基于BIM技术的装配式建筑精细化施工管理研究

寇园园 ，刘 凯

（1. 山东科技大学 经济管理学院，山东 青岛 266590；2. 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590；3. 山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590，E-mail：kailiuyy@163.com）

随着社会的快速发展和城市化进程的推进，对 建筑行业的要求越来越高。装配式建筑构件为工厂制作，建造速度快，精度和质量好，能最大限制地满足“四节一环保”的绿色建筑设计和施工要求，与现代化的建筑业发展相契合，得到了国家的大力支持。

我国的BIM技术发展比较晚，目前主要集中在设计阶段，在装配式建筑施工项目管理方面的应用相对较少。王巧雯[1]结合装配式建筑和BIM技术的特点，分析了BIM技术在装配式建筑全生命周期中的应用价值，建立了基于BIM技术的装配式建筑协同平台。蒋博雅等[2]利用Revit API和C#高级程序语言技术，建立了轻型装配式建造过程的数据统计分析流程。刘丹丹等[3]从创建模型、碰撞检测、进度模拟、实时漫游4个方面，探讨了BIM技术在装配式建筑设计和建造过程中的应用。李强年等[4]构建了制约因素的ISM模型，认为制约我国装配式建筑发展的根本原因是缺乏专业人才。张健等[5]构建了基于BIM平台的装配式建筑集成体系，推进了BIM技术在装配式建筑中的应用。陈敬武等[6]提出以BIM技术为信息化手段、精益建造为指导思想的装配式建筑管理模式。董娜等[7]建立了装配式建筑施工阶段BIM技术的成熟度评价模型。王爱领等[8]构建了一种基于灰色聚类的装配式建筑的 BIM 应用能力评价模型。刘金典等[9]提出了一种新的基于BIM 技术和激光扫描的装配式体系建造管理与质量控制方法。曹新颖等[10]结合BIM技术和RFID技术的核心价值，建立了装配式构件生产的质量管理体系。冯晓科[11]分析了 BIM 技术在装配式建筑施工前期策划、构件管控、施工进度管理、场地动态布置、成本管理方面的作用。

然而，装配式建筑的施工过程不同于普通现浇式建筑，它的施工场地不仅是工地，还有工厂，在这两个方面的成本管理、质量管理、安全管理和进度管理在BIM技术的协调下能够更好更快地实现。因此，从BIM技术对装配式建筑施工过程中精细化管理的作用进行分析具有十分重要的理论和实际意义。

1 BIM 技术在装配式建筑中的应用

装配式建筑是指用预制的构件在工地装配而成的建筑，施工方式由传统的湿作业转变为干作业，由现浇式转变为装配式为主[12]。由工厂制作预制构件，运输到施工现场经验收后进行吊装和拼装，节省了大量的施工时间[13]。装配式建筑的施工过程可以用图1清晰地表示出来。

图1 装配式建筑施工过程

针对于装配式建筑的 BIM 模型既是一个包含了装配式建筑所有信息的数据库，也是参与装配式建筑建设各参与方协同工作的平台，在 BIM 平台上，可将3D装配式建筑模型同时间、成本结合起来，从而对建设项目进行直观的施工精细化管理[14]。在施工过程中，利用BIM技术进行4D施工模拟，确定合理的施工方案来指导施工，降低施工过程中发生错误的概率，减少返工，保证其质量管理、安全管理、进度管理，同时BIM模型还可以进行5D模拟，对施工各阶段的费用进行实时监控，来实现成本控制。将BIM技术应用在装配式建筑的设计、生产和施工的各个阶段，提高装配式建筑全生命周期的生产链条更加紧密、合理，有利于推进城市化进程，有利于装配式工程项目质量得到保证，有利于转变建筑业生产方式，有利于节约资源，减少环境污染[15]。

1.1 在成本管理方面的应用

装配式建筑的成本往往比现浇式的建筑还要高出许多，主要原因是预制构件的生产没有实现规模化，也就意味着预制构件的生产未实现规模效益，而且要做成相同的构件，预制构件比传统现浇做法费用更高，并且随着PC率越高，所需的建安成本越高，再加上高额的运输费用，使得装配式建筑的成本相对较高。

