基于BIM的装配式建筑研究进展

陈溢晨，陈墅香

（1.福建江夏学院工程学院，福州 350108；2.澳门科技大学人文艺术学院，澳门离岛 999078）

0 引言

2022 年我国《“十四五”建筑业发展规划》为建筑行业的智能化发展吹响了进攻号角，强调大力发展装配式建筑，提出整体构建装配式建筑标准化设计和生产体系，推动生产和施工方式实现智能化升级［1］。制造业的生产组合理念影响着建筑业的更新发展，工厂预制的工业化建筑体系（IBS）与现场组装相结合的装配式建筑越来越受到行业的推崇，预制、装配式、模块化作为可持续发展的建筑技术，大量的新建建筑以装配方式设计施工，建筑信息模型（Buiding Information Model，BIM）作为实现预制装配式建筑现场装配服务的有效工具［2］，基于BIM的装配式建筑领域的研究愈发值得关注。2006 年《Automation in Construction》杂志率先刊发了关于创建BIM的参数化设计的文章，此后，基于BIM的装配式建筑研究逐年升温，来自建筑学、计算机科学、环境学、经济学等领域的学者从不同的角度进行探索。目前已有学者对相关成果进行梳理分析，主要有BIM与传统结构设计［3］、工程管理［4］、建筑拆除［5］等研究综述，以及装配式建筑中供应链管理［6］、安全风险管理［7］、质量控制［8］等方面的综述，但现有BIM与装配式建筑结合的文献综述不足。本文采取共词分析的方法，分析全过程BIM在装配式建筑中解决的问题、当前研究成果，为未来装配式建筑的研究提供方向。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

基于Web of science数据库，以“BIM” OR “building information modeling”和“Prefabricated Buildings” OR “off-site construction” OR “offsite construction” OR “prefabricated construction” OR “industrialised building system” OR “panelised construction” OR “modular construction” OR “precast”为主题进行检索，期刊来源限定为科学引文索引扩展（SCI）和社会科学引文索引（SSCI）两种，检索时间范围截至2022 年12 月31 日，共检索到“基于BIM的装配式建筑”研究文献205 篇，剔除不相关学科领域的文献，删除新闻报道、无作者署名、重复综述等不符合本研究范围的文献后得到200篇，并以此作为本文的文献库。其中国内学者在英文期刊刊发的有85 篇。

1.2 分析方法及步骤

Mulchenko［9］是最早提出科学计量学概念的学者，基于已发表的文献数据，通过关键词网络建模和可视化，映射该领域知识的数据集，绘制及阐明该知识的结构和演变［10］。共词分析是映射和追踪相关词语关联性的内容分析法之一，采用多元统计技术对一组词两两统计其在同一文章中出现的次数，反映出词间的亲疏关系，分析这些词所代表的学科及主题结构［11］。因子分析是通过提取共性因子，相关变量组合成一个公共因子，减少变量的个数，利用尽可能少的公共因子来概览原始的大量信息。聚类分析指出该领域的研究模式，与之相关的具体研究主题，为研究的概念框架奠定基础（见图1）。

图1 计量分析方法框架

2 研究概况

目前英文文献基于BIM 的装配式建筑领域的年发文量呈增长趋势，y表示点的趋势线，R2表示这些点的归纳程度达到94.26%（见图2）。2006 年开始有相关论文发表，2017 年作为拐点，此后年发文量稳定增长；2020 年之后基于BIM的装配式建筑研究的论文数量快速提高。2017 年和2020 年出现两次转折爆发，2017 年的增长主要与建筑大数据［12］的发展相对应，2020 年的转折与区块链信息系统［13-14］、智能系统［15］等的初始发展相对应。

