BIM 技术在装配式混凝土建筑中的应用

杨智明，赵小明，陈 斌，黄 瑞，杜晓英，马国清

（甘肃第六建设集团股份有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

现阶段我国装配式建筑正处于实现工业化与信息化相互融合转型升级的阶段，装配式混凝土建筑是工业化建筑的主要结构形式，BIM 技术作为建筑全寿命周期的管理手段，能够助推建筑工业化及信息融合，促进建筑产业化升级，符合国家战略发展的要求。如何能够更好地实现 BIM 在装配式混凝土建筑中的应用具有重要的意义［1，2］。

1 BIM+装配式混凝土建筑相关理论概述及其研究

1.1 装配式混凝土建筑的特点

装配式混凝土建筑是施工建造变革的重要标志，本文研究的装配式混凝土建筑具有系统性、整体协同性、多元性及减提并行性四大典型特点［3-5］。

1.2 BIM 技术理念及优势

BIM 技术是基于工程信息化的强有力的工具，最终得以实现建筑的智能化。BIM 技术的优势主要基于技术及管理两个大方面。

1）技术方面。BIM 技术拥有机电管线、构件、预埋件及零配件等一系列标准化族库功能，不同参数化构件，达到参数化设计的目的。

2）管理方面。基于 BIM 技术的三维模型建立，设计方面可以进行性能分析、可视化交底，综合各方面项目协同作用，从而进行碰撞检测、施工模拟及进度控制，最终实现空间分析、可视化规划及可视化节点方面的展示。基于 BIM 技术提取工程关联数据，实现数据交换，同时还能为后续运营工作提供相关数据支持，做到数据集成与传递。

1.3 装配式混凝土建筑领域 BIM 软件类型及功能总结

1）深化设计。标准化生产模式及准确无误数据对于构件的精准设计和可视化设计具有重要的作用，如图 1 所示。

图1 PC建筑要求

2）软件要求。软件对项目进行审阅、模拟及协调可视化仿真管理。

1.4 BIM 技术应用于装配式混凝土建筑的可行性

解决问题的根本方法是将 BIM 技术在装配式混凝土建筑设计、生产施工的各个环节互通，提供一体化的服务。BIM 技术是信息化技术的辅助手段［6，7］，装配式混凝土建筑使 BIM 技术的强项得以充分发挥，利用 BIM 技术能够更好地实现装配式混凝土建筑施工应用管理。

1）设计阶段。BIM 能够提供相应参数化族库，保证建筑标准化、模块化的实现。

2）生产阶段。装配式混凝土建筑发展带动工厂数字化革命，BIM 技术提供信息源，通过转码技术能够自动化导入中央系统，连接加工设备、完成模具安装、智能布料、振捣及养护，在构件中植入二维码，实现构件实时追踪，实现减少成本，提高效率作用［8，9］。

2 应用分析

2.1 装配式混凝土建筑存在的问题

建筑全生命周期涉及环节多，主要问题涉及 BIM 技术在装配式混凝土应用从深化设计到施工阶段。

1）深化设计问题。装配式混凝土构件的深化设计从模具的设计、钢筋布置等方面如一个环节出错，相应的其他环节都需改进。

2）场地布置问题。传统场地布置中，项目体量大，预制构件多，构件功能分区不规范，现场物资分配及码放控制力度不足，构件不能合理存放。装配式混凝土建筑以构件为核心，施工阶段塔吊吊装过程至关重要。

3）进度管理问题。设计进度直接影响生产加工和现场安装。传统 CAD 的使用，对装配式建筑设计要求高，设计过程考虑构件内部、构件之间碰撞，整个施工过程构件数量众多，图量大，出图较困难，影响了设计进度；材料的采购合理与否会直接影响到构件的加工进度。

4）构件管理问题。构件是装配式建筑的核心，施工现场采取挂标识牌的管理手段，手续过程复杂，现场票据过多，存在大量重复性管理工作，出错程度高，信息流通速度较慢。装配式混凝土构架数量庞大、种类多，施工过程中现场吊装存在着错用、乱用、混乱等现象，不容易掌握装配式混凝土构件所处的状态。

