基于BIM 虚拟建模的装配式建筑施工效率管理研究

陈先军

（阜阳职业技术学院，安徽 阜阳 236031）

中国当前的建筑行业仍然主要为传统的建筑方式，严重浪费了建筑材料和人力资源，且对环境的污染也非常严重，阻碍了中国的长期可持续发展［1］。为推动经济和资源的良性发展，中国正在推行环保的装配式建筑，目前装配式建筑已经成为中国“十三五”期间的重要战略之一［2］。装配式建筑材料在生产过程中，会受到生产工人能力的影响，造成各个厂家生产的质量各不相同，从而影响到整个建筑的质量；同时，装配式建筑存在施工机械化程度高、吊装工艺难、构件拆分复杂、施工管理能力差等问题，这些问题也影响着装配式建筑的发展［3］。目前，BIM 虚拟建模技术在国内逐渐被应用，通过BIM 构建装配式建筑的3D 模型，在此基础上进行装配式建筑的拆分和优化设计［4］。但怎样才能将BIM 技术有效协调装配式建筑施工过程，提升施工效率，已成为建筑领域中一大热点话题。本研究对装配式建筑施工效率管理问题，介绍了BIM 技术在装配式建筑过程中各个阶段中的应用，旨在为装配式建筑施工提供一定借鉴和参考。

1 BIM 在建筑施工中的应用

1.1 BIM 在施工平面布置中的应用

在布置施工现场时，要以实际施工区域的情况作为基础，通过BIM 模拟方法构建科学合理的平面布置模型方案。有效利用区域内能够利用的空间，如构件的运输路线、存放位置、现场设备的调动，以防止重复运输，一次性满足现场的施工要求［5］。通过BIM 技术对3D 立体规划方案进行构建，能够有效体现出施工现场的实际情况，从而进行科学的布局，避免吊装碰撞等事故的发生。施工平面布置需要遵循原则：一是合理布置场地中设施，以满足施工现场实际所需，合理调配劳动力、设备和施工材料；二是统筹优化生活区、施工区布置；三是合理规划现场路线，满足PC 构件施工特点；四是合理布局塔吊。结合BIM 技术和平面图，构建出施工区域的地形、设备、建筑、材料放置区域、临时水电、临时道路以及生活办公区域的建模，充分考虑设备的布置，避免塔吊等设备发生碰撞，具体的施工平面布置的流程见图1。

图1 BIM 技术应用于施工平面布置的流程图

传统的CAD 场地布置图无法展现出完整的模拟效果，施工中存在的不当之处也难以被发现［6］。应用BIM 虚拟建模技术能够直观展示各个区域之间存在的关系，同时也能显示施工材料在各时间段的运输路线与存放区域，有效防止塔吊等设备之间的碰撞，提升现场施工的效率。

1.2 BIM 技术应用于施工质量、安全质量及进度的管理

1.2.1 施工质量管理

在施工质量管理中，BIM 能够根据施工的流程、工序转换、质量缺陷以及验收等要求，将工程现场情况和模型进行对比，及时找出施工中存在质量及安全隐患问题，并提出质量管控措施，提升施工质量管理效率，完成施工质量管理目标［7］。传统的图纸会审只会对图纸中发现的问题来研究，而应用BIM 可以发现图纸中存在的问题，进一步提升图纸会审的准确度。各个专业方向的人员根据图纸构建相关的BIM 模型，最后再整合所有的模型，找出设计各个方向的图纸中的矛盾之处，同时提出修改意见，达到了提升工作效率的目的。BIM 虚拟建模使得施工技术交底形式突破了传统仅依靠平面图纸交底的形式，使得工作人员能够通过模型直观地了解施工节点的要求，防止因交流问题而造成交底不清的问题出现，有效提升了交底工作的效率。在构件生产之前，应用BIM 技术找出项目中存在的质量隐患，并改进预制构件的转配流程，自行构建厂家生产的BIM 模型，确保构件规格尺寸和质量符合施工要求；在构件生产过程中，应用BIM 技术放置构件的RFID 标签，并在BIM 模型中输入标签信息，帮助现场工作人员了解进场PC 构件的质量。

