基于BIM技术的模架工程精细化管理应用研究

郝懿

内蒙古科技大学土木工程学院 内蒙古包头 014017

随着建筑工程逐渐向生产项目复杂化、施工技术专业化及工程管理精细化方向发展[1]。模板脚手架工程作为混凝土结构施工的基础部分，是影响工程总工期的关键工序之一，其现场施工管理尤为重要。传统模架设计方案和施工管理日益显出一些问题，主要有方案选型难、安全计算难、施工图绘制繁、方案展示不直观、投标措施无依据、材料采购靠估算、乱拿乱放难管理、随意切割浪费多、结算少依据等。因此，对模架工程管理精细化十分迫切。BIM技术对模板脚手架设计、施工、安全管理提供数字化、精细化的信息展示，通过统一的模型为预判、决策提供数据支持。但目前BIM技术在模架这类专项工程中的应用还存在一定局限性，需管理人员详细了解并在施工应用中合理规避和调整。

1 BIM技术在工程管理中的应用

1.1 数据协同

对于某些十分庞大的建设项目，要求相关人员对过程把控更精准，基于BIM技术建立协同平台可大大增加及时的数据传输效率和数据的准确性，可以快速查询相关数据，减少冗余的流程[2]。

1.2 施工协同

利用BIM技术将施工数字化、模块化，协同施工方、监理方和业主等多方对施工进行全面协调评估，建立健全管理体制，规范施工过程，减少施工现场的不利因素[3]。

1.3 精细化管理

精细化管理重点为管理的精准和规范，通过制订科学有效的管理方案，实现解决管理的目的。[4]。

基于BIM技术在工程项目建设的不同阶段进行的精细化管理主要包括：设计阶段精细化管理、施工阶段精细化管理和运营维护阶段精细化管理。

在工程项目建设的设计阶段，通过BIM技术建立三维设计模型，多方通过云端审图(依据录入标准规范的系统验证审图和传统人工审图相结合)，形成评估报告及审核意见反馈，实现虚拟设计和智能设计。各专业系统可从信息模型中获取所需的设计参数和相关信息，当模型发生变化时，与之关联的图表和文档将自动更新，避免数据冗余、歧义和错误，可有效缩短设计时间。

在工程项目建设的施工阶段，基于BIM技术将建筑物及施工现场3D模型与施工进度相链接，并与施工资源和场地布置信息集成一体，实现动态、集成和可视化的5D施工精细化管理及施工过程的可视化模拟。对工程项目的功能及可建造性等潜在问题进行预测，保证施工过程中资源的合理分配以及建设项目的成本精细化管理。

在工程项目的运营维护阶段，建立项目运维平台并与BIM模型结合，充分发挥空间定位和数据记录的优势，通过数字化系统快速、准确地对发生故障的区域进行标记和提示，方便进行检修。对用户水、电、天然气等资源的能耗情况进行跟踪记录[5]，分析不合理的资源使用情况并进行处理整合，为后续资源节约措施提供数据支撑。还可以结合现场环境影响，模拟灾害发生时人员疏散、救援的措施，针对结构损伤、材料劣化及灾害破坏进行建筑结构安全性、耐久性分析与预测。

目前，基于BIM技术的精细化管理已应用在工程项目的各个领域，尤其针对大型化、复杂化综合化的工程项目施工管理优势更加凸显。对模板脚手架这类专项工程的施工管理利用BIM技术解决其存在的问题是很有价值的。

2 BIM技术在模架工程精细化管理中的价值

2.1 BIM技术在模架方案设计阶段精细化管理的价值

模架方案设计阶段BIM技术的应用价值主要有以下几点：

(1)模架选型。第一部分是了解工程的实际需求，通过前期的结构模型及工程量等数据，对比市场中能够供应的材料，从质量、规格、价格等多方面考虑，对模架规格进行初筛，选择认为较合适的2～3种模架按照市场公布的参数规格在软件中进行预搭，并对导出的材料量表进行汇总及估算对比。第二部分是对于所选用材料的参数可借助模架BIM软件来模拟分析。通过脚手架与连接各部分的依赖关系，围绕脚手架的采购材料数据进行模拟，包括架体长度的设置、布设等具体数据，来分析该材质与施工建筑本身是否存在冲突关系和不安全因素。综合成本、安全等因素选择最为适宜的模架类型。如图1所示。

