数字化建造引领复杂装饰项目降本增效

刘飞 上海市建筑装饰工程集团有限公司项目经理

随着室内设计的表达形式越来越复杂，将艺术幻想呈现在现实世界里的同时控制好项目成本是一个难题。对于传统建筑施工企业，由于生产方式过于粗放而导致的资源浪费严重成为项目成本管控的绊脚石。装配式施工凭借损耗少、工期短等诸多优点本应成为很好的解决方式。但我国当下装配式施工成本居高不下，严重制约了施工企业应用发展。如何以最低的施工成本提供最优质的项目是装配式建筑发展的根本动力。BIM 信息技术具备高度可视化、协同化、仿真化、标准化、精细化等特点，能够为降低装配式建筑施工成本提供有效的信息化手段，促进装配式建筑施工成本控制水平的提升，降低项目成本、提高功效[1]。

1 数字化建造的概念

在信息技术迅速发展的大环境下，传统施工企业向精细化、数字化建造转型升级的需求愈发迫切。BIM 和云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等信息技术正在转型升级。

“数字化建造技术”泛指利用BIM技术将信息对象转化成数字信号，通过电脑存储、处理，由计算机网络进行传输的诸多软硬件技术。其中，虚拟现实技术、智能科技、大型数据库系统以及计算机网络对于建筑设计的初期构思、设计方案优化和施工过程辅助等方面都发挥着巨大的作用。从过程上，数字化建造技术是建筑信息模型技术的综合，呈现了建筑信息模型在测量、建造等实际过程的信息要点，是数字化、虚拟化、精细化控制建筑信息模型的深层次利用[2]。

2 数字化建造对于传统建造在成本控制上的作用

2.1 模拟施工替代实体化工作

数字化并非单指所设计建筑的模型，还能模拟出平面图纸上难以表达的工序、工艺，以及在前期阶段无法实际实施事物的预演，比如节能减排、应急疏散、热能传导、安装管线与装饰构架饰面碰撞等各类模拟。施工阶段的物料消耗和费用支出情况十分复杂，特别是在有复杂异形装饰饰面的项目上，如果缺少数字化平台的支撑，以传统的技术手段势必在图纸深化、构造设计、小样制作、实样确认中浪费大量的时间成本、人力成本及物料成本，很难做到项目成本与进度、工序工艺的精确匹配。

而引进数字化BIM 技术后，在项目前期准备阶段便可实施三维模拟建造，将大量实体化工作转化为数字平台的虚拟建造，能够节约大量样板材料损耗及时间成本。例如一旦发生设计变更或构造优化时，传统模式下造价工程师需要进行手工比对差异后才能计算出变更对成本造成的影响。引入BIM 技术后，设计与成本软件一致性关联集成，能够直观地将变更内容可视化直观地呈现出来，既提高了成本计算的成效，又增强了计算结果的可靠性[3]。另外，变更的内容效果也可以在虚拟平台中即时呈现，避免因反复制作实物样板造成的材料与人工的浪费。

2.2 提高资源利用率

BIM 技术在复杂异形饰面装饰项目全过程管理中的应用能够有效提高资源利用率，避免浪费或过度损耗。复杂异形饰面正式施工前需要开展施工方案策划及构造节点深化设计工作，确保其准确性、合理性，以免影响工程的施工质量和效益。

在深化设计中，BIM 技术的合理运用能够对所需资源及成本进行科学计算和分析，根据各阶段作业要求展开规划和处理，避免浪费或不正常的费用支出，保证工程作业的有效落实。与此同时，在BIM 技术的作用下，对造价成本加以严格把控，确保工程最终的经济效益。传统深化设计模式中，对技术及造价管理的重视度不高，会存在技术和成本控制不专业、不合理的现象，导致成本控制工作未能达到理想效果。但是在采用BIM 技术后会落实优化完善传统装饰深化设计中存在的薄弱环节，显著提升装饰构造节点的经济性以及可行性。

2.3 优化改进深化设计质量与效率

深化设计环节对装饰项目施工具有决定性作用，对工程造价及工程质量也有显著影响。传统深化设计方式主要采用 CAD 软件设计绘图，部分工作人员无法了解设计图纸的主要内容，技术交底也出现了较为明显的不足。应用数字化BIM 技术后可及时了解深化设计中的各项问题与不足，第一时间指出深化中的问题项，并采取有效的控制和处理措施。

BIM 技术可在建模的基础上，实现设计施工的可视化，工作人员也可更加合理和准确地掌握设计中的主要内容，基于建筑模型可视化，全面了解工程的特殊需求。在深化设计审核工作中，确定深化意图。深化设计期间若发现明显的设计问题和相关专业问题，BIM 技术则会及时跟进调整，从而保证工程深化设计的整体效果于质量。

3 数字化建造在金砖银行异形吊顶降本增效的应用

3.1 董事会议室吊顶介绍

金砖银行30F 董事会议室，设计师设计了一个整体呈椭圆形喇叭口形状（图1）、表面有三角形面片组成、总计约有3 000 多块大小不相等的金属板块喇叭造型的吊顶。整体寓意代表着中国向这世界喊话，引领时代的步伐。

