BIM技术在装配式建筑工程全生命周期中的应用研究

高鑫（广州市住宅建筑设计院有限公司山西分公司，山西太原 030009）

传统的建筑产业具有高能耗、长周期、低效率、粗放发展以及高劳动力消耗等缺点，已远不能满足目前国家对环境目标的要求[1]。与此同时，在人口日趋老龄化的中国，可利用的建筑劳动力日益减少，劳动力成本不断攀升，发展智能化建造、装配化建筑、集成化制造成为未来的主流趋势，这也是传统建筑业迭代升级、建筑工业化的必然要求[2]。装配式建筑将建筑物拆解为不同部分，按照标准化的生产方式在工厂进行预制造，将成品运输到现场后采用拼装的方式将各个构件组成建筑整体，因此具有现场安装快速、施工简单、对人员素质要求较低等优点，使得装配式建筑的比例日益提升。建筑信息化是推动预制装配式建筑走向工业化的有效手段，BIM技术作为建筑信息化、智能化的实现方式，与装配式建筑结合将极大地推动建筑智能建造的创新与实践[3]。

1 BIM技术与装配式建筑

1.1 BIM技术

BIM技术是在数字信息技术的发展下诞生的，它响应了建筑智能化、可视化、信息化、低碳化和全生命周期化的需求，取代了传统的二维建筑设计方法和建造理念，促进了建筑朝着智慧建造的方向迭代升级，是当下建筑行业最为重要的发展方向之一[4-5]。BIM技术是集成多维度模型信息的技术，它包含了建筑全生命周期的信息流，从决策阶段到设计阶段，再到施工阶段和运维阶段都可以为各阶段的参与方提供信息共享平台，可实现建筑设计阶段的三维建模、构件的参数化，在施工阶段还可以实现技术交底、施工5D模拟和场地布置，在运营阶段实现对模型数据的查询、访问以及权限内的上传和修改，是信息流在建筑全生命周期传递的有效途径[6]。

1.2 装配式建筑及全生命周期管理

预制装配式混凝土建筑施工是应用工业化产品的生产方式，在工厂将建筑结构分成柱体、梁体、墙体、楼梯、阳台等构件进行预制，随后运输至现场按照设计图纸进行吊装拼接，连接方式有套筒灌浆连接、现浇连接等方式，达到“等同现浇”的效果，以形成整体的建筑结构[7]。

由于装配式建筑的生产、安装以及运维均是在不同的时空条件下发生，各个阶段的工作复杂而精细，需要一体化的构件设计、制造和运输、安装和维护的精细化全生命周期管理，避免了信息流、物流和现金流在决策、建设和运维阶段的碎片化管理，创建了全过程的建筑工程信息模型，从而将管理贯穿于建筑的全生命周期[8]。装配式建筑按照一定的规则，比如梁、板、柱或墙面等，将建筑进行拆解，实现了构件在工厂工业化以及流水化生产，BIM技术通过建立虚拟三维数值模型，实现了建筑物建造的信息化，两者的结合将有力地推动建筑工业的转型升级，也有利于对装配式建筑全生命周期穿透式管理。

2 工程概况

山西省太原市某房地产项目为重大民生工程，位于太原市东南角，规划用地面积约120735m2，按照施工图设计，用地范围内提供高层民用住宅、多层民用住宅和商业零售办公用房的一体化城市生活、零售解决方案，总建筑面积达到352398.85m2，其中高层民用住宅一共26栋，建筑面积达到291337.00m2，多层住宅一共7栋，建筑面积达到64092m2，商用零售办公用房2栋，建筑面积15504.66m2，其他为配套服务用房面积。高层住宅楼采用装配式剪力墙结构，装配率不小于60%。计划工期为2018年6月30日开工至2019年12月31日竣工。基于BIM技术建立的装配式建筑三维模型如图1所示。

图1 装配式建筑项目的BIM三维模型

3 BIM技术在装配式建筑全生命周期中的应用

在现有装配式建筑研究中，大部分的研究主要集中于某个阶段或者某个方面，比如生产制造阶段的节能减排、绿色建造，还有建造阶段的施工技术、管理模式等，这些研究无法全面和客观地反映装配式建筑全身生命周期的信息化驱动机制，存在着信息孤岛，而BIM技术通过构建一个数据化的建筑信息模型，使得建筑信息流能够实现共享，各专业及各参与方可根据自身的需要对技术和管理信息的获取。与传统的现浇建筑工程不同，装配式建筑的全生命周期包含了建筑构件在工厂的生产制造，因此，BIM技术在装配式建筑工程全生命周期中的具体实现过程如图2所示。