图1 基于BIM的模架方案设计流程图

(2)深化设计。一是基于BIM技术对建筑结构整体理解与分析。不同的建筑结构，脚手架设计方案有所不同，其搭设方式关系着支撑体系整体的稳定性和安全性。二是在设计方案中，通过模架BIM软件模拟模架搭建与拆除的过程，动态查看布设情况，了解各实施步骤中的安全风险与隐患，提前排除或制定相关措施，完善模架工程施工部署。

(3)安全计算。一是可以借助模架BIM软件，对模板脚手架的受力情况进行反复计算，包括高支模区域中对于材料规格及可能产生的力学参数，通过多种情况的数据分析，来判断不同的支撑体系能够满足的受力要求。二是通过3D模型能清晰地显示出模板脚手架施工中各个部件施工的技术特点，并自动识别危大及超危大构件部分，预判关键部位和存在安全隐患的部位，在施工前就能进行有针对性的技术交底，着重进行管理。三是弥补施工人员对于规范要求的熟悉度不够、结构力学、材料力学属性了解深度不够，通过模架BIM软件内嵌的算法协同规范形成的参数约束条件，进行合理性分析并生成安全计算书(如图2所示)。

2.2 BIM技术在模架工程现场施工阶段精细化管理的价值

模架现场施工阶段BIM技术的应用价值主要有以下几点：

(1)配模设计。一是由于每根梁和柱子或者楼板所需要的模板不是恰好合适，需要对整块模板进行切割。在切割前必须统一计算、统一管理，优化拼模配置，增加整板利用率减少切割次数，这样才更利于标准化周转。二是为每根梁柱以及楼板的模板出具平面拼接图，这样方便作业人员施工及模板协调配置。三是对于成品模板，精细化的配模有利于工厂化加工，其运输和堆放也可以参照具体的施工进度进场，避免二次搬运。

(2)可视化方案交底。一是BIM模架软件支持整栋、整层或任意剖切三维模型，可以直观显示和输出剖切部位的高清图片，用于成果展示和进度汇报。二是支持模板支架的平面、立面、剖面以及不同位置详细节点二维图纸输出，可直接用于现场放样。并且与三维模型关联性强，可以相互转化。三是可视化设计成果通过动画加工，进行模架安拆工艺模拟，可直接应用于专家论证和现场工人交底。

(3)材料用量统计。一是可根据结构构件类型、流水段等不同划分标准，输出相应区域的材料用量，包括不同类型的构件、不同长度的钢管数量、配模后不同尺寸的模板数量等。将用料量与进度计划挂接，实现材料进出库精细化管理。二是根据用料表通过精细化计算生成模板脚手架施工经济可行性报告，按照推荐用量采购和租赁模架材料，形成材料采购计划表。如果施工时方案调整，只需改动计算参数，布设位置、计划表均会联动调整，无须重复计算，避免人工计算出现误差。

(4)安全管理。一是通过BIM+VR进行岗前沉浸式安全教育，身临其境感受高空坠落、高空物体打击、模架坍塌等场景，使作业人员从内心进行安全教育，明白模架工程安全事故的严重后果及进行安全管理的重要性，规范施工作业安全。二是将监测设备模型及其ID信息也添加到模架BIM模型中，便于实现可视化对准与联动。管理人员不仅可以直观查看现场安全状态，预测支撑体系变化趋势，设定安全预警值，通过积累的数据信息，方便事故追溯调查(如图2所示)。

图2 模架安全管理模式图

(5)外脚手架布设。一是通过BIM模架软件的三维仿真和计算功能确定外脚手架形式，并对施工便利度和工程的质量进行评价，制订最为科学、合理的外架布设方案。二是积累大量的外架搭设模型，逐渐形成企业甚至行业的3D标准，有利于施工单位建设安全文明工地。

3 BIM技术在模架工程精细化管理中的局限性

BIM作为技术工具，为工程精细化管理提供基础数据，使后期深化有据可循，但施工项目精细化管理十分复杂，不仅需要有完整的基础数据支持，而且与现场业务管理深入程度有很大的关系。BIM软件作为BIM技术应用的重点工具，在工程中成本管控、可视化的价值已获得大家认可。目前由于BIM技术及相关软件开发仍处于发展上升阶段，且精细化管理控制因素较多，两者在模架工程实际应用中也存在一定的局限性。