1.1.1 BIM技术成本管理优势

BIM技术应用于装配式建筑，对其成本管理方面有着大幅的改善。基于BIM技术的成本控制具有快速、准确、分析能力强等很多优势。

（1）快速准确精细。将可重复利用的构建组成模块库，帮助形成构建标准规模化。并建立基于BIM的5D实际成本数据库动态维护，准确性有很大的提高，汇总分析能力大大加强，速度快。根据BIM模型，可以迅速定位项目各部分的成本数据，以控制工程各部分实际成本。

（2）分析能力强，提高企业对成本的控制能力。运用BIM技术可以多维汇总分析更多种类、更多统计分析条件的成本报表，更加清楚地看到不同时间点对资金的需求，模拟并优化资金筹措和使用分配。通过将BIM模型数据在企业内部进行共享，可以直观地看到每个工程项目的实际成本数据，实现了企业对项目建设成本的总体把握。

（3）虚拟施工。通过BIM技术结合施工方案进行虚拟施工，可以利用BIM技术的可视化效果直观了解施工的过程和结果，能在施工前识别并有效地解决大多数施工风险问题，可以较大程度地减少返工情况的发生。

1.1.2 具体应用

基于BIM技术，建立成本的5D关系数据库，能够快速实行多维度成本分析。在项目规划阶段，BIM 技术可以提高项目可行性分析的效率从而降低其成本；在项目立项决策阶段，运用BIM技术和Revit等软件对项目方案进行详细的规划，提高工程项目施工成本管理的有效性；在项目施工和安装阶段，BIM技术辅助装配式建筑施工和安装管理，提高项目施工和安装的科学性和合理性。

有研究表明，工程量的计算时间在成本计算的过程中占用了至少 50%的时间，而利用 BIM算量的方法会节约近90%的时间，也减少了人为原因的计算错误。运用BIM技术识别模型中的不同构件及模型的几何物理信息，对各种构件的清单类型和工程量进行汇总统计。运用BIM技术对装配式建筑进行虚拟施工模拟，将装配式建筑的生命周期以三维可视化的形式进行预演，而装配式建筑成本也会以可视化形式展现在工程全生命周期过程中。

1.2 在质量管理方面的应用

现阶段我国的装配式建筑大多采用的是坐浆——注浆的方式进行湿连接，由于实施工程中各个环节配合或者操作不当等问题，让装配式建筑的质量埋下了隐患。在质量管理方面，因为不能准确地预知完工后的质量效果，加之各个专业工种相互影响，不能很好地协调沟通。

1.2.1 BIM技术质量管理优势

与传统的二维质量控制相比较，BIM技术的运用提高了装配式建筑质量管理效率，对装配式建筑现场质量做到实时有效的控制，明确质量责任追溯。传统二维质量管理与BIM技术质量管理的优缺点对比如表1所示。

表1 传统二维质量管理与BIM技术质量管理的对比

1.2.2 具体应用

（1）建模前期协同设计。在建模前期，装配式建筑项目建设各参与方基于 BIM 平台可以共同参与项目模型的设计，加强了各方之间的交流合作，并可以在一个统一的模型数据库中进行可视化的图纸会审，既节省了项目成本，又提高了项目设计的效率。

（2）碰撞检测。运用BIM技术对装配式建筑的三维模型进行碰撞优化，将生产的构件与BIM模型数据库进行比对，保证其生产质量，并提高构件在工地吊装拼接的精确性和效率，消除可能在现场发生的构件冲突和碰撞。

（3）施工工序管理控制。运用BIM技术，可以对不同工序活动制定专门的保证质量的技术措施，控制工作流程，设置工序质量控制点，尤其是注意易出问题的关键环节，实现装配式建筑施工工序的预演，加强实际施工工序管理和控制。

1.3 在安全管理方面的应用

与普通建筑相比，装配式建筑施工具有一定的特殊性，如以吊装作业为主、高空作业多等等，由此导致施工中的安全隐患问题较多[16]。传统的方式无法准确地跟踪装配式建筑的动态建设过程，运用BIM技术，可根据装配式建筑的动态模型进行时间和空间上的管理。

1.3.1 BIM技术安全管理优势

（1）可视化的管理。装配式建筑在进行施工的过程中，3D模型提供可视化的项目信息，各参与方能时刻了解到项目的动态变化，通过可视化模型，能够将在施工过程中易出现安全问题的危险源暴露出来，提前制定应对措施，进行安全控制。