3.1 项目规划设计阶段

装配式建筑在规划设计阶段的工作内容众多，包含规划选址、场地分析、模型建立、图纸绘制、设计冲突图检查、工程量统计及造价管理。BIM技术可以结合VR技术或者GIS技术，利用其自身的三维可视化特点，在规划阶段可以实现规划选址和场地分析。通过BIM技术建立场地边界条件以及地形空间信息模型，可以为决策者提供直观的场地建设条件分析，进而创建合理的建设方案，避免了传统工程项目规划的无标注和无规程。BIM技术也可以整合多专业进行协同规划方案的比选，模拟规划建造过程，对建设场地内的建筑物布置、结构的几何形状及选型、日照分析等内容进行分析，实现规划前期阶段的全专业融合。

图2 BIM技术在装配式建筑工程全生命周期中的实现过程

在设计阶段，BIM技术可以对装配式构件建立参数化模型，通过对模型的属性和尺寸进行定义，依据BIM模型中的参数化功能实现模型之间的相互关联，结构的参数只要发生变动，其余相互关联的参数就会发生相应的修改，避免了传统设计中采用CAD图形平面设计时的烦琐改图，大大节约了设计成本，加速了设计周期，特别是对于构件几何尺寸复杂、新技术应用节点等，可以达到良好的设计效率；其次，BIM技术可以实现设计的碰撞检查，在装配式建筑中，涉及的构件数量非常之多，传统的建筑设计往往依赖于二维图纸，无法实现可视化和碰撞检测，只有到施工阶段才能发现建筑的碰撞问题，导致了诸多的施工变更和工期延迟，而BIM技术可通过三维数字模型的建立，对设备和管道这类构件实现碰撞监测，达到及时修改的目的，如图3所示。

图3 装配式建筑项目设计阶段管线的排布与碰撞检查

3.2 构件生产制造阶段

构件生产是居于装配式建筑设计与施工的中间环节，构件信息的精准输入和输出显得尤为重要，然而，装配式建筑的构件结构形式多样、尺寸多变，因此对生产制造过程中构件的信息管理显得尤为重要。基于BIM技术，可以辅助实现构件的定位和追踪，其主要方法是在生产制造阶段为每个生产构件赋予一个ID（RFID标签），每个ID具有唯一性，其包含了构件的材料属性、构件尺寸、生产日期、生产质量、生产工程等各种信息，在构件的制造、仓储、运输、吊装和安装过程中产生的施工信息均根据ID进行定位和追踪，以保证装配式建筑构件生产和建造过程的无缺陷和按需生产。装配式建筑构件ID是建筑信息化集约化管理的有力体现，它直接将虚拟的BIM数字模型与实际的构件实体相互联系，完成了从传统粗放式生产向精细化生产的转变，保证了信息在装配式建筑全生命周期中的流动。

3.3 建筑施工建造阶段

装配式建筑的建造方式属于“搭积木式”的施工，它通过将工厂生产完成的预制构件运输至现场按照一定的拼接方式将构件之间连接拼装，BIM技术可以构建三维数字模型，结合GIS地理信息系统对施工场地的设备机械、生产车间以及生产流程等施工场地进行布置，并与时间轴相结合，实现施工模拟的4D生产，并可直观地提供动画施工交底，完成装配式建筑的数字化生产，达到提供施工管理效率、提高工程建造质量、节约工程造价、缩短建设工期的目的。

3.4 项目运营维护阶段

在项目运营维护阶段，BIM技术可与装配式建筑的实体相互联系，建立装配式建筑构架、建筑设备、建筑管线与虚拟三维BIM模型的映射关系，并通过现场的监测传感器对装配式建筑的运行情况进行实时监测，判别结构构件的健康状况、建筑设备的运行情况等，能够实现建筑构件的监控，对扩建拆除以及翻新改造等进行管理，实现物业管理的无缝对接。以运营阶段的开扩建设为例，BIM技术依据结构受力传感器对建筑物的承载性能、变形性能、耐久性能进行监测和数据采集，并可通过外部接口，使监测数据具有机器学习的能力，提供对结构健康状况的判别，以辅助人工做出是否维修的决策。

4 结语

以山西省太原市某装配式房地产项目为研究对象，在分析BIM技术以及装配式建筑全生命周期的概念基础上，对BIM技术在装配式建筑全生命周期中的实现进行研究，得到以下几点结论：

（1）装配式建筑将建筑物按照不同类型的构件进行拆解，实现了建筑物的工业化生产，BIM技术通过建立虚拟三维数值模型，实现了建筑物建造的信息化，两者的结合将有力地推动建筑工业的转型升级，也有利于对装配式建筑全生命周期穿透式地管理。

（2）BIM技术实现了信息数据在装配式建筑全生命周期中的传递和反馈，通过构建一个数据化的建筑信息模型，使得建筑信息流能够实现共享，进而实现了装配式建筑全生命周期管理的有机统一。

（3）在规划阶段，BIM技术可以为装配式建筑的规划选址和场地分析提供支撑，在设计阶段则可以提供三维建模、碰撞监测和造价管理；在生产制造阶段可以实现构件全流程的定位追踪；在施工建造阶段可以实现场地布置、施工模拟和数字化建造；在运营阶段可以实现建筑构件的监控、扩建拆除以及翻新改造等管理。