BIM技术在装配式建筑施工管理中的应用研究

王威 蒋业浩 吴凤先

（1.扬州市职业大学，江苏 扬州 225009；2.南京市水务工程建设管理中心，江苏 南京 210017）

引言

改革开放以来，我国的建筑产业得到了突飞猛进的发展，目前已经成为国家经济的重要支柱。建筑产业的发展对城市的发展、建设起着关键的作用，特别是“十三五”规划纲要提出，到2020年我国城镇化率将达到60%，预计到2030年我国城镇化率将达到70%左右[1]，要实现这个目标，必将离不开建筑业的助力。然而，与我国建筑产业巨大的规模相比，传统的建造技术还存在技术水平低、劳动力密集、施工效率低、污染环境等特点，难以满足新时代建筑的“适用、经济、安全、绿色”需要，因此在全面推进生态文明建设、加快推进新型城镇化进程中，推动建造方式革新意义重大。

装配式是建造方式变革的重要“硬件”支撑技术。装配式建筑是将传统建造方式中现场浇筑转移到工厂中进行生产，在工厂加工制作好建筑用构件和配件（如楼板、墙板、楼梯、阳台等），运输到施工现场，如同搭积木一样进行现场组装。这种施工方式生产效率高，减少了人工劳动，节能环保，符合绿色建筑的需求，因此在“十三五”规划提出“到 2020年，装配式建筑面积占新建建筑面积比例达到15%”。若要实现建造方式的重大变革，除了要具备“硬件”——装配式技术以外，还需要“软件”支撑，这个“软件”即为BIM技术。

BIM即建筑信息化模型，是建筑物所有组成构件参数及特性的信息化表达，具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等优点[2]，其强大的信息整合能力，可以为建设项目的全生命周期中的决策提供可靠信息，BIM技术的应用能够增强各方协作，避免人为错误，节省工程投资。BIM技术与装配式施工方式结合后，将能够大大保证装配式建筑施工质量，提高施工效率，节约建造成本。BIM技术能够为装配式建筑的设计、施工、运营、维护全寿命阶段助力，本文主要从施工准备、施工模拟以及动态管理三个方面阐述BIM技术在装配式建筑施工过程中的应用。

1 BIM技术在装配式建筑施工准备中的应用

正式施工前，需要做好施工准备工作。传统的施工工艺按照施工要求需要满足基本条件：“五通（水通、电通、道路通、电话通、排水通）”、“一平（场地平整）”，另外还需做好充足的技术、人员、材料机械设备的准备工作。

与传统施工方法相比，装配式建筑具有一个显著的特点：即主要建筑原件——建筑所需的预制构件并不是在现场生产的，而是在预制构件厂生产后运输到施工现场进行安装的，因此，除了做好传统的施工准备工作外，装配式建筑施工前还需做好预制构件的生产优化。利用BIM技术可以在两个方面实现对预制构件的生产优化：

（1）预制构件生产的准确性。预制构件信息准确性是保证装配式建筑顺利施工的重要前提。这里的准确性包含两个含义：一是预制构件的几何信息要准确，二是预制构件的生产数量要准确。装配式建筑设计工作完成后，还需进一步深化设计。预制构件的设计精度会大大影响现场施工的准确程度以及其后工序的施工进度和完成效果。以预制外保温墙板为例，预制外保温墙板是由结构层、保温层、保温防护层构成，结构层中要明确钢筋的信息和布置情况，此外，为了提高装配效率，还要在墙板中预埋钢筋灌浆套筒，墙板上预留门窗洞口，进户的水电管线、预埋件，运输、吊装中需要的临时预埋件。传统的二维设计方法难以全面、准确地表现这些信息，一旦信息错误，就会导致现场安装无法顺利进行，需要根据安装情况在墙板上开孔或者开槽。不但破坏了结构，影响了施工进度，而且也会影响安装后的效果。引入BIM技术，建立保温墙板的BIM模型，构件中钢筋的布置、机电管线预埋线槽、以及门窗洞口预埋件等信息都会在模型中精确展示，大大提高了设计精度，同时有效缩短了设计周期。在建立满足施工精度的BIM模型基础上，预制构件生产商通过装配式建筑的BIM模型提取构件信息，这些信息包含了构件的几何信息、材料信息，汇总后即可得到该构件的需求总量。具体过程如图1所示。

