基于BIM技术的装配式建筑施工场地布置及评估

崔维华

(中铁十四局集团第五工程有限公司 山东济宁 272100)

1 引言

建筑信息模型(BIM)技术通过对装配式构件的数字表达，协调各相关方工作及信息共享，实现施工过程的数字化和信息化，在项目全生命周期中辅助工程人员作出决策。施工场地的现场布置通常随着时间的推进动态调整，以适应项目施工的具体需要[1－2]。基于建筑信息模型(BIM)技术信息集成的数据共享理念，利用丰富的参数化数据信息模型、动态模拟、碰撞检测等功能为施工场地的优化布置决策提供有益的数据支持[3]。

相比于传统现浇结构，装配式建筑的施工过程集中在预制构件的吊装，强调塔吊布置、交通道路规划及堆场布置。预制构件的吊装过程精度高、关联性密切，从施工现场场地管理的角度出发，在时间控制和空间布置上都需要更为精准的控制和更为严苛的要求[4]。施工场地是施工过程中物资资源集中调配的中心，传统二维模式的场地布置通常基于图纸作出规划，缺乏可视化的碰撞检测和集成施工过程信息的数字模型，对布置的合理性和科学性缺乏定量的评判指标，因此造成施工工序冲突、资源调配混乱，以致于影响施工进度和工期[5－6]。

自从2010年以来，中国逐渐大力推广绿色装配化施工，国内学者相继提出了BIM技术和装配式建筑的适应性问题。王爱领等[7]基于预制装配式建筑在我国的发展现状和发展前景，指出装配式建筑中应用BIM技术可以有效提高其施工效率；李亚萍等[8]基于BIM技术研究了装配式混凝土结构工程产业化施工中应用，并在装配式工程实际中进行了有益尝试；张建平等[9]研发了4D建筑施工现场管理系统4D-CSMS，实时演示施工过程和场地状况，实现了三维施工场地布置，提供了更为精细的施工设施的动态管理；杨彬等[10]基于BIM信息模型，考虑了施工场地的动态布置，对空间冲突指标进行了量化分析，并结合其他指标提出了布置方案的评选方法。

目前，BIM应用在装配式建筑主要涉及到深化设计及施工过程的应用，而对于施工场地的布置问题缺乏足够的重视，对优化评价指标及方法的研究较少[11－12]。相关场地布置的研究从静态发展到动态优化评估，但目前缺乏更加合理完善的评价优化指标，现阶段施工场地的优化布置研究，缺乏能够支持量化的、动态的施工现场数据信息[13]。基于国内外研究进展，本文依托中国铁建海语城C地块装配式建筑工程，应用BIM技术动态地对装配式建筑施工场地优化布置的控制因素进行定量的分析，以确定最优的场地布置方案。

2 工程概况

中国铁建海语城(红岛)C地块项目位于青岛市城阳区红岛街道田海路三支路与聚贤桥路的交汇处。C地块建筑面积40 479.18 m2，地上面积27 280.44 m2，地下面积13 198.74 m2。其中包含2类高层区共4栋主楼，即C1栋和C3栋为地上16层，地下1层，建筑高度为47.95 m；C2栋和C5栋为地上18层，地下2层，建筑高度为53.85 m。结构类型为剪力墙。地上结构形式均为装配式。

以建立的装配式剪力墙混凝土结构工程为例，见图1所示，模型长度约为33 m，宽度约为16 m。本工程考虑4栋单体装配式建筑同时进行吊装，采用储存吊装法，按照场地储存1～2层的构配件容量考虑。外墙设计为预制剪力墙，采用套筒灌浆方式连接，内墙、梁、楼板、楼梯及阳台板也均为预制，连接节点采用现浇。标准层完整周期从N-1层楼板钢筋、模板工程及楼板混凝土浇筑开始，到N层的预制叠合板吊装完成为止，包括混凝土浇筑、预制剪力墙吊装、预制梁吊装、预制楼梯吊装、叠合板吊装、预制阳台板吊装、钢筋模板工程及浇筑工程等主要工序。