图2 基于BIM的装配式建筑英文文献年发文量

3 词频分析

利用Bicomb对文献中的关键词进行词频统计，录入200 篇相关文献，共获取868 个关键词，对相同意义的关键性进行合并，如：BIM、Building information modeling、Building information modeling（BIM）合并为“bim”。设置词频≥4 的高频关键词23 个（见表1），除了主要关键词“prefabricated construction”“bim”之外，“工业基础类（IFC）①”“可持续性”“数字孪生”“互操作性”是所有关键词中出现频率较高的，表示其在该领域被广泛研究。可以看出，基于BIM 的装配式建筑研究热点是工业基础类（IFC）①、可持续性、数字孪生等，以及从中延伸出的互操作性、物联网（IOT）、面向制造和装配的设计（DfMA）②等。

表1 词频≥4 的关键词排序

利用书目共现分析系统BICOMB 软件生成词篇矩阵，导入数理统计软件SPSS中采用Ochiai系数转变为23 ×23 的近似值矩阵，为下文的统计方法提供数据基础。

4 因子分析

因子分析目的是运用尽量少的因子去概括众多信息间的联系，原理是根据相关性大小把研究对象变量分组，把相关性较大的研究对象组成一组，不同组的相关性较低。每组变量为一个公共因子，利用得到的高频关键词Ochiai 系数相似矩阵，导入软件SPSS，通过“分析——降维——因子”，提取方法上采用主成分分析法和相关性矩阵，得到6 个特征值大于1 的公共因子，从表中可见6 个因子累计方差解释贡献率67.878%（见表2）。说明将23 个关键词分为6 个类别，可以解释“基于BIM 的装配式建筑”领域研究67.878%的信息。通过因子负载系数绝对值大于0.5才被接受，对解释研究主题有帮助及影响［16］，可以得出前6 个公共因子的具体范畴如下：①互操作性、工业基础类、模型视图定义、预制建筑混凝土、建筑信息模型；②科学计量分析、建筑、预制装配式建筑；③自动化、预制结构混凝土构件、物联网、数字孪生；④供应连锁管理、可持续性、区块链；⑤建设自动化、精益建造；⑥关键成功因素、中国。其解释的方差分别达到29.719%、13.796%、8.726%、5.799%、5.012%和4.827%，表明这6 个领域对研究BIM 背景下的装配式建筑相对重要。

表2 总方差解释

因子分析对应的碎石图（见图3），显示各因子的重要程度。它将因子按照从大到小依次排列，从中可以直观显示前4 个因子类别较重要。前面的陡坡对应较大的特征值，作用较明显；后面的平坦，作用弱。前4-6 个因子的散点位于陡坡上，后面因子处于缓坡且特征值均小于1。因此下面按4-6 个因子个数对共词的相异矩阵进行分层次聚类分析。

图3 因子个数碎石图

5 聚类分析

聚类分析是根据一些变量，把相似性较大的变量聚合一类，依据指标或因素本身的特性研究个体分类。本文采用系统聚类，将研究领域内的高频关键词分为相对同质的群体，把一个高频关键词单独当作一类，计算其距离，把每个距离最靠近的几个高频关键词当作一小类，再计算每个小类之间的距离，最后不断计算距离再合并，把一切子集都集合到一个大类，最终得出聚类结果树状图（见图4），进行可视化研究，纵坐标为个案数（高频关键词），横坐标为其组间的平方距离。

图4 聚类结果树状图

利用SPSS软件的聚类方法采用“组间联接”“二元——Ochiai系数”测量方式，得到聚类树状图。根据聚类谱系图可以将研究热点分为4 个类别。由“工业基础类”“互操作性”“模型视图定义”“预制建筑混凝土”“数字孪生”“物联网”“预制混凝土构件”“自动化”构成“类别1——信息协同”，由“供应连锁管理”“区块链”“精益建造”“建设自动化”“可持续性”“建筑工程管理”构成“类别2——施工协同”，由“预制装配式建筑”“建筑信息模型”“面向制造和装配的设计”“循环经济”构成“类别3——设计协同”，由“关键成功因素”“中国”“建筑”“科学计量分析”“可持续建筑”构成“类别4——资源协同”。

