装配式建筑集成项目交付应用框架研究*

潘 捷，李松阳，李志勇，吴 方，马智亮

(1.北京建工地产有限责任公司，北京 100101；2.清华大学土木工程系，北京 100084；3.北京建工集团有限责任公司，北京 100055)

0 引言

装配式建筑和传统建筑相比, 具有质量好、施工效率高、浪费少及环境友好等优点[1-4]。在中国政府的推动和房建企业的落实下, 装配式建筑已成为中国建筑行业的发展趋势之一。2020年，全国新开工装配式建筑共计6.3亿m2，较2019年增长50%，占新建建筑面积的比例约为20.5%，完成了《“十三五”装配式建筑行动方案》确定的到2020年达到15%以上的工作目标[5]。

装配式建筑中的部分预制部品部件由工厂加工生产，再运输至施工现场进行安装，因此，和传统建筑相比，其建造过程更为复杂，项目参与方更多样，运用合理的项目交付模式来组织项目各参与方的交流和合作，打通各建造阶段的协同工作，对装配式建筑项目的综合效益具有重要影响。

现阶段，我国建筑工程最常采用的项目交付模式是传统的设计-招标-建造(design-bid-build，DBB)模式。在DBB模式下，一方面，项目各参与方利益目标不统一，很难高效协同工作；另一方面，设计和生产及施工割裂，即设计阶段不会考虑生产阶段和施工阶段可能存在的问题，设计成果难以达到最优。对传统建筑而言，设计阶段的疏漏或失误，会对施工阶段的可施工性等造成影响，其结果最终体现为返工和设计变更，一方面会造成施工成本的增加，另一方面也会延长施工工期。对于装配式建筑，如果设计阶段未能充分考虑生产和施工的需要，除了会引起返工和设计变更外，还可能增加生产完成的预制部品部件无法使用而不得不重新生产的风险，这样会造成巨大的浪费和损失。

集成项目交付(integrated project delivery，IPD)模式起源于发达国家的一种新兴项目交付模式，其核心原则之一是要求项目主要参与方早期参与设计，有助于解决传统DBB模式设计和生产施工割裂的问题，也因此适合应用于装配式建筑项目[6]。按照IPD原则的要求，在装配式建筑设计阶段，生产方、施工方等项目参与方要参与设计，为设计工作出谋划策，优化设计成果，以减少后续生产和施工阶段潜在的问题。如施工图设计时，施工方可从施工性角度提出意见建议；设计预制部品部件拆分时，生产方从预制部品部件生产标准化的角度提出意见建议；深化设计预制部品部件时，施工方从预制部品部件现场易安装的角度提出意见建议。项目多参与方协同工作，有利于装配式建筑设计成果达到精益求精，为后续建造阶段提供高质量、可信赖的生产施工依据。但对于如何在装配式建筑项目中IPD应用及应用效果如何，迄今仍缺乏相关研究和实践。

本研究结合我国工程实际，提出了一种具有可行性、可操作性和先进性的装配式建筑IPD应用框架，明确装配式建筑设计阶段的协同工作流程及施工阶段对相关技术手段的要求。

1 IPD及其核心原则

根据2003年Kent，Becerik-Genber的问卷调查结果，被业内最广泛接受的IPD的定义是美国建筑师协会(American Architects Associate，AIA)在其2007年发布的IPD指导手册中给出的[7]。AIA将IPD定义为一种将商业结构、系统、实践与人员集成至项目实施过程中，充分利用每个项目参与方的知识和远见，达到优化项目执行结果，提升项目对于建设方的价值，在制造和建造等项目实施各个阶段中减少浪费和提高效率的目的的项目交付模式[8]。

IPD通过合同约束将项目各参与方组合成为收益共享、风险共担的利益共同体。在该前提下，其核心原则之一为：要求项目主要参与方在项目早期即参与项目设计，共享己方智慧和经验，通过协同工作来完成精益求精的设计成果。在执行效果上，虽然项目多参与方协同设计会相应延长设计周期，但在精益求精的设计成果指导下，施工阶段的返工和设计变更将显著减少，施工工期和成本也会显著降低。在Kent，Becerik-Genber所调研的IPD项目中，70.3%项目实现了成本节约，59.4%项目成功缩短了工期[7]。除了设计阶段的协同工作之外，在生产和施工阶段，相比于传统项目交付模式，IPD还要求加强对于进度计划的管理及使用先进的技术辅助项目管理[9]。