3.2 施工方案初步设想

这个设计方案主要有以下几个难点：

（1）曲面造型，预计大量出现双曲饰面。针对双曲异形，由于BIM 技术的兴起，模型制作配合工厂数字化加工，想要实现复杂的设计已不再是难事。

（2）使用什么材料来实现设计的意图。使用纯金显然是不现实的，一开始考虑GRG 表面金箔的处理方式，但试验下来效果并不能让人满意。经过多重比选，最终选择了铜铝复合材料，由表皮黄铜来诠释色泽与金属的质感。通过铜铝复合，在减少整个吊顶荷载同时可以增加整个吊顶的强度及易加工性。

（3）保证曲面造型的和谐顺畅。一般曲面造型为了减少曲度，会采用沿曲面法线竖向排布或者采用其他更易控制的三角形或者六边形。最终在权衡造价、加工周期与加工设备综合考量之后，本项目选择以三角组合方式来实现最终的施工。曲面的顺滑度是决定最终完成度的最重要的环节。曲面在现实空间中的三维定位是除了曲面材料之外更大的挑战。因此曲面背后的龙骨，也必须采用参数化设计，而非传统的主次龙骨。并且每一个安装节点都需要具备三维可调。

若按传统的手工方式要解决上述难题，唯一的做法就是现场放样，制作大量1∶1 的实物套板，现场拼装调节完毕后再到工厂进行加工生产，这样会造成较大的浪费及时工期上的延误。本项目引入了数字化建造技术来提高前期深化设计的效率，通过装配式施工来节省施工过程中的时间成本及材料的损耗。

3.3 数字化建造在项目降本增效的应用

当团队拿到设计下发的施工图纸后，第一时间就对原投标方案进行了对比测算，发现结果极不乐观：按照现有的施工图纸，项目将出现较大的亏损。

通过成本测算对比发现（表1），仅一项吊顶施工就要亏损94.7 万元。再加上前面所述的采用传统手段解决异形装饰面的施工造成的时间与资源的浪费，更是难以估计。因此本项目采用了BIM数字化建造技术针对降本增效采取一系列的措施，具体内容如下。

表1 成本对比分析表

3.3.1 深化阶段的数据采集与逆向建模技术

异形装饰面与常规装饰面相比，其主要难点在于现场测量与精准定位问题。平面设计图纸转换到空间实体的过程中，一旦某些关键数据出现偏差，最终往往导致异形饰面在正式安装时无法形成最终的闭合，只能再收头部位草草处理、强行安装，影响工程质量与观感效果。精准的现场实际数据是所有精细化装饰施工的基础。传统测量方式精度不足且误差较大，尤其像金砖银行董事会议室喇叭吊顶这种大量双曲异形装饰面材料的分割、下单，对现场数据要求更高。而且传统测量结果只能以二维图纸呈现，空间上的过度变化难以体现，更无法直接指导深化设计与材料下单。

针对这个问题，采取的办法是用三维激光扫描技术采集现场环境数据。该技术可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠[4]。

由于技术上突破了传统的单点测量方法，其最大特点就是精度高、速度快、逼近原形。在项目实施过程中，通过应用三维激光扫描仪，在喇叭吊顶深化设计前对董事会议室现场实际结构数据进行采集，通过点云数据快速构建出吊顶所在空间的三维模型，以及线、面、体、空间等各种制图数据，整体误差低于4 mm。数字化测量省去了传统测量还需搭设登高设施的时间、材料与人力成本，加上本身高速、精准的测量方式，为喇叭吊顶的后续构架深化与饰面板块的设计拆分打下了坚实的基础。

通过此项技术，项目极大的缩短了现场测量数据使用的时间，增加了测量的成效。同时因为是无接触测量，省去了脚手架的搭设工作降低了措施费成本。

3.3.2 数字模型应用基层优化降本

由于基层施工也是项目的一个亏损点，本项目通过应用BIM 模型进行受力分析，减小截面大小、排布间距，使结构在满足设计要求的同时，富余部分最小化。

（1）受力分析降低成本

根据原设计要求的数据,面层荷载为35 kg/m2，结构应力为215 N/mm2，结构位移为10 mm。原设计图纸钢架尺寸为120＊60＊5 mm 的矩形管，吊杆、主钢之间的间距为1 m，用钢量为8.2 t。相比投标亏损6.1 万。经过结构软件分析，发现设计存在大量富余部分。

根据模型受力分析结果，对富余部分结构进行优化，减小钢材截面尺寸，缩小至100＊50＊5 mm 的矩形管，增大吊杆间距至2 m，主龙骨间距1.5 m，钢材重量减少至7.3 t，节约成本3.5 万。