5.1 信息协同

建设的全过程要求设计院、设备材料供应商、建设单位、施工单位等协同完成，建筑与预制工程系统的数据交换融合是实现装配式建设的基础，需要建立BIM共同商定的交换标准，即数据标准化，建设各方信息协同的可视化平台。相关研究主要集中在数字技术语言统一化处理，与材料物流仿真、GIS 路线选择［17］、吊装控制［18］、质量评估［19］结合，实时同步，达到建设精准性和整体性。数字技术语言统一化处理主要采用工业基础类（IFC）来解决数据的交互操作性、制定数据交换规范，主要解决预制构件特定的图元和特征性［20］、提供自动数据映射方法［21］、丰富模块化空间设计［22］等，提出算法，统一内部对象模式映射到IFC属性。整个装配式建筑数据涉及多个应用程序共享的语义，需要交换规范的信息传递手册（IDM）来将其模型视图定义（MVD）与形式化信息模型联系起来［23］。对于异构数据融合的研究，目前还基于片段化阶段（见表3），开发的模式及构架还未达到各方完全统一。现阶段通过数据信息进行承包商和业主间的信息交互、制造商与承包商之间的交流协作，未来目标是通过可视化图件整合全过程各方的信息协同，从虚拟构架到系统的建设。

表3 异构数据融合模式研究

5.2 施工协同

目前BIM在装配式建筑中的施工项目管理应用可以总结为“三控四管一监督”（见表4），包括：成本控制［28］、质量控制［29］、进度控制［30］、安全管理［31］、现场装配管理［32］、材料管理［33］、生产管理［12］、监督机制［13］。200 篇研究文献中有44 篇关于施工协同领域的“三控四管一监督”。其中质量控制的权重为32%，是所有类别中最高的，学者们对BIM在装配式建筑施工中质量控制的研究较多，对监督机制研究的最少，缺乏对整个装配式施工场地的自动化监管、隐私保护（见图5）。项目管理对于装配式建筑至关重要，涉及设计到施工和安装的全过程，通过与BIM结合开发相关技术、平台来协调、记录和控制装配式建筑的“三控四管一监督”是当前较优的方式。同时，自动化技术和精益建造原则已广泛应用在汽车及其他制造业［34］，建筑业也在不断地向其靠拢，并不断创新，加强项目管理，以提高生产力，缩短时间。目前对于项目管理的研究较多集中在单一的控制、管理和监督，未来随着自动化水平的不断提高，需要开发一个完整的“三控四管一监督”系统，实现全面自动化控制、管理和监督。

表4 BIM在装配式建筑中的施工项目管理应用

图5 “三控四管一监督”的关注度比例

5.3 设计协同

BIM工具对整个建筑行业的贡献巨大，但由于是在传统非装配式建筑背景下发展起来的，并没有很好地考虑到工业生产、工地组装的网络过程［13］。目前需要通过调用BIM 应用编程接口（API）对BIM 进行二次开发装配功能［35］。同时，很多建筑设计系统也是在非装配式建筑的背景下开发的，并不能很好地适用于当前的装配式建筑设计，学者主要研究对于BIM在装配式建筑设计中增加构件目录库［36］、方案库［37］，创建参数化设计或者运用参数化对周围环境模拟，优化BIM设计平台（见表5）。1992 年芬兰学者就指出，一些成熟制造产业的原则应该应用于建筑行业［38］。DfMA引入建筑行业，作为当前新的设计系统，增加了拆分和装配的过程，要求建筑设计师和拆分设计师的设计协同，装配技师反馈问题，不断优化设计。整合DfMA和BIM，开发设计评估及优化系统，为建筑设计师提供可选择的建筑设计构件和元素，优化生产和组装，提高建筑设计过程中的可视化及可预测性。