相比于通过施工图纸进行构件的手工计算方法，BIM技术大大提高了计算效率，保证了构件的生产精度，构件生产数量更加准确，减少了构件生产过多造成的浪费，也杜绝了构件数量生产不足对施工的影响。

（2）优化预制构件的生产流程。装配式建筑大量的构件均需在工厂完成，这些构件如果一次性全部生产，工厂需要大面积场地进行储存，同时还需要精心养护，这样无疑会增加建筑成本。最理想的状况是按照装配式建筑施工进度所需的构件种类及数量，随用随产，这样能够大大减少场地的占用以及养护的费用。利用 BIM模型，结合装配式建筑的施工进度，可计算完成不同进度阶段所需的构件种类及数量，用以指导装配式构件厂的生产计划。

2 BIM技术在装配式建筑施工模拟中的应用

2.1 优选施工方案

建筑工程在施工前需制定施工方案，特别是一些施工难度大、危险性高、复杂的工程还需制定专项施工方案。工程师要依据相应的规范、标准，利用价值工程理论，选择施工工序，各工序要实现合理搭接和流水，从而实现工程的进度目标和质量目标。传统施工方案的制定更多地依赖于工程师的丰富经验，但是当工程规模比较大，施工工序复杂时，仅仅依靠工程师的经验，难以找到最优解，必须进行多方案比对，这时就凸显出BIM的优势。基于BIM技术，施工过程中涉及到施工环境、施工机械、施工人员以及施工材料都能够建立数字化模型，如果模型精度足够高，这些模型能够实现还原真实对象，以模型为基础结合仿真技术，能够真实、可靠地再现施工过程。对于不同的施工方案，都能够通过BIM来实现，而且更重要的是一旦模型建立后，方案模拟的过程几乎不需要成本，从而实现施工方案的优选。

与传统混凝土现浇的施工方法不同，装配式建筑更多的是对构件进行类似“搭积木”一样的安装，这样施工过程需要投入更多的机械，包括起重机械、约束机械、安装机械等，施工机械的使用效率决定了整体施工过程效率。BIM能够模拟整个安装流程：从构件运输开始，到现场储存，构件二次搬运，起重机械起吊就位，最后利用安装工具对构件进行安装。利用 BIM模拟不同的施工方案，评估各个方案的施工效率，如构件存储场地尽量合理，从而减少二次搬运的发生，起重机械布置合理，不碰撞，利用率高。利用BIM优选施工方案的流程如图2所示。

图1 BIM提取构件信息示意图

图2 BIM优选施工方案流程图

2.2 装配式建筑的碰撞检测

建设项目涉及到多专业、多部门协作，施工前依靠各方进行平面施工图纸会审的办法，很难有效发现各专业产生冲入、碰撞的部位。BIM具有可视化的特点，利用这个特性可以将各专业（建筑、结构、给排水、机电、消防、设备等）模型综合起来，检查各个专业管道之间的碰撞以及管道与结构的碰撞。如发现碰撞及时调整，这样就较好地避免施工中管道发生碰撞和拆除重新安装的问题，加快了施工进度，提高了施工精度。[3]目前，BIM在碰撞检测方面应用较为普遍。

装配式建筑进行碰撞检测时重点关注两个方面：一是各专业管道之间以及各专业与构件之间的碰撞、冲突情况；二是装配式构件与构件之间的碰撞、冲突。一般而言，碰撞检测遵循以下步骤：各专业建好BIM模型后，Navisworks通过works将各专业（建筑、结构、暖通、电气、设备等）模型综合起来，利用Navisworks的碰撞检测功能进行模型综合检查，一旦产生碰撞、冲突的情况，冲突部位则自动显示出来，同时会给出调整建议，解决碰撞冲突问题。对于装配式构件，除了检查构件与其他专业管道的冲突情况，还可以检查预制构件能否顺利安装，如预制主梁与次梁连接时须在梁上开槽，若开槽的尺寸与位置不准确，那么主梁与次梁就不能很好连接，造成构件返工，影响施工进度。利用BIM技术进行碰撞检测的基本过程如图3所示。