（2）优化施工方案。利用BIM技术可以对装配式建筑进行安全检查，在BIM平台上模拟装配式建筑吊装、拼接等各项工序，进行综合分析，能够及时发现在施工过程中的安全隐患，进而对施工方案进行优化，有效地降低发生安全事故的概率。

（3）制定安全应急措施。BIM 技术不仅能够建立可视化的三维模型，而且能够进行4D施工模拟，按照实际的施工过程，对施工过程的不同阶段进行不同的施工安全管理，可以在实际施工之前发现安全隐患，从而制定好安全应急措施。

1.3.2 具体应用

传统的工程项目安全管理存在施工安全策划落后、缺乏对危险源针对性和动态的管理等问题。运用 BIM 技术对装配式建筑施工现场的各项要素进行预设和控制，可以对施工现场进行科学化的安全管理，减少施工过程中的不安全行为，确保装配式建筑项目效益的最大化。其中BIM技术在安全管理中的具体应如图2所示，包括施工准备阶段安全控制、施工过程仿真模拟、施工动态监测和灾害应急管理。

图2 BIM技术在安全管理中的具体应用

1.4 在进度管理方面的应用

1.4.1 BIM技术进度管理优势

（1）构件生产精细化。BIM 技术实现了装配式建筑设计阶段的精细化建模，将可重复利用的构件建立自由组合的模块库，解决了装配式建筑中构件尺寸确定的问题。BIM技术的自动统计和加工图功能，实现了装配式建筑构件工厂精细化生产。

（2）信息利用极大化。三维可视化模型可实现装配式建筑信息的高度共享，降低项目信息过载或信息流失的影响，提高信息利用价值。施工方在进度计划编制过程中，可以大量减少工作人员查看图纸的数量和次数，加快进度计划的编制速度，提高进度计划的准确性。

（3）施工管理可视化。BIM 技术使装配式建筑实现动态施工模拟，从而确定合适的节点搭接方案，在装配式建筑的吊装拼接过程中实现数字化监控，运用BIM技术进行4D进度模拟，可提前发现施工阶段中的潜在问题，以便在施工前期及时修改，提高装配式建筑的施工管理效率。

1.4.2 具体应用

运用BIM技术进行施工进度模拟，通过4D模型进行施工进度检查。BIM技术提供的建筑信息综合模型和模拟装配式建筑吊装和搭接过程，不仅能够对建设项目的施工过程进行控制，而且还能够实现对装配式建筑的场地布置，合理的场地布置能够节省很大的空间，也能够加快装配式建筑吊装和搭接的速度。

2 装配式工程案例分析

2.1 工程概况

本文以某海洋馆为例，其主体为预制钢筋混凝土框架结构，该馆的总建筑面积为49977.15 m2，地上建筑面积为 25419.27 m2，地下建筑面积为11444.75 m2，地下1层，地上3层，局部3.5层，总高度18 m，局部高度22 m。

2.2 应用BIM技术进行成本管理

运用Revit软件，对该海洋馆的建筑、结构、MEP等进行可视化建模，如图3~图6所示。根据现实施工的需要创建项目族，根据设计方案将各族构件进行拼接，在工厂按照族构件的信息进行构件的预制。三维模型能够全方位全尺寸地反映真实工程，每个构件都能够清晰显示出它所在的位置形状以及大小，使得施工人员能够准确地按照图纸施工，降低了误读图纸的可能性，间接降低了成本。

图3 Revit建筑模型

图4 Revit结构模型

图5 Revit MEP模型

图6 Revit综合模型

根据Revit模型能够清楚地看到预制结构的长度、体积等各类实际真实尺寸信息，如图7所示，工厂按照三维模型中构件的详细信息对该海洋馆的预制钢筋混凝土框架结构进行加工，能够保证预制构件的准确性及成本的透明化。既能准确地实现装配式建筑的成本预算，又能够减少甚至避免预制构件工厂加工的错误，降低装配式建筑构件在工厂阶段的成本。