2.2 BIM 应用构架及关键技术

装配式混凝土建筑主要有前期策划、设计、生产、施工、运维等各个阶段，就基于 BIM 技术在图纸深化设计、施工阶段提出了 BIM 技术的应用框架。

2.2.1 深化设计阶段

1）深化设计原因。传统设计图纸包含信息不全面，需要提供详细的构件信息，同时还需多个专业间的项目融合及相互配合，装配式混凝土构件的设计需要考虑吊装预埋、吊装措施等各类相关信息。

2）深化设计目的。实现信息之间的整合，排除碰撞之间的冲突，指导现场生产安装。

2.2.2 生产阶段

1）生产前。基于 BIM 技术在装配式混凝土建筑深化模型数据提供精确的工程数量统计，辅助施工现场管理人员提前合理安排生产采购数量计划。

2）生产阶段。依据数控生产，将信息载入数控生产设备，实现无纸化加工，减少二次输入数据错误。

2.2.3 施工阶段

1）优化施工进度。PC 装配式混凝土建筑施工阶段流程复杂，采用基于 BIM 技术按照工程实际进度进行 4 D 施工模拟，及时发现进度计划的不合理处，实现管理前置。

2）优化施工吊装流程。装配式混凝土建筑构件是施工阶段重要环节内容，吊装前做好施工准备、合理确定吊装流程很重要，如图 2 所示。

图2 PC施工流程图

3 BIM 在实际项目中的应用

3.1 项目介绍及 BIM 软件选择

本工程为天水装配式建筑产业园一期建设项目为例，工程主要分为两部分，办公区及食堂，办公区主要功能为办公室、工具间、楼梯间、热水间等。食堂部分主要功能为一般管理人员食堂、工人食堂、操作间、消洗间、冷库、熟食库等。总建筑面积 5 489.76 m2，建筑物基底面积 1 541.29 m2，建筑高度 16.65 m，如图 3 所示。

图3 项目总体地理位置图

3.2 建立模型

基于 BIM 技术建立模型，首先需要定制规格，作为自动化快速建模准则，项目基于逆向设计，将电子图导入 BIM 软件中，利用界面中模块设置标准构件板、墙及柱，赋予各构件相应参数及集合属性，如图 4 所示。

图4 Revit 建模

3.3 深化设计

3.3.1 构件拆分

装配式混凝土构件精细化设计，将构件进行拆分，达到装配组合特点。Revit 软件拆分构件具有两种特定方式，其一是“由分到合”，利用预制构件族库拼装；其二是“由总到分”，利用好拆分工具及“临时隐藏/隔离”配合进行拆分设计，如图 5～图 7 所示。

图5 构件拆分工具

图6 隔离图元显示的构件

图7 拆分图

3.3.2 组建参数化族库

BIM 族库拥有标准化装配式混凝土构件模型，拥有内置标准化装配式混凝土构件模型，主要有钢筋类型族、线条轮廓族、出图表达族、设计预埋件族等保存到文件库中，如图 8 所示。

图8 Revit 创建 PC 剪力墙模型

3.3.3 深化设计

装配式混凝土建筑深化设计要做细、做精，便于后期工厂出具精确的加工图及加工。

1）钢筋布置。Revit 软件中载入所需钢筋形状，按标准位置放置所需钢筋，标注钢筋模型，实现模型精细化管理。

2）预留处理。深化设计要提前考虑预留洞口，包括管线预埋，脚手架搭设的预留洞口位置，传统的 CAD 在二维模式下设计立体感弱，专业间的衔接较困难，设计好构件后交由专业设计师进行连接预埋，管线的设计由工艺设计师整合，如图 9 所示。

图9 部分深化设计图

二维模式管线伸出装配式混凝土构件顶部长度过短，设计中如果不能及时发现，会造成堵塞，基于 BIM 技术的可视化环境中能够及时修改排查，修改伸出长度增加到 5 cm，如图 10 所示。