（2）次钢构预制化

根据传统工艺，次钢构算在基层报价内，由钢结构厂单独加工。但该项目为异形造型曲面，空间变化多造成次钢切割、焊接费用高，加上设计选用50＊50＊5 mm矩形管，重达4.26 t，建造代价较大。为了改变这个情况，本项目运用了模块化施工方案，利用装配化思路，把次钢架与面层进行整合，采取工厂化预制加工提高基层的安装效率以及精度。次钢材料则可使用5 mm 厚钢板替代，重量减轻2 t，降低原材料成本。通过对基层的优化，最大限度的节省了用钢量及现场安装周期，对将本增效起到了较好的作用。

3.3.3 基于BIM 模型的饰面板块优化降本

按照原设计模型主要有以下几个亏损点。一是变化幅度大，板块数量多。板块从下最小的100 mm 宽开始至最上1 500 mm 宽（图2），变化幅度大，导致块数多达3 千片。二是板块加工困难，1 500 mm 的宽度大于标准铜板材尺寸为1 100 mm，加上每块三角面板均为弧形，所以必须开模浇筑工艺实现。三是投标时候未考虑工艺做法，仅考虑铝板安装，未根据板块的样式考虑浇筑工艺、蜂窝铝板复合工艺以及拼装加工费用等。

图2 原设计BIM 模型（单位：mm）

为了在保证设计效果的前提下降低项目成本，还是通过数字化建造技术，经过板块分割、排版深化。

（1）板块分割降本

饰面板块的分割应考虑加工过程、运输过程及存储过程中对尺寸、重量的限制。可通过参数化BIM 分析软件（如Rhino+Grasshooper、Dynamo 等） 进行不同分块方案的模拟。首先，通过BIM软件三维建模，模拟了最低点6.7 m，最高点9 m 的整个“喇叭顶”的造型。结合图纸样式、三维模型及铜板自身材质，将喇叭吊顶从上至下分为1 000 mm至300 mm 的渐变尺寸。宽度尽量按照与高度相等分割，尽可能构成等边三角形，使整体造型更饱满，把3 000 片三角板减少至1 729 片，板块模数总体减少了60%，控制在40 几种左右。由此拼装费节省5 万元。此分割方式与平板造型均得到了设计师认可，因此工艺顺利的由铸造的方式改为铜板切割，节省制造费用52 万元。

（2）排版深化降低损耗

解决了板块分割问题，之后就是对饰面排版的深化。从面层BIM 模型中把分割完整的表皮展平成二维的三角板块，经过表皮模型的参数化排版、输出，确定加工非标准尺寸板，损耗减小至10%以内。继续通过在原有标准板块上打乱顺序重新排列的方式，将最终损耗控制到了5%以内。

3.3.4 模拟施工优化安装方式

从以往的工程经验可以知道，传统的施工方式在异形饰面施工时有很多弊端，往往会边施工边现场调整施工方式来确保饰面安装的效果。而在喇叭吊顶施工时，利用了数字化建造技术，对安装工艺进行了优化与预演，及时发现可能出现的问题，提高施工现场效率，加快工厂内的加工及调整速度、节约成本，增加产品质量[5]。通过模拟施工将1 729块三角片划分为120 片单元块，减少将近65 个人工时，降低成本4 万元。并且所有板块均在工厂内加工拼装，控制了尺寸精度，提高了产品质量，极大的减少了后期整改的费用。

另外，对单元板块安装进行了动画模拟（图3），通过合理的节点模拟，减少产品安装的返工，提高效率。

图3 动画效果图

4 数字化建造应用在金砖银行降本的成效

数字化建造技术在本项目的应用，改变了传统的深化设计方式。BIM 工业化软件的运用，改善了传统深化速度慢、效率低、修改困难、复杂异形造型表达不准确、无法与加工设备交互，资源浪费等问题，极大的提高了深化的工作效率。基于BIM 模型进行深化设计、施工方案选择、加工排版优化，BIM 模型已经贯穿至了项目的每个方面。精确的模型数据在项目全生命周期得到了应用。依托数字化建造技术，本项目深度结合了装配化的生产方式，将原先大部分施工现场的时间及产品质量风险移至工厂，提高了现场实际施工效率，也增加了产品的精度和质量。在实现建筑工业化落地的同时，极大的降低了建造成本。

通过数字化建造技术的运用，喇叭吊顶的实际成本不仅低于传统工艺的实测成本，且还比投标报价降低了8 万元，使原本项目的亏损点逆转为了赢利点。

5 总结

复杂装饰面的深化设计、施工成本居高不下一直是困扰建筑装饰施工企业的痛点。传统工艺的浪费及工效低下以及质量的不稳定性一直亟待解决。通过对复杂装饰饰面进行数字化建造技术应用，能够做到可视化、无实际原材料浪费的施工方案比选，模拟可实施性。在实际施工中，通过数字模型与工厂化加工、装配式施工相结合的方式，既缩短现场加工周期，又保证了质量的稳定性，最终实现整体降本增效。

综上所述，应充分发挥数字建造技术与装配式施工的优势结合，形成一套业务落地、技术领先的数字化建造装配式施工体系，为装饰企业通过技术手段降本增效提供全面解决方案与更有价值的服务。