图1 剪力墙结构BIM模型

3 施工场地布置动态BIM模型建立

BIM技术的三维可视化布置使得施工现场的布置更加直观，从装配式建筑构件族库中载入相关的族，以及链接创建好的建筑单体Revit模型，集成各专业模型并形成施工场地模型。针对预制装配化建筑施工的精细化特点，施工场地布置按照工序依次布置[14]:塔式起重机的位置确定、预制构件及临时设施分类布置、配套辅助设施布置、场内交通道路规划，在全面动态过程的装配式施工场地BIM模型信息基础上，进一步地定量分析、计算及方案比选。

3.1 建筑施工场地的创建

依赖BIM软件强大的可视化功能，导入施工场区的GIS地理信息系统数据，根据数据中的坐标点和高程点，创建平面和曲面地形，以模拟真实状态下的场地地形，随后导入Revit软件创建的建筑物模型，在场地中策划各个建筑物的布置和展示。

3.2 垂直运输机械的合理选用、定位

起重设备对施工效率的影响大，租赁费用高，因此，在施工前应充分考虑其型号及安装位置。在预制装配式建筑施工过程中，预制墙、板、梁、柱等结构，自重较大、尺寸各异，需要选择适当的垂直运输机械才能保证构件的运输和安装。按照建筑物体形、空间尺寸确定吊装机械的类别、起重机的数量、起吊幅度和吊钩高度；进一步地，根据对预制构件及辅助机械设备的统计分析确定塔式起重机的起重量和起重力矩，最终从族中选择塔式起重机型号。

由于塔式起重机的起重能力大，因此需要采用较深和较大的基础确保其稳固。为避免与地下室的施工造成矛盾，在塔式起重机布置时，应保证其基础与地下室外边线有一定的富余距离。此外，场地存在多台塔式起重机时，应保证相互之间工作时不存在干扰和交叉，与周边建筑在立面和平面上都存在安全距离。

3.3 预制构件及临时构配件布置

预制构件及临时构配件通常按照1～2层的原则堆放，堆放区的布置要点如下:

(1)尽量缩短预制构件堆放点与主体建筑间的距离，同时保证预制构件便于运输，将其放置于临时道路一侧。

(2)对于数量多、大尺度及重型构件的堆放区宜根据塔吊位置就近布置确定，如墙板、楼板、楼梯等；屋面板、阳台、空调板及预制构件辅助安装设备等，一般沿建筑物堆放在偏外侧的区域。

(3)构件、相关设备应布置在吊装机械有效作用半径范围以内，避免吊装机械空驶和负荷行驶。

(4)临时材料堆放视现场具体情况而定，充分利用建筑物两端空地及吊装机械有效工作半径范围内的其他空地。

3.4 道路运输布置

施工场地四周要设置成单向进出或循环道路，一般宽约为4～6 m，路面要求平整、坚实，两旁要设置排水沟[15]。

由主体工程工期要求、规模以及预制构件种类、数量、最远吊距、最大起吊重量等因素确定吊装机械设备的型号参数，并复核场内堆场位置是否能满足塔吊吊装范围及吊装能力。根据吊装机械布置，准确地划分预制构件堆场、临时设备及材料位置等。场地道路的运输车辆包括预制构件运输车、砼车、泵车、材料运输车，依据施工进度计划编制的材料供给、劳动力配备、设备机械供应等需求信息，规划车辆的运输路线、进出场顺序、临时停放区域，制定运输车辆关键路线。场地布置BIM模型建立的一般流程如图2所示。

图2 BIM施工场地建模流程

4 方案评估流程与方法

4.1 方案评估流程

BIM模型提供了各个阶段的建筑设施数字化数据信息，提取BIM模型的数据构建优化参数指标是进行方案评估的关键工作。基于BIM模型能快速方便地提取建筑信息模型中构件的属性信息数据，根据BIM中信息进行分类，并进行工程量及成本等技术指标的统计及计算。为了能对整个施工过程进行动态的优化评估，针对装配式结构特点按照构件安装顺序进行阶段划分，以划分的主要控制施工工序，分阶段地提取相关优化指标。