2 装配式建筑IPD应用框架

由于缺少完善的法律和制度支撑、先进的技术平台支持和成熟的理论指导，IPD现阶段在我国还难以真正落地[10]。如IPD要求在项目初期确定各主要参与方，但我国固有的招投标流程则要求必须先有施工图才能进行施工招投标，这与个别IPD核心原则相悖。为此，本研究结合我国装配式建筑实际发展情况，尽可能满足前文所述的IPD核心原则，建立了装配式建筑IPD应用框架，该框架包含3个关键要素：设计阶段进行多参与方协同设计及协同深化设计、施工阶段基于末位计划系统进行进度管理、全过程应用建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术。

2.1 多参与方协同设计及协同深化设计

装配式建筑传统设计流程是线性的，即设计阶段由设计方独立完成施工图设计，图审通过后进行生产方和施工方的招投标，生产阶段由生产方独立完成预制部品部件深化设计，施工阶段由施工方独立完成施工措施深化设计。该流程中，设计工作并非在设计阶段全部完成，而是被分散至不同阶段，且各个阶段相对割裂，缺乏协同。

基于IPD项目主要参与方早期参与设计的核心原则，本研究首先提出初步方案，再与装配式建筑项目管理专家确认其可行性，经反复迭代，建立装配式建筑多参与方协同设计及协同深化设计流程(见图1)。通过该协同设计及协同深化设计，设计成果将不断被优化，从而减少后续生产和施工阶段潜在的构件出错需重新生产、返工及设计变更等风险。下面从时间节点、项目参与方、实施过程、协同工作平台4个方面对该流程进行阐述。

图1 装配式建筑多参与方协同设计及协同深化设计流程

2.1.1时间节点

装配式建筑多参与方协同设计及协同深化设计应在施工图图审后、预制部品部件生产和施工开始前进行。一方面受限于我国固有的招投标流程，无法在项目初期就确定各主要参与方；另一方面是生产方和施工方过早参与设计所能发挥的价值有限。在施工图图审之后，可确定生产方和施工方，由于装配式建筑项目的地下部分和地上首层部分一般不涉及装配式构件，可以率先开始施工，而在此时间段内，则有时间和条件进行装配式建筑多参与方协同设计及协同深化设计。虽然，此时施工图已基本确定，但只要预制部品部件还未开始生产和施工，就有机会进行协同优化。

2.1.2项目参与方

装配式建筑多参与方协同设计及协同深化设计应由建设方牵头，由设计方、生产方和施工方协同配合来落实具体工作。另外，基于IPD的协同工作涉及多参与方、多专业领域，为保证各方之间高效的交流协作，BIM技术必不可少，即所有的协同设计工作和各方之间的交流均应以BIM模型为媒介。考虑到当前国内部分设计单位和构件厂不具备BIM建模和应用能力，在整个过程中引入BIM咨询方，专门负责根据施工图建立BIM模型，并给予BIM方面的技术指导。

2.1.3实施过程

装配式建筑多参与方协同设计及协同深化设计应采取的实施过程如下。

1)团队组建 建设方牵头项目各参与方组建IPD团队，并向各团队成员明确其工作任务和职责。

2)BIM建模 BIM咨询方根据已通过图审的施工图建立对应的包括建筑、结构、机电、暖通、给排水等多专业BIM模型。如果设计方具备BIM建模和应用的能力，该工作可由设计方直接完成。

3)设计方自查 设计方在BIM模型上进行设计自查，自查内容包括多专业碰撞检查及潜在的设计漏洞等，并对发现的问题进行及时整改。

4)生产方和施工方模型研判 生产方和施工方分别从己方角度出发，对BIM模型进行评价并提出设计优化建议。如生产方可以考虑自身预制部品部件生产模台尺寸的限制，对BIM模型中预制部品部件的拆分和模数协调提出建议，以使得生产阶段所有预制部品部件均能正常生产，并能最大程度地发挥生产线生产效率；施工方可以考虑自身施工机具的限制，如塔式起重机最大起重量，对预制部品部件拆分提出建议，以使得施工阶段在保证所有预制部品部件能正常吊装的前提下，所选用的施工机具最经济合理。

5)设计成果修改 设计方根据上一步中生产方和施工方反馈的设计优化建议，对BIM模型进行优化修改。对于一般项目，该研判修改仅进行1轮即可得到相对优化的方案；对于复杂项目，该研判修改可以循环进行多轮，直至达到各方均认可的优化方案。