图3 BIM碰撞检测流程

3 BIM技术在装配式建筑施工动态管理中的应用

3.1 成本动态管理

节约施工成本，在合理的范围内追求利润最大化是施工企业期望的目标。我国建筑业平均产值利润率低，成本高，施工过程中成本控制效果不理想。主要原因是信息更新不及时，缺乏动态成本控制，进度、质量难以把控[4]，特别是装配式建筑，由于施工工序复杂，采用传统的成本控制方法，造成装配式建筑成本高于现浇结构[5]，影响了装配式建筑的推广。利用BIM信息化技术的实时性、可模拟的特点，将BIM技术应用于施工管理阶段，将有助于降低装配式建筑的施工成本。

成本控制关键是要合理安排人员、材料、机械设备以及建设资金的使用计划。利用装配式3DBIM模型，结合时间进度形成4DBIM模型，此模型引入成本信息后，则构成5DBIM模型。此外结合信息技术，将含有构件新的RFID信息植入预制构件中，实际的施工进度能够实时在BIM模型中体现。通过5DBIM模型能够随时获取施工进度和已消耗的预制构件以及已完成的工程量，实现对任意时间段的成本及进度分析，精确掌握资源消耗的重点阶段，结合工程项目的预算信息，进而有效实现对装配式建筑施工成本的精细控制及管理。

3.2 施工现场的安全管理

随着建筑规模越来越大，建筑工期越来越急，建筑施工安全问题愈发突出，亟需革新管理模式和技术手段，改善现场安全管理。[6]利用BIM技术能够对施工现场重要生产要素的状态进行模拟和分析，有助于加强安全策划工作。BIM技术在施工安全管理方面主要应用于以下几点：

（1）危险源识别。BIM能够对施工过程中的所有要素进行模拟，通过对施工过程的动态模拟，在正式施工前，安全管理人员能够直观地对施工过程中出现的危险源进行辨识、分析、评价，对施工过程中可能出现的危险源进行统计分析，制定施工安全策略。这种方法不仅仅依靠管理人员的经验，危险源识别更加直观、全面。

（2）安全交底与培训。目前国内建筑工人进行安全培训时往往采用讲授或案例的办法，通过规定来限制危险性行为，一旦工作量比较大或者是工期比较急，工人往往忽视了安全规定，造成危险性事故发生。利用BIM技术对实际施工环境进行虚拟仿真，特别是危险性大的工序能够生动形象地再现，有助于加强工人对安全条例的理解，减少危险行为的发生。

（3）危险区域管理。所有的工程事故都是由人的因素引起的，建筑工程中由于工程规模大、机械设备多，施工过程中，很多区域具有一定的危险性，比如施工中常见的“四口”（预留洞口、电梯井口、通道口、楼梯口）、“五临边”（楼面临边、屋面临边、阳台临边、升降口临边、基坑临边）。为了防止工人有意或无意进入这些危险区域，利用 BIM 技术结合远程定位以及信息无线传输技术，能够实现对施工危险区域的动态管理。例如每一施工阶段的危险区域，可以在BIM模型中进行标识，同时在工人安全帽上植入GPS定位芯片，并将GPS定位信息输入BIM模型。一旦现场工人进入危险区域，模型会以声音或高亮显示的方式进行预警，现场通过声音对危险行为进行警示。同时也能够对进入危险区域的行为进行记录，根据记录结果对安全形式进行分析，对工人采取有效的奖惩措施。

4 结语

本文详细阐述了BIM在装配式建筑的施工准备阶段、施工模拟以及施工过程中的动态管理方面的实践点及具体应用流程。当前，BIM虽然在建筑工程中广泛应用，但是由于BIM涉及到的软件众多，各软件存在软件相互协调、模型数据通用的问题，使得BIM技术的应用往往局限于某一阶段，介入深度不够，在工程项目的设计、施工、运维全寿命阶段难以得到广泛、高效的应用。因此研究BIM的通用数据标准，结合大数据、云技术、无线通讯技术等手段，必将促进装配式建筑的机械化、自动化建造水平快速提高，使得我国建筑工程的建造方式产生质的飞跃。