表5 BIM在装配式建筑设计中的应用研究

5.4 资源协同

建筑业是全世界环境资源最大的消费者。每年建筑业消耗全球能源大约40%［44］，资源优化和建筑垃圾的可持续回收处理已成为全世界日益紧迫的社会、经济和环境问题。装配式建造是可持续发展的重要技术，近5 年基于BIM的装配式建筑的可持续建设主要从能效［45］、材料与组件［46-48］、环境方面进行研究（见表6）。能效在施工建造阶段受到技术和管理的影响，网络交流信息稳定，劳动力、机器的高效安排，可提高资源配置效率。材料与组件对建筑可持续的全过程全周期都有影响，早期选择低碳材料、中间过程减少浪费、后期材料回收再利用的方式来延长寿命。装配式建筑对环境的影响，除酸化和矿物资源消耗外，其余方面均表现出环境友好性，装配率提高，建筑环境影响降低，未来设计师需要关注装配率，以提高建筑项目的环境绩效。

表6 资源协同研究

6 结语

采用科学计量分析来剖析基于BIM 的装配式建筑研究进展，揭示基于BIM的装配式建筑研究现状和未来发展。

（1）可视化图件整合全过程信息协同。装配式建筑的设计、施工及使用涉及建设单位、材料设备供应商、施工单位、监理单位、预制装配单位等，不同利益相关者之间的互操作性和图件的可视化管理对项目成功发挥重要作用。因此，装配式建筑需要实时的可视化信息共享技术。虽然有学者对部分相关方的数据共享提供了可能，但并未对整个项目的各方提供一个数据管理平台来可视化全过程图件。为此可以构想云BIM平台的开发，其将会是未来高水平IT 的集合，融合VR、GIS、物联网等系统，简化建造装配式建筑流程，促进相关方决策的把握。

（2）全面自动化控制、管理及监督的施工协同。许多国家存在着劳动力成本上升以及人口老龄化的现象，自动化生产控制技术应用在制造业上已经游刃有余，但建筑业的自动化水平不高，目前的研究还缺乏对机器人、3D打印集成技术运用到装配式建筑施工的深入挖掘。为了推动装配式建筑的高效生产，通过BIM在施工中的自动化控制、管理及监督的施工协同，研究BIM与机器人、3D打印、智能机械等技术相结合，提高建筑业的自动化水平。

（3）AI和BIM结合优化平台的设计协同。DfMA和BIM结合可以提高当前预制建筑的设计，但其还是需要设计师建模，费时费力。随着人工智能技术的发展，ChatGPT的产生，未来有可能将AI与BIM结合，加速BIM建模过程。把设计原理、设计规范、设计需求等输入计算机，与BIM结合生成设计方案及优化设计方案，同时基于BIM的智能设计还可以自动拆分构件或模块，实现前期设计与后期施工、回收的一体化。

（4）能效、材料与组件、环境的全寿命周期资源协同。基于BIM的装配式建筑与没有BIM 的建设实施是不同的，其组织结构发生了变化，同时提高了能效、材料利用、环境效益。装配式建筑全寿命周期包括设计准备阶段、设计阶段、施工阶段、试运行阶段、使用阶段、更新或拆除回收阶段，通过BIM 一体化平台协同实现最优化。建设过程中的利益相关方通过云BIM数据共享模式，提高各方的科学决策及保证机器高效率工作。通过BIM 改善装配式建设项目在施工过程中的协调，减少返工，减少材料损耗。建造过程中的废弃物也降低，在全寿命周期中减低对环境的影响。

注：

①IFC表示Industry Foundation Classes，工业基础类，是建筑信息的公共标准，用以支持BIM工具互操作性的数据格式。

②DfMA表示Design for Manufacturing and Assembly，面向制造和装配的设计，一种起源于制造业的方法，用于评估和改进产品设计，从而来实现最佳制造和装配［37］。