南北方向立面構(gòu)件的三維立體化設(shè)計與展示，設(shè)計2塊∕套的標(biāo)準(zhǔn)化外掛板，通過每套外掛板的個性化交錯、排序、安裝實現(xiàn)建筑項目立面的多元化建設(shè)以及建筑構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

2.3 結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計

基于裝配式建筑對時間、經(jīng)濟成本的需求，采用“少規(guī)格、多組合”的設(shè)計原則[1]，將該項目中所需要的預(yù)制構(gòu)件拆分為：5種預(yù)制疊合梁；5種預(yù)制疊合樓板；2種預(yù)制柱；4種外掛墻板；1種預(yù)制樓梯以及1種預(yù)制沉箱構(gòu)件。借助BIM 平臺對不同預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計與建設(shè)模擬，實現(xiàn)對構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，同時落實對生產(chǎn)質(zhì)量的精準(zhǔn)控制。

2.4 創(chuàng)設(shè)建筑項目預(yù)制構(gòu)件線上資源庫

在完成裝配式BIM預(yù)制構(gòu)件模型的設(shè)計與建模后，不斷增加虛擬建模的種類與數(shù)量，豐富預(yù)制構(gòu)件資源并創(chuàng)設(shè)能支撐工程承包團(tuán)隊、監(jiān)理團(tuán)隊、施工團(tuán)隊等多組織協(xié)同設(shè)計、即時交流的線上資源庫、線上設(shè)計平臺[2]。

2.5 深化預(yù)制構(gòu)件圖紙

依托BIM建圖軟件構(gòu)件圖紙深化作業(yè)，創(chuàng)設(shè)可交互性的三維立體環(huán)境，利用系統(tǒng)自動檢測各環(huán)節(jié)圖紙中存在的瑕疵與問題，用以幫助項目設(shè)計人員對各構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)化的設(shè)計，避免今后其生產(chǎn)過程中出現(xiàn)因各構(gòu)件質(zhì)量問題而導(dǎo)致的返工情況[3]。該項目在預(yù)制構(gòu)件圖紙深化環(huán)節(jié)中共發(fā)現(xiàn)包含鋼筋沖突、預(yù)制構(gòu)件規(guī)模差異、箍筋位置超出墻體等在內(nèi)的47項問題，在結(jié)合BIM模擬檢測結(jié)果對現(xiàn)有圖紙進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，直接提升了圖紙設(shè)計環(huán)節(jié)的作業(yè)質(zhì)量，同時也為后期的施工環(huán)節(jié)夯實了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。除去對圖紙的深化設(shè)計外，還需要以BIM技術(shù)為依托，對建筑的梁柱節(jié)點進(jìn)行線上預(yù)拼裝模擬作業(yè)。在保障各結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下，在BIM環(huán)境中以更直觀的方式對各項連接工藝進(jìn)行深入研究與細(xì)致調(diào)整，從根源上避免梁柱節(jié)點鋼筋碰撞問題，制定更適合工程項目作業(yè)需求的梁柱吊裝順序方案（如圖2所示）。

圖2 基于BIM技術(shù)的預(yù)裝構(gòu)件拼裝模擬圖

3 BIM技術(shù)在裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 BIM三維模具設(shè)計與生產(chǎn)工藝模擬

在Solidworks中輸入已完成系統(tǒng)與人工監(jiān)測的BIM三維模型，而后依托項目建設(shè)需求在該軟件中進(jìn)行三維模具模型設(shè)計[4]。基于預(yù)制構(gòu)件預(yù)拼裝與脫模的角度對模具進(jìn)行深化設(shè)計，保障模具的精準(zhǔn)性、經(jīng)濟性與實用性。而后結(jié)合實際參數(shù)制作各類預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)模擬視頻，邀請設(shè)計、運輸以及施工等各環(huán)節(jié)技術(shù)人員對相關(guān)視頻進(jìn)行三維可視化交底，保障穩(wěn)定作業(yè)。

3.2 BIM輔助預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)

借助BIM信息化技術(shù)直觀表達(dá)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)加工過程中的配筋空間關(guān)系等。借助相關(guān)軟件程序自動生成下料單、派工單等生產(chǎn)資料，同時利用可視化表達(dá)幫助生產(chǎn)技術(shù)人員更好地分析設(shè)計意圖與生產(chǎn)預(yù)期，提升生產(chǎn)效率與質(zhì)量。最后結(jié)合BIM模型對已完成加工的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行校驗與驗收[5]。

4 BIM技術(shù)在裝配化施工階段的應(yīng)用

4.1 構(gòu)建線上平臺

基于裝配式混凝土建筑的建設(shè)需求，構(gòu)建業(yè)主、設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、施工、監(jiān)理等多單位進(jìn)行即時交流與技術(shù)交底的平臺。該項目綜合各單位作業(yè)需求，最終敲定使用具有輕量化、低時延等優(yōu)勢的EBIM云平臺實現(xiàn)各單位在作業(yè)中的即時交流。以該平臺中的二維碼生成與識別技術(shù)為依托，將設(shè)計、生產(chǎn)與施工三方進(jìn)行緊密銜接，以便于在各方有需要的情況下都能通過線上點擊亦或是線下掃碼的方式對各預(yù)制構(gòu)件的詳情參數(shù)、安裝說明等進(jìn)行了解與反饋。同時滿足相關(guān)人員利用筆記本、手機、平板甚至智能手表等查閱相關(guān)預(yù)制構(gòu)件信息、開展即時交流的需求，有效解決傳統(tǒng)建筑項目中的“信息孤島”問題（掃描構(gòu)件對應(yīng)二維碼后可得到的信息圖如圖3所示）。以EBIM云平臺為依托，幫助相關(guān)作業(yè)人員快速準(zhǔn)確地了解建筑構(gòu)件與建筑材料的具體數(shù)量，同時為工地的物料采購與精細(xì)化材料管理工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[6]。從根源上避免材料堆存、材料庫存不足、材料數(shù)據(jù)申報不精準(zhǔn)等問題以及相關(guān)問題引發(fā)的工期延誤、成本超標(biāo)等。