PC 构建的优化设计方案是基于BIM 技术的立体可视化的演示，并对3D 信息模型进行了构建，模拟构件的安装过程，及时发现潜在的问题并更正，提出的构件的优化设计方案必须满足项目的安装要求［8］。本研究的控制点优化设计方案包括了构件运输优化、构件吊装顺序、构件节点、洞口预留、预埋件的优化设计，以达到施工便利的目的。见表1。

表1 构件的优化设计方案

1.2.2 安全质量管理

在装配式建筑项目安全质量管理中引入BIM技术，并比较施工模型与施工信息。在装配式安全管控中，采用BIM 技术构建施工安全风险控制点、危险施工部位以及关键环节的模型，可有效防止事故的发生，同时应用3D 模型来提前展示各施工环节的安全隐患［9］。随着施工进度的推进，实时展现可能存在的风险并及时进行调整。由于装配式施工中的安全隐患多且分散，施工方可通过BIM 可视化模拟，找出工程中存在的诸多安全隐患，如基坑坍塌、高空跌落、吊装碰撞等一系列的风险因素，并过段采用有效的安全措施来应对各种潜在风险。

构建了BIM 安全模型后，还需要对安全设施族库进行构建，实例参数选择为安全参数，并实现施工现场安全设施的可视化展示，具体的流程为：新建→选择族样板→设定族参数及类别→载入嵌套族→构建族类型参数→创建实体→增加参数信息。本研究以钢筋加工防护棚为例，将通用族选择为钢筋加工防护棚族，其中防护棚主要包含了防护棚顶、基座以及钢架，主要的参数有尺寸标注、材质、装饰以及标识数据，应用BIM 软件修改优化各个参数。优化后的安全设施模型，见图2。

图2 安全设施模型图

各个参建单位可通过BIM 技术直观地看到项目的风险控制点，并根据风险程度来确定风险等级，并按照风险等级采取相应的措施指导现场施工，主要流程为：现场危险源识别→组织风险评估→确定风险等级→风险预防与控制。

1.2.3 施工进度管理

在BIM 中进行施工进度管理，进度计划编制最为便捷直观的方法为Project，Naviswork 软件中Timeliner 方法是能够更好地模拟现场进度［10］。BIM 技术可以有效整合模型，防控工期影响因素，把控施工进度。编制基于BIM 的施工进度计划的流程为：首先工程人员应用Project 对进度计划（BIM 格式）进行编制，通过Naviswork 软件把编制好的文件导入BIM，将模型集合至各个构件上，在运行BIM 模型模拟工程的进度情况。最终的交付成果包含BIM 模型、模拟视频、进度计划、协调资料等，进度计划与模型关联如图3 所示。

图3 进度计划与模型关联

2 BIM 虚拟建模技术在装配式建筑施工中实例分析

2.1 装配式建筑项目概况及BIM 虚拟建模

本研究以某楼盘开发为实例，该楼盘属于装配式产业化高层住宅楼，为城市典型住宅楼建筑群。工程共包括了20 个单元，建筑面积约257326 m2，5F 以下和以上分别为现浇结构层和装配式结构标准层。PC 构件包括叠合梁板、预制内隔墙、预制剪力墙。防火分类为高层I 类，等级为一级防火；使用年限设计为50 年；人防工程类别为甲类；抗力级别为核六级人防。项目存在难点较多，一是各专业之间较差施工，协调难度大；二是机电系统复杂，吊装施工、管线优化难度大；三是PC 构件安装精度、套筒节点注浆要求过高；四是需要严格把控BIM 模拟的准确度；五是项目工程规模大，工期非常紧张；六是工管理协调存在非常大的难度。

通过以上分析，本研究应用BIM 技术进行项目的过程控制与优化。首先应用Revit 构建族库，按照构建的实际尺寸建立PC 族类，并依据设计参数建立PC 构件的构件库。通常，装配式构件类型较多，包括叠合板、叠合梁、外墙板、内墙板、剪力墙版等。通过设计图纸的参数在Revit 软件中构建BIM 模型，见图4。

