BIM 技术在钢结构装配式建筑施工现场的应用研究

唐俊，王浩，韩文静

（中交一公局第四工程有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

为确保装配式建筑施工的安全，需针对施工现场进行严格的管控。以钢结构装配式建筑施工为例，其现场管控就是以传统建筑施工为基础，对建筑各工序在施工过程中的质量控制和现场施工管理模式，进行研究和探索。管控目的是使工程质量更趋于安全，满足人们对建筑质量的要求[1-3]。为了在最大程度上确保现场施工安全，在管控的过程中可采用模块化设计施工模式，施工现场可以进行高度标准化设计，按照标准生产并且安装完毕。在装配式建筑施工现场，在确保施工质量和进度的前提下，还必须把施工过程中的各工序控制到位。这样才能保证建筑工程的质量[4-5]。但施工过程中每个工序都有其自身独立的技术要求，并不是所有工序都能够得到有效控制。在钢结构装配式建筑施工现场就必须对各个阶段的质量进行控制。保证钢结构组装式建筑施工过程中各个质量节点都得到有效控制，从而达到安全、高效、经济的效果。

相关学者对此问题进行了研究，例如，白俊峰等人对装配式建筑结构在医院建设工程中的应用进行研究[6]，对装配式建筑结构的作业进行详细分析，从主体结构、制作施工等方面分析装配式建筑的主要优势，并应用大数据技术进行医院建设工程的施工改进，此方法能够提升施工安全性预测监测。赵家敏对桁架结构在装配式建筑中的应用进行了研究[7]，通过云模型获取装配式建筑面受力，采用层次分析法分析装配式建筑安全影响因素，利用DEMATEL-ISM 进行装配式建筑施工现场安全性评估。

但是以上方法均未考虑安装进度的监测，基于此，本文将针对BIM 技术的具体应用进行详细探究。

1 BIM 技术在钢结构装配式建筑施工现场的应用研究

1.1 构建BIM 模型，获取钢结构装配式建筑施工材料清单

为实现对钢结构装配式建筑施工现场各类材料的管理，引入BIM 技术，通过建模的方式，将各类施工材料导入到模型中，并以此生成钢结构装配式建筑施工材料清单。图1 为BIM 模型的构建思路。

图1 BIM 模型构建思路

针对施工现场原有的施工材料，将其按照图1 左侧内容进行建模，针对施工现场新进的施工材料，将其按照图1 右侧内容进行建模[8-9]。在建模的过程中，为确保模型精度，根据施工材料的等级将其信息精度划分为LOD100、LOD200、LOD300，分别对应一级施工材料清单结构、二级施工材料清单结构、三级施工材料清单结构。针对不同等级，获取钢结构装配式建筑施工材料清单，并进一步完成对清单的分解，如图2 所示。

图2 不同等级施工材料清单分解示意图

在建立BIM 模型时，还需要针对具体项目设置相应的编码。编码按照数字的形式描述，不同层级之间可用“.”连接。在BIM 模型中，通常采用装配式构件的首字母缩写加上编号或大小，在字母和数字之间用“-”连接。

例如，“300×400”的钢结构长方形柱子（如图3 所示），可以用“GJXZ-300×400”或“GJXZ-01”来命名。在描述无预制件时，可以采用“全名+实践”的方法，例如：水泥砂浆地板-1-001 层。钢结构装配式建筑特点要求对 BIM 的精度有很大的影响[10]。第一个项目的特点是它的总体设计要求和功能；第二类工程特征要求对结构的几何、物理性质进行描述，如果资料不多，则根据 IFC 进行扩充；第三阶段的特点需要更加详细，这样才能为制定出招标控制价和承包商的投标提供依据。

图3 钢结构构件示意图

1.2 基于RFID 技术的钢结构构件安装过程跟踪

在获取钢结构装配式建筑施工材料清单后，为实现对钢结构构件安装过程的跟踪，引入RFID 技术[11-13]，图4 为基于RFID 技术的钢结构构件安装过程跟踪原理图。

图4 基于RFID 技术的钢结构构件安装过程跟踪原理图

跟踪的具体步骤为：第一步，在每一个钢结构上安装一个RFID 标签，根据构件安装状态实时更新标签。第二步，在不同的钢构件安装过程中，RFID 识别终端被 RFID 识别终端识别，在更新包中加入钢结构构件变化后的信息，包含位置信息和状态信息。

通过RFID 识别终端，将标签中的信息传输到物联网跟踪平台上，实现对信息在平台上的实时显示。在进行对钢结构构件安装过程跟踪中，利用RFID 技术与物联网技术，实现了对RFID 标签在一定距离上的检测与识别，便于现场操作，无需人为干预[14]。对于两个RFID 标签之间的距离测定，其依据可用公式形式表示：

公式中，E表示待测定位置RFID 标签与已知RFID 标签之间的距离；Sm表示已知RFID标签在读写器装置上的RSSI值；Sn表示未知RFID标签在读写器装置上的RSSI值；R表示RFID 标签读写器数量。RFID 标识终端能够同时支持 ROM工作方式和读写式工作方式，并且不需要触碰和锁定，可以在任何恶劣的环境中自由工作，并且可以使用较短的 RFID 设备，不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境。根据上述论述，将RFID识别终端设置在各个安装阶段，包括：组装阶段、焊接阶段、运输阶段、堆场阶段、吊装阶段和校正阶段。通过对RFID 标签的识别，在一定的安装阶段，实现了目前的钢结构构件的确定，从而实现对其全过程的跟踪。