6)部品部件深化设计 生产方在优化后的BIM模型基础上，进行预制部品部件深化设计，建立深化设计模型。

7)部品部件深化设计研判 施工方从预制部品部件吊装施工的角度，对预制部品部件深化设计提出优化建议。如考虑塔式起重机吊装的需求，预制部品部件中应设计相应的预埋件等。

8)部品部件深化设计修改 生产方根据上一步中施工方反馈的优化建议，对预制部品部件深化设计进行修改。同样，根据项目复杂程度不同，该研判修改过程可以进行1轮或多轮。

9)施工措施深化设计和施工实施文件编制 施工方以前面协同设计得到的设计BIM模型和预制部品部件深化设计BIM模型为基础，进行施工措施深化设计，并利用BIM技术，完成施工组织设计和施工方案编制。

在以上协同设计和协同深化设计实施过程中，建设方应全程跟进追踪，及时协调解决各参与方之间的矛盾冲突；BIM咨询方也应全程参与，为各参与方提供BIM技术解决方案。

2.1.4协同工作平台

装配式建筑协同设计和协同深化设计过程可能存在循环迭代式的工作过程，即针对同一设计成果进行反复优化，因此，同一设计成果就会存在多个不同版本，如何对版本进行高效有序的管理对于装配式建筑协同设计和协同深化设计过程的执行至关重要。此外，在利用BIM模型作为协同工作信息交流媒介的同时，如何对信息进行高效传递和管理，使正确信息在正确时间传递给正确的人也是需要解决的关键问题之一。因此，装配式建筑协同设计和协同深化设计需基于线上的适配其工作流的协同工作平台来实施[11]。

2.2 基于末位计划系统的施工进度管理

IPD核心原则之一为要求加强进度计划管理，其中所使用的重要技术手段之一为末位计划系统(last planner system，LPS)[11]。传统进度计划方法为推式计划方法，依靠上层计划时间节点去推动下层计划的编制和执行，不能充分考虑下层计划中任务执行所需满足的前置条件，如紧前任务、资源约束等，容易造成计划和实际偏离。LPS为拉式计划方法，采用多级动态交互的方式制定计划，制定下层计划时充分考虑当前进度计划的实际完成情况，确定最合理的任务顺序和工作时间，确保任务开始前的一切前置条件均已满足，从而减少进度计划的不确定性，增强其可靠性[12]。

传统建筑施工一般以各施工段的分项工程为单位，所编制的进度计划较为粗糙；而装配式建筑施工则是以预制部品部件为单位，需要编制精细到预制部品部件级的进度计划，充分考虑不同部品部件吊装的先后顺序及吊装与其他工序的交叉配合[13]。LPS思想与该精细化进度计划管理的需求相契合，因此，在装配式建筑施工过程中，宜基于LPS进行进度计划的编排和管理，减小预制部品部件级施工的不确定性，提升施工效率。

2.3 全过程BIM技术应用

在IPD项目中，仅靠二维图纸已不能满足多参与方协同工作和信息交流的需要，必须应用BIM技术[10]。如前文所述，在装配式建筑协同设计和协同深化设计过程中，始终以BIM模型作为信息载体。在生产和施工阶段，同样应使用BIM技术作为提升生产力的工具。如设计阶段进行基于BIM技术的多专业模型碰撞检查和建筑性能分析，生产阶段进行基于BIM技术的预制部品部件深化设计和自动化生产加工，施工阶段进行基于BIM技术的施工模拟和预制部品部件虚拟预拼装。

3 调研验证

为验证所建立的装配式建筑IPD应用框架，本研究对北京建工李遂安置房项目进行了调研。在对20余名各参与方人员系统性讲解IPD和装配式建筑IPD应用框架后，各参与方人员对该框架进行了充分讨论，并提出了相应意见，所提出的意见均已在本研究中落实。经过修改后，各参与方人员一致认为，本研究所建立的装配式建筑IPD应用框架有助于解决当前项目交付模式下装配式建筑建造中存在的问题，且各参与方有意愿和条件来执行该框架。因此，该框架具有先进性和可操作性。

4 结语

本研究结合我国装配式建筑发展现状，基于IPD核心原则，建立了装配式建筑IPD应用框架，该框架要求在设计阶段进行多参与方协同设计和协同深化设计，以消除后续生产施工阶段潜在的预制部品部件重新生产、返工和设计变更；在施工阶段基于末位计划系统进行进度管理，提升进度计划的可靠性；全过程使用BIM技术作为协同工作的辅助工具。对实际工程项目和相关参与方人员的调研表明，所建立的框架具有先进性和可操作性，对IPD应用于我国装配式建筑项目具有指导意义。