BIM技术在模板脚手架工程精细化管理的局限性，主要从以下几点说明：

(1)实用性。一是在我国传统建设行为依然占据主导，BIM技术并没有全线推动，还缺乏相对应的研究与分析，施工中专项工程类BIM软件没有得到推广使用。二是纵观当下建筑行业市场，对于BIM技术人才的需求缺口是非常大，专业技术人员及软件操作人员能参与到实际项目中还需要较长时间。三是相比传统人工计算模架工程量，BIM软件使计算错误率大大降低，统计工程量较为公开，成本透明度较高，使施工单位利润率降低[5]。四是BIM技术指导属于先行，相关BIM软硬件需要购买或租赁，在前期还未看到效益时就支出这笔费用，也让很多项目经理望而却步。

(2)数据信息误差性。一是BIM软件国内外供应商较多，有些建模软件的二次开发接口并未开放，一些有能力的企业，无法自主编写算法与工程特点相适应。二是软件之间的交换规则也并未完全明确，模型互导时构件不能完全转换，会出现信息丢失等状况，不能完全实现“一模多用”，增加了人工检查的工作量。三是虽然各地政府及主管部门出台了很多推进BIM技术的措施和政策，但是像利用BIM技术辅助模板脚手架工程的设计标准、计量计价标准等，整个国内建筑市场并没有形成统一的标准规范，导致BIM相关产业市场接受程度不同，上下游产业关联的公司在核对数量、价格等数据时较为困难。

(3)工程范围适用性。一是目前的BIM模板脚手架设计软件中，模板品类单一、模架类型对于适应日益复杂的工程项目支持度明显不够，不能适应发展越来越快的模架技术。住建部发布的《建筑业10项新技术(2017版)》[6]中提到的整体爬升模架、附着式升降脚手架、管廊模板、箱梁模板等，均无法通过相关模架软件全方位模拟和应用。二是目前的模架软件虽然支持模拟组合式钢模板拼模方案，但是仅限于导出拼模图和主模板材料用量。类似U型卡、山型件等模板附属构件用量则无法精确统计。三是常规类BIM模架设计软件对墙、梁、板、柱等常规类构件均适用，却无法对楼梯、垫层、导墙等结构构件或异形程度较大的结构进行精确拼模，需模糊估算或人工换算，但换算规则还需通过大量实际项目积累经验。

(4)技术指导性。一是BIM模板脚手架设计软件在进行编写拼模算法时，只考虑了减少模板剪裁，增加整板利用率，对于现场施工可能出现的问题考虑不够周全，且不同模板类型和不同作业队施工操作方法也并不统一。通过软件导出的二维拼模图与模架材料规格表在模板裁剪及拼装指导中有限制性。二是软件设置成品模架拼模方案参数时，只能设置单一主模规格，其他部位只能由软件自动匹配生成。但在生成的材料表中所匹配的规格并不符合市场主流的标准规格，给项目部在采购等方面造成影响。

(5)行业标准性。一是BIM模板脚手架软件内置标准不够全面，不能完全满足各地工程项目使用要求。二是相关BIM软件供应商不能第一时间更新最新规范，软件迭代时间较长。三是模板脚手架设计软件行业属性鲜明，而专业的算法工程师一般不具备建筑行业的背景，一方面要提高软件算法对规范标准内容转化的编写与开发，另一方面则需要以更多工程项目作为对象进行分析验证，不断优化软件算法。

结语

综上所述，BIM技术数据化、可视化和协同化特点在模架工程的方案设计阶段和现场施工阶段均提供了有价值的帮助，为模架工程精细化管理提供了新的思路和模式。然而BIM技术在工程实际应用中还存在着一些局限性，需要加强BIM技术与项目管理各主体的融合。针对BIM技术本身系统性误差和基于BIM技术的软件载体存在的模型的模拟过程缺陷，需对项目管理的具体对象进行相关技术调整，以使模拟效果达到最佳。

随着科学技术高速发展，BIM技术发展也更多元化。工程项目管理人员应多参考国外先进BIM技术案例，灵活运用BIM模型，将BIM技术合理地融入工程项目精细化管理进程中，摸索创新更多专项工程的管理模式。