1.3 构件进场和装车顺序管控

在钢结构装配式建筑施工构件进场时，按照上述操作对其RFID 标签进行扫描与识别。所有进场构件均需要确保其检验合格。在构件进场前，对构件进行详细的构件进场操作流程，建立构件进场规则，并对构件进场时间进行规范。结合BIM 技术对构建进行动态建模，并在上述构件的BIM 模型中进行展示。根据钢结构装配式建筑设计图纸上构建机场和装车的顺序要求，在模型当中完成管控流程[15]。若构件在进场过程中存在多种缺陷问题，通过现场验证、实际操作比对后，得出缺陷对应构件及编号。在构件装车前，施工单位需提前做好构件的装箱前准备工作[16]。（1）对构件的尺寸、重量、外观等进行测量；（2）采用 BIM 技术建立构件参数和外观尺寸，为吊装构件提供基本信息和依据。具体包括：了解各现场构件装运情况和所需工具清单；制作构件装箱清单；制定构件装箱前处理计划；制定吊装构件装载前安全措施方案。同时，在构件进场时，若构件不在上述构建的BIM 模型中，则需在现场人员进行构件验收前完成。构件装车前按照先卸后装的原则进行作业，卸车操作时须注意吊装件与预制件之间的距离控制，防止构件因自重造成错位碰撞；在施工中根据现场条件设置预制件安装定位系统；对预埋构件进行检查是否存在锈蚀或破损情况。提前做好安全防护工作保证整个装运过程万无一失。在施工中注意合理设置运输线路以保证构件与车辆的安全，避免因超重造成交通事故。在装运过程中要防止不稳定、不连续的情况产生；在吊装完成后要及时检查各承载点是否存在不稳或破损情况。

2 实验

2.1 实验设计

以某钢结构装配式建筑施工项目为依托，通过本文上述论述，明确了BIM 技术在施工现场应用的基本思路，为实验对BIM 技术应用可行性的验证，将上述设计思路应用到该工程项目中。已知该工程位于某城市生态产业园区中，占地面积超过2.8 万m2，总建筑面积超过5.5 万m2。建筑主体形式为钢框架结构（见图5）。

图5 钢框架结构立面布置图（1:100）

该建筑的总体外形是一个圆形的环体和三个大倾斜的筒体网壳裙塔，它的外圆半径是32.9m，外圆半径是58.9m，整体的平面尺寸是149m×185m。三座裙塔均采用钢管网壳结构，标高13.5 米，上部为圆形框架。该建筑结构形式新颖，但同时对施工现场的管控难度也进一步增加。为实现对该项目施工现场的管理，引入BIM 技术。为实现对应用效果的检验，从施工实际安装进度监测效果和施工现场卸车周转耗时，共两方面结果进行探究。

2.2 实验结果分析

2.2.1 施工实际安装进度监测效果验证

为实现对施工实际安装进度监测效果的验证，针对实际安装的五个阶段分别利用本文上述BIM 应用思路对其进行监测，对比实际进度与监测精度，得到如图6 所示的结果。

图6 施工实际安装进度监测效果图

从图6 可以看出，在应用BIM 技术后，针对施工现场的安装进度监测结果与实际安装进度相比，尽管在施工第3 阶段、施工第4 阶段和施工第5 阶段出现了一定偏差，但最终完成安装的时间一致。因此，通过这一对比结果可以看出，在应用BIM 技术后，针对施工现场的安装进度可进行更高精度的监测。

2.2.2 施工现场卸车周转耗时

为进一步验证BIM 技术的应用可行性，将施工现场卸车周转的耗时作为评价指标，对比应用BIM 前后现场卸车周转耗时情况，若应用BIM 技术后，卸车耗时更短，则说明施工现场卸车效率更高，BIM 技术应用可行性越高；反之，若应用BIM 技术后，卸车耗时更长，则说明施工现场卸车效率更低，BIM 技术应用可行性越低。根据这一论述，将施工现场实际卸车周转耗时记录，并将结果绘制成图7 所示。

图7 BIM 技术应用前后施工现场卸车周转耗时对比图

对比图7 中两条折线可以看出，在5 次卸车周转中，BIM技术应用后的耗时均小于BIM 技术应用前。因此，结合上述论述得出，将BIM 技术应用到钢结构装配式建筑施工现场可以有效缩短卸车周转耗时，提高施工效率。

3 结论

论文提出一种基于BIM 技术的钢结构装配式建筑施工现场的安装进度监测技术，利用BIM 技术，构建装配式建筑施工现场模型，获取建筑施工材料清单；利用RFID 技术，跟踪钢结构构件安装过程，实现对构件进场和装车顺序的管控。实验结果表明：

（1）本文方法在应用BIM 技术后，针对施工现场的安装进度可进行更高精度的监测。

（2）在5 次卸车周转中，BIM 技术应用后的耗时均小于BIM 技术应用前。因此，结合上述论述得出，将BIM 技术应用到钢结构装配式建筑施工现场可以有效缩短卸车周转耗时，提高施工效率。