图10 优化前后对比

图 11 所示为建筑设计中的入户配电箱，原设计 CAD图纸的预留配电箱下翻管线间距 30 mm，基于 BIM 技术的可视化环境下管线间距过大，施工后期会阻碍线管接入配电箱，管线间距最终经过项目部研究缩短了一半多。

图11 优化前后对比

3.3.4 碰撞检测

设计结果的准确性对施工项目质量、进度及安全等方面具有较大影响，传统的二维设计立体感差，各专业之间沟通不畅，图纸会审及图纸交底难度大，会导致生产构件不合格，容易造成返工。

3.4 施工阶段

3.4.1 方案模拟优化

1）场地布置。基于 BIM 技术能够对施工项目各阶段平面图进行布置，结合不同的施工阶段建立模型，Revit 软件中导入平面布置图，根据体量通过项目其他单元轮廓进行描绘，能表达出建筑单元工程、场地布置、施工现场机具的布置、道路的规划及材料堆场等问题，减少了库存量，避免了现场二次搬运。三维软件模拟对装配式混凝土建筑构件堆场进行布置，合理对构件堆场及钢筋加工棚进行规划设计。

2）脚手架方案选择。装配式结构复杂，原计划方案会导致工期拖延，脚手架间距过大容易造成施工安全问题的发生，不利于节约成本。基于 BIM 技术的三维软件模拟施工及 Midas 应力计算，结合项目结构特点，利用 BIM 进行方案选优，如图 12 所示。

图12 三维软件模拟及应力计算

3.4.2 施工进度模拟

事中和事后控制通常处于被动的状态，基于 BIM 技术能够将施工进度进行管控前置，通过施工虚拟预演，提前调整好施工计划，避免施工冲突的发生，具体步骤如下：①编制进度计划；②进度模拟；③吊装模拟，如图 13～14 所示。

图13 进度计划示意图

图14 进度模拟图示意图

3.4.3 二维码跟踪

施工过程构件量大，构件生产及施工紧密衔接，为保证装配式混凝土构件加工、施工质量，准确掌握构件钢筋的绑扎、运输、进场堆放、验收及吊装的情况，施工项目在装配式混凝土建筑构件加工、运输及验收全过程使用二维码进行数据采集，如图 15～17 所示。

图15 生产二维码

图16 扫描跟踪示意图

图17 质量问题反馈示意图

3.5 应用 BIM 技术带来的效益

项目 BIM 技术从设计开始介入，结合不同类型的专业模型，提早发现设计图纸中不足及错误之处，可减少 35 % 的返工，通过对施工阶段的施工方案进行模拟优化，能够减少返工量高达 30 %，引入二维码对装配式混凝土构件进行全程监控，实时反馈。

4 结语

装配式混凝土建筑转变了传统的粗放型作业方式，是实现建筑施工工业化、促进产业化升级的核心内容。本文通过对 BIM 技术在装配式混凝土建筑中的应用基础上展开研究，主要成果如下。

1）总结了我国装配式混凝土建筑的研究及发展现状，分析传统构件施工技术体系不成熟、设计难度大、装配式体系的薄弱点及难点。

2）以装配式混凝土建筑项目为例，将 BIM 技术应用到深化设计、现场平面布置、施工进度模拟等方面，为提高深化设计效率，优化施工现场布置方案做好准备工作。

BIM 技术在装配式混凝土建筑中应用不断探索，本文对装配式建筑深化设计及施工阶段的 BIM 应用进行研究，目前存在的问题如下。

1）本文研究内容主要是装配式混凝土建筑，没有研究 BIM 技术在其他装配式结构体系中的应用情况。

2）应用阶段发现 BIM 技术具有一定局限性，缺失相关标准，应在后续工作中应进行补充。

3）BIM 技术的推广需要技术储备，需要管理思想的改变，因此在推广应用方面难度较大，后续研究过程中应不断完善软件功能。Q