图4 装配式建筑模型

2.2 施工效率管理实例分析

2.2.1 施工平面布置

应用Revit 软件进行地形设置，对室外倒排管线、主体结构、地库顶的标高布置垂直运输机械；再根据施工实际情况构建出安全设施族库，确保各族库规格统一，加强布局效果；接着再重点关注构件的数量、重量、模板以及混凝土用量，以及材料设备的运输情况，结合项目施工总平面图布置图，应用BIM 技术对围墙、临时道路、人货电梯位置、塔吊布置、构件堆放地等进行3D 建模。应用启用剖分法动态管理施工过程，如对地下车库的构件及管线材质进行了构建，并通过Navisworks对地下车库的结构进行浏览。施工总平面布置模型及BIM 动态管理图见图5。

图5 施工总平面布置模型及BIM 动态管理图

其中，本项目为确保吊装能力，为各个单体均配置了塔吊（QTZ6518）一台，反复检查塔吊旋转半径是否能够重叠使用。在进行PC 构件运输路线布置时，充分考虑了周边线路，应用专业的固定架，避免构件摇晃发生碰撞损坏等现象。通过BIM 建模后，充分分析临时道路的转弯半径、坡度及宽度。

2.2.2 施工质量、安全及进度管理

应用BIM 进行项目的建模工作，及时发现项目图纸中存在的不合理之处，及时进行优化，使得吊装方案能够满足项目实际需求。接着进行了碰撞检查，通过Revit 整合各个专业构建的模型，并由Navisworks 对模型进行碰撞试验的检查，找出模型之间的碰撞部位及数量。碰撞实验内容包括了桥架与风管、叠合连梁纵筋与现浇暗柱纵向钢筋、钢筋与构件、管线之间的碰撞，将实验结果反馈给设计院，再将修改后的图纸进行建模优化，直到完全消除碰撞点为止。例如，桥架和风管的碰撞模拟图，如图6 所示。结果显示，结合图纸建模能够更好地进行施工模拟演示，了解施工重难点，确保施工质量。

图6 桥架和风管的碰撞模拟图

本项目针对施工安全问题，应用BIM 技术对3D 漫游及工人进行技术交底，并在模拟环境中寻找安全隐患重点位置，并在后期的施工过程中重点关注。此外，应用成品支撑架确保墙板的稳定，应用BIM 技术模拟调整构件的垂直度，保障了构件的安装精度，提升墙板斜支撑位置的合理性。

对施工进度的管理而言，本项目采用Project编制了mpp 进度计划文件，并将文件导入Navisw-orks 的Timeliner 中，生成四维施工进度模型。后期随着装配式吊装工程的进展，Timeliner 将自动调整模型信息，以便对项目的进度进行分析。施工进度模拟图，如图7 所示。

图7 施工进度模拟图

2.2.3 施工模拟

在Navisworks 中导入Revit 模型，并在构建的三维模型中导入时间维度得到四维模型，再加入成本参数得到五维模型。本研究通过BIM 模拟吊装施工，并及时找出PC 构件安装中存在的问题，并采取了相应的措施进行处理，在吊装前进行了基于BIM 技术的3D 可视化技术交底。PC 构件安装演示图，见图8。

图8 PC 构件安装演示图

3 结论

研究针对装配式建筑施工，应用了BIM 虚拟建模技术分析了装配式建筑施工效率管理问题。结果显示，结合图纸建模能够更好地进行BIM 施工模拟演示，了解施工重难点，确保施工质量；应用BIM 技术模拟调整构件的垂直度，保障了构件的安装精度，提升了墙板斜支撑位置的合理性；四维施工进度模型方便了对项目的进度进行分析，加快了PC 构件的堆放周转，提升了施工的效率，确保项目能够按照计划进行；应用BIM 进行吊装施工模拟，能够及时找出存在的问题，在吊装前进行基于BIM 技术的3D 可视化技术交底，对后期的实际施工具有指导意义。