通过对装配式剪力墙信息模型基础数据的分析，统计计算施工现场布置的技术指标值，并基于数据分析方法对现场布置提出优化改进方案。基于BIM的装配式剪力墙结构施工场地优化布置方法，其步骤包括如下:

(1)施工过程动态划分。在整个工程建设过程中，建筑场地的平面布置并非是一成不变的，而是随着建造的进程而动态变化的。针对装配式剪力墙建筑施工的特殊性，大致可以将其标准层的结构吊装过程细分为5个分项，即预制剪力墙、预制混凝土梁、预制楼梯和阳台、预制混凝土板、钢筋和模板工程。

(2)技术指标的确定。评估装配式剪力墙建筑的施工场地布置的优劣，最为主要的考核指标有6个:第一个为安全性指标，在模型中，根据安全设备、消防设施和管线排布等各个方面给出综合安全评定分数，将安全性指标定量化；第二个为场地利用率指标，即在BIM场地平面布置模型中，统计出施工设施占用面积和施工用地净面积，计算两者的比值进行量化场地利用率；第三个为施工成本指标，主要考虑劳动力费用、材料费用、设备费用和二次转运费用等，可以通过施工场地模型导入造价定额，采用BIM模型的自动化工程量统计，将各种费用进行成本核算；第四个为施工效率指标，主要考虑构件的吊装时间和吊装距离，可以通过施工场地模型中起重设备的工作性能参数、起吊点与起吊高度、转运距离等信息，关联Project的施工时间得到；第五个为二次转运次数指标，主要考虑塔吊工作半径之外材料及设备的二次搬运；第六个为空间冲突指标，考虑现场塔吊、移动车辆及设备之间的空间位置碰撞冲突和空间安全冲突检测。

(3)基于BIM模型的技术指标提取。依靠应用接口对BIM模型中的数据进行提取和统计，包括元素ID、坐标值及几何参数等基础数据。数据的提取包含了装配式建筑各个构件的参数化信息、工程量明细表、临建设施与道路和塔吊之间的空间距离等；指标统计模块则对相应不同分项工程的技术指标值进行计算。

(4)建立方案参数序列的评估矩阵。根据BIM模型的指标统计模块计算的技术指标数值，由此建立各分项工程的多方案技术指标评估矩阵，求取各个方案的关联系数。

(5)确定优化技术指标。由各个方案的关联系数和各技术指标的权重系数得到关联度，并对其进行大小排序，以此判断各分项工程的最优方案排序，确定场地布置方案需优化调整的技术指标。

(6)方案调整及改进。基于计算结果，对关联度矩阵元素值较小方案指标，对应BIM模型进行局部定向调整。

(7)确定场地布置动态最优方案。根据BIM模型的优化模块调整之后的方案，重新进入步骤(3)、(4)、(5)、(6)进行迭代计算，直到计算结果收敛，即为各个分项工程的最优方案，同时取各分项工程最优方案组成施工现场布置方案最优组合。

4.2 比选方案的确定

图3为场地布置BIM模型，计划工期为6 d吊装一层。

图3 装配式剪力墙混凝土结构实例

(1)第1天上午进行楼板钢筋检查及楼板降板模板工程。下午13点开始进行第N-1层混凝土浇筑，混凝土总量约为180 m3，计划浇筑时间约为7 h。晚上20:00点结束。

(2)第2天从上午6点开始进行第N层的施工测量放线以及监理验线工作，计划用时4 h，10点结束。放出轴线、轮廓线，要求所放墨线宽度不宜超过1 mm。

(3)7点开始进行预制剪力墙吊装前的准备工作，包括吊具检查、支撑预埋件检查、钢筋位置确认调整工作，计划用时3 h，10点结束。

(4)第2天上午10点开始进行预制剪力墙吊装工作，每块预制剪力墙吊装计划用时20 min，共30块墙板，合计10 h，下午19点结束。如果未完成可以考虑在第3天上午6点到9点进行吊装。