图7 Revit结构框架明细

2.3 应用BIM技术进行质量管理

将该海洋馆的三维立体Revit模型导入Navisworks Manage软件中，运用Clash Detective功能进行碰撞检测，检查模型的准确性，找出构件之间的碰撞点，并进行修改，从而提高模型的精确度。碰撞类型为硬碰撞、软碰撞和间隙碰撞3种。碰撞检测显示结构和建筑之间的硬碰撞有1018处，结构和MEP之间的硬碰撞有842处，建筑和MEP之间的硬碰撞有641处，MEP间隙碰撞有112处，如图8和图9所示。

图8 结构与建筑之间的硬碰撞

图9 MEP的间隙碰撞

BIM 模型碰撞检测后，导出 HTML格式的碰撞检测报告，其包含每个碰撞发生的地点、类型、图元的种类以及碰撞点的截图照片等详细的数据信息。而每一处的碰撞所包含的数据信息又是很庞大的，将这些数据按照图元类别集成起来进行分析归纳，形成结构化和半结构化数据库。碰撞检测的数据结果具有时效性，根据模型的不断完善，碰撞检测的结果是不断改变的。在BIM模型建立的过程中，碰撞检测数据库的信息集合不断地被修改，数据库的信息强度决定了BIM模型的描述和理解，也就决定了 BIM 模型的精确度。根据碰撞检测的结果，实现数据与BIM模型双向链接，以提高模型的精确度为目的，对每个碰撞点进行审阅和核准，然后返回Revit软件中进行修改，每处修改过后都要标记其碰撞点的状态为已解决。在完成所有碰撞点的修改后需要再次进行碰撞检测，直至没有碰撞点的生成，以此保证预制构件的质量以及拼装过程中的施工效率。

2.4 应用BIM技术技术进行安全管理

运用Navisworks Manage软件的TimeLiner功能对该海洋馆模型进行可视化施工模拟分析，还原真实施工场景，进行预制构件的预安装，利用BIM技术的可视化优势识别具有威胁性的因素，借助BIM技术进行施工模拟，将具有危险性因素可能发生的时间和地点进行明确的划分，从而从项目整体上把控和制定不同危险时间和区域的施工进度工作，做好预防准备工作，将可能诱发危险的不安全因素提前排除，保证装配式建筑在实际安装过程中的井然有序。

运用BIM技术，可以对该海洋馆的虚拟施工过程进行实时安全监管（见图 10），安全监控过程如图 11所示。通过 BIM 技术和 Revit、Navisworks软件对海洋馆的三维模型进行碰撞检测，提高模型的精确性，并进行精确的虚拟施工模拟，识别并掌握危险隐患控制点，对具有隐患的预制构件部位、施工工序以及施工区域进行跟踪采集和自动更新，经过安全信息处理后，检验其是否符合安全标准再进行施工。

图10 海洋馆虚拟施工

图11 施工模型安全监控过程

2.5 应用BIM技术进行进度管理

可视化的4D施工模拟能够直观地显示根据施工进度计划该海洋馆的完成情况。根据初步完成的施工进度计划，运用 Navisworks manage软件的TimeLiner功能以动画和甘特图并行的形式展示施工进度，如图12所示。模拟该工程的施工全过程，随着时间的推移，该海洋馆会从基础逐渐地形成完整的项目模型。并且在模拟施工的过程中，可以找到工期分配不合理的地方重新进行施工进度计划优化，施工人员能够直观地找到任何时间点的计划进度状态，提前做好工程所需的准备。在装配式建筑真实的施工过程中，可以实时更新工程的实际进度信息，与计划进度信息进行直观比较，有利于施工人员在施工过程中的调整，减少或消除人员分配和材料准备不合理等问题，提高施工的效率。

图12 施工进度甘特图

3 结语

本文通过对 BIM 技术对装配式建筑施工过程成本管理、质量管理、安全管理和进度管理的分析以及实际案例的模拟应用，研究提出了基于BIM技术的装配式建筑施工过程精细化管理的概念，明确了BIM技术在装配式建筑施工应用上的具体优势，解决了传统工程项目管理方法的缺陷。BIM技术提高了装配式建筑协同设计效率、降低设计误差，优化了预制构件的生产流程，改善了预制构件库存管理，提高了装配式建筑构件设计、生产等工厂施工的效率。BIM 技术使装配式建筑实现动态施工模拟，优化了装配式建筑施工方案，实现了数字化施工监控，提高了装配式建筑吊装、连接等工地施工的效率。