圖3 構(gòu)件溯源圖示（手機端）

4.2 三維化場布

結(jié)合BIM技術(shù)構(gòu)建三維立體化的施工場地模型，對施工現(xiàn)場中諸如構(gòu)件運輸線路、存放區(qū)域、施工場地道路、臨時水電線路、臨時作業(yè)區(qū)域等進(jìn)行布置。以預(yù)制構(gòu)件運輸線路為例，該項目結(jié)合構(gòu)件規(guī)模、運輸車輛承載力、運輸效率等各方面需求，最終敲定運輸PC構(gòu)件的道路總體寬度需在4m以上，最小轉(zhuǎn)彎半徑需要在15m左右，方能夠精準(zhǔn)適配該項目的構(gòu)件運輸需求，達(dá)成最經(jīng)濟、最高效的吊裝作業(yè)效果。

4.3 可視化技術(shù)交底

以BIM技術(shù)為依托，對各類預(yù)制構(gòu)件的安裝工序進(jìn)行線上三維化模擬，生成相應(yīng)的安裝視頻向技術(shù)人員與施工人員、監(jiān)理人員等進(jìn)行技術(shù)交底，強化相關(guān)人員對現(xiàn)場作業(yè)的技術(shù)儲備。同時保障相關(guān)人員在有需要的情況下能夠及時查閱、調(diào)取、觀看模擬安裝視頻，以便于其及時調(diào)整現(xiàn)場施工細(xì)節(jié)，優(yōu)化施工質(zhì)量。

4.4 施工進(jìn)度控制

關(guān)聯(lián)現(xiàn)場施工進(jìn)度與線上BIM信息施工模型，將空間和時間信息整合在線上可視化4D信息模型中，對后續(xù)各個工序的施工流程、施工時間、材料損耗等信息進(jìn)行預(yù)測。幫助技術(shù)人員宏觀分析施工過程中可能出現(xiàn)的技術(shù)故障與風(fēng)險隱患，對主要的施工技術(shù)、材料資源、人員配置等進(jìn)行合理的調(diào)度與優(yōu)化。

4.5 裝配式混凝土建筑施工工藝模擬

以項目建設(shè)需求為根本，進(jìn)行基于BIM技術(shù)的施工工藝與施工流程模擬演示。過程中需要清晰闡述與工程相關(guān)的所有材料與工藝參數(shù)、工藝流程信息等，可采用文字描述、視頻表達(dá)與語音表達(dá)的方式，重點強調(diào)施工過程中的難點、重點信息，并依托于BIM技術(shù)所模擬的施工結(jié)果，對各環(huán)節(jié)流程以及各個工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

5 BIM技術(shù)在裝配式混凝土建筑中的綠色化應(yīng)用

5.1 在建筑材料方面的綠色化應(yīng)用

BIM技術(shù)可以對建筑工程的各項物料與資源進(jìn)行匯總、調(diào)配，輔以多端口線上信息平臺以及二維碼生成與識別技術(shù)，可以幫助技術(shù)人員在短期內(nèi)明確各建筑資源的信息與用量，精準(zhǔn)計算工程總消耗。除此之外，BIM技術(shù)還能夠?qū)こ讨械呐ā⒔o排水設(shè)計進(jìn)行高效集成，從根源上避免建筑材料的浪費，用以促進(jìn)項目達(dá)成綠色建筑的目的。

5.2 在節(jié)約水資源方面的應(yīng)用

利用BIM技術(shù)創(chuàng)設(shè)建筑模型，同時將建筑所在地的水文條件、降雨信息等數(shù)據(jù)導(dǎo)入到模型之中，依托系統(tǒng)自帶的計算公式，得出精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。以此幫助技術(shù)人員精準(zhǔn)規(guī)避降雨天氣對施工作業(yè)的影響，同時助力其自主采集、回收雨水作建筑補給水，降低整體工程所造成的水資源損耗。

5.3 在建筑室內(nèi)外環(huán)境優(yōu)化中的應(yīng)用

一方面，將BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑外環(huán)境設(shè)計中，在模擬室外環(huán)境的基礎(chǔ)上，對建筑周邊的綠化、垃圾回收等公共設(shè)施進(jìn)行模擬，使得建筑與生態(tài)環(huán)境能夠達(dá)成最佳平衡；另一方面，將BIM技術(shù)與室內(nèi)布局設(shè)計進(jìn)行關(guān)聯(lián)，依托建筑所在地氣候、地理信息構(gòu)建相應(yīng)的采光、通風(fēng)、保溫方案，在突出裝配式建筑綠色化優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，降低業(yè)主入住后的采光、保暖成本與電力資源損耗。

6 結(jié)束語

綜上所述，BIM模型能夠充分整合建筑項目全生命周期中的各種數(shù)據(jù)信息，從而為項目的策劃、設(shè)計、構(gòu)件制作以及施工、運維等各環(huán)節(jié)提供協(xié)同作業(yè)、技術(shù)交底的平臺。科學(xué)應(yīng)用BIM技術(shù)不僅能夠在生產(chǎn)效率、作業(yè)質(zhì)量與建設(shè)經(jīng)濟成本方面提供助力，同時可以為智能化、智慧化的現(xiàn)代建造項目提供最為重要的技術(shù)基礎(chǔ)。加強對BIM技術(shù)的研究，能夠進(jìn)一步地發(fā)揮裝配式混凝土建筑的優(yōu)勢，對整體建筑業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。