(5)第3天上午6点开始进行预制剪力墙底模板封堵工作，每块预制剪力墙墙板封堵计划用时8 min，共30块，共需4 h，10点完成。第3天下午13点开始预制梁支撑组装，下午18点结束。

(6)第3天上午10点开始进行预制剪力墙套筒灌浆工作，每块预制剪力墙灌浆计划用时12 min，共30块墙板，共需6 h，下午17点完成。

(7)预制现浇结合部钢筋绑扎，可在不影响灌浆工作同时进行。

(8)第4天上午6点开始进行预制叠合楼板支撑的组装及板底找平工作，计划用时6 h，12点完成。同时，进行内墙模板合模工作。第4天上午6点进行预制梁吊装工作，每块预制梁吊装计划用时15 min，共13块梁，上午9点吊装完成；第4天下午13点开始进行预制楼的吊装工作，每块预制楼梯吊装计划用时20 min，共4块，下午15点完成。

(9)第5天上午6点开始进行预制叠合楼板吊装工作，每块预制叠合板吊装计划用时20 min，共30块叠合板，共需10 h，下午17点完成。

(10)第6天上午6点开始进行预制阳台板吊装、预制叠合楼上部钢筋绑扎以及线管预埋工作，计划下午18点完成。

综合工期计划以及建设内容，提出4种施工场地布置方案，如图4所示。

图4 施工场地布置比选方案

4.3 方案的评估

本文采用灰色关联分析法对施工场地布置方案进行评估。

首先，建立装配式建筑的BIM模型信息，根据施工进度计划表，结合构件编号编制预制构件进场顺序、吊装及浇筑的进度计划。

其次，结合各阶段施工组织设计的相关要求，对场地进行布置，基于Revit软件的Dynamo可视化编程工具提取模型的堆场、道路及临时设施等图元的相关基础数据信息，包括编号、坐标、元素ID等。

第三，根据前文提及的塔吊布置方式，确定4种场地布置方案，并分别统计计算场地布置模型的安全、成本、吊装效率及其他相关技术指标。其中对各安全技术指标进行综合评分，成本考虑人员调配、材料运输、机械设备布置及二次搬运费等，吊装距离及时间根据现场预制构件的吊装路径及塔吊特性统计计算。经分析计算得到相关指标数据如表1所示。

表1 各方案技术指标值

最后，建立灰色关联度分析模型，对装配式建筑施工场地布置涉及安全、成本、吊装等的6项指标进行综合比较分析，确定评估矩阵作为参考序列，其中安全性为正向型指标，其他指标为逆向型指标，得到无量纲化矩阵Zij:

计算4个方案比较序列与参考数列对应元素的关联系数ξij:

根据熵权理论计算得到各指标的权重W:

计算4个方案与参考序列的关联度P:

P＝(0.766 35 0.632 01 0.723 80 0.658 94)

综上所述，四个方案关联度大小依次为P(A)>P(C)>P(D)>P(B)，故方案A为最优方案。

5 结论

(1)相比传统的二维平面施工现场场地的设计方法，装配式建筑施工场地布置的BIM虚拟建造技术，结合了施工进度计划表进行场地塔吊、堆场及道路的布置，通过调用装配式构件族库族组资源，进行参数化建模，使得施工场地布置从可视性、精确度以及效率上都得到很大的改进。

(2)从装配式建筑吊装的施工特点出发，提出了评价场地布置方案的技术指标，由BIM模型统计计算了各优化指标值，对量化了的各技术指标，采用灰色关联度分析模型可确定最优布置方案，整个评估优化过程基于参数化BIM模型，数据分析程序化，分析方法更准确、可靠。