基于BIM技术的装配式建筑智慧管理应用探索

田 龙

(四川川煤第六工程建设有限公司,四川达州635000)

0 引言

装配式建筑是使用预制部品构件(Prefabricated Component)在施工现场装配而成的一种建筑形式[1],与传统混凝土结构相比较,装配式结构具有提高工业化程度和生产效率,降低能源消耗,减少材料消耗及施工现场污染等优势。近日以来,国务院在《“十四五“规划和2035年远景目标纲要》中强调,要坚决遏制高耗能、高排放项目盲目发展,推动绿色转型实现积极发展,到2025年,装配式建筑占新建建筑的比例需达30%以上[2]。建筑领域作为传统高污染,高耗能领域,在“碳达峰、碳中和”背景下,装配式建筑结构必将成为绿色发展的重要推动力。

而现阶段装配式建筑存在施工难度较大、专业协同化要求高、施工质量难以保证等问题,为此,以建筑信息模型(Building Information Modeling)为代表的信息技术和传统装配式建筑相结合的方式逐渐成为相关领域研究热点之一。BIM技术是一种使用3D模型对建筑信息及功能进行数字化表达的一种方法,其能为项目各方提供一个可交互的信息管理综合平台,以实现不同专业、不同领域、不同环节的数据采集与信息共享,有效的节约施工成本和时间[3]。

国外关于BIM和装配式的研究起步较早,而近几年,随着国家对装配式的大力支持,国内相关研究也呈逐渐上升趋势[4]。刘濠及李洁等[5-6]提出可以将二维码技术以及RFID技术与BIM、装配式技术相结合,实现构件生产、运输、安装的全过程的追踪与管理;Xinyu H等[7]以工程为例,介绍了如何运用BIM技术进行施工现场组织、碰撞检测和复杂节点施工;Jiang Yu和刘金典等[8-9]提出了一种基于BIM技术与点云扫描的方法,用来识别PC组件并评估制造及安装偏差;此外BIM技术还被运用于能源消耗可视化,通过在BIM 3D模型中附加进度信息及能耗信息,构建可视化的能耗模型[10];王巧雯等[11]探索了基于BIM模型的多专业协同设计流程框架;胡佳星等[12]探讨了基于Revit+SolidWorks的二次开发模式,搭建了集成技术建模新流程;林申正等[13]将结合造价软件和BIM导出工程造价信息,利用BP神经网络进行深度学习,并引入遗传算法进行优化,建立装配式建筑成本控制模型;许立强等[14]结合实际工程分析了BIM技术对施工安全管理的适用性和应用情况。

综上,目前国内研究大量集中于构件设计和将RFID等技术与BIM系统相结合,进行智能化生产设计,而缺乏对高度集成化和全生命周期的管理信息系统的研究与优化。本文结合实际工程,以川煤六局承建的鼎能.国宾天韵项目为例,构筑了融合多方法、集合多系统的智慧管理系统,为其他装配式建筑成本管控和项目管理提供参考。

1 BIM技术在装配式建筑管理中的应用

1.1 预制构件管理

装配式结构中的预制构件主要包括预制梁、预制柱、叠合板、预制墙、预制楼梯、预制管道等。构件不同阶段工作关联如图1所示。

图1 预制构件不同阶段关联流程

1.1.1 设计阶段

(1)族库管理。与传统建筑形式相比,装配式构件的主要区别为增添了构件设计、预制生产、现场吊装环节。基于BIM技术的装配式构件的三维信息设计对构件生产的工业化及标准化起着重要的作用。在BIM模型中,各类构件都被赋予相应的信息,并形成对应的数字化模型,同时经过深化设计后能满足各专业需求,最终形成相应的构件库,方便管理人员管理。

(2)钢筋碰撞检测。在构件设计生产前期,利用BIM技术对预制构件模型进行钢筋碰撞检测,提前调整预制构件中的钢筋放置位置,避免发生难以解决的现场安装问题。利用BIM技术对平面的图纸进行深化的模型搭建,检查节点处钢筋的碰撞情况,整理后根据BIM反馈的碰撞位置信息,对钢筋布置进行适当调整。

(3)管线优化。基于BIM技术的设计能优化复杂管线区域,管线设计应结合各专业需求,利用BIM技术,通过精确的管道碰撞检测和直观的3D漫游技术进行合理优化。在保证规范净高要求下,管线优化能有效降低相应区域层高,节约建设成本。

1.1.2 生产阶段

(1)基于BIM技术的自动生产。基于BIM技术建立的生产工艺,可以充分发挥BIM可视化和协同性的优势。用BIM技术,结合设计院图纸和工厂生产能力,针对性地对图纸进行深化设计,精确展示构件的物理信息,以满足不同专业的设计需求。通过ERP管理系统,将构件几何尺寸、钢筋大小位置信息及预埋件等生产相关信息传递给生产厂商,实现生产过程的自动化,也能让管理者对构件信息得到更清晰的、更直观的认知。

(2)使用3D扫描技术对生产质量进行检测。通过3D激光扫描装置对预制构件表面进行扫描,利用降噪算法快速建立扫描结果的数字化模型。然后将建模结果与BIM构件库中的数据进行比较,设定允许的误差阈值,并根据对比结果检查允许的误差,以实现对预制构件的生产质量的自动判断。

1.1.3 运输阶段

目前,在预制构件的运输阶段,主要采取RFID技术或二维码技术来实现构件运输过程中的全过程追踪管理。可用于原料来源分析、构件运输追踪、场地堆放管理、质量检查。

利用RFID或二维码技术可实现对于构建运输过程中的全过程追踪管理,工厂在生产过程中,可将二维码标签或应答器粘贴或预埋浇筑于构件中,使用阅读器及卫星技术,将构件生产运输全过程录入管理系统,实现对构件生产来源追溯、运输动态管理、场地堆放管理、及安装位置管理[5],提高自动化数据收集和信息管理效率。

1.1.4 安装阶段

(1)运用虚拟动画指导现场施工。BIM技术可以实现虚拟漫游和虚拟施工动画,直观地展示复杂节点施工方式,有效的指导现场人员进行装配安装,减小结构发生安装错位或碰撞概率,降低施工门槛。

(2)运用3D激光扫描技术对安装质量进行评估。BIM现场装配时,往往会出现构件变形,连接不够牢靠,构件钢筋发生碰撞无法安装等问题。基于BIM及3D激光扫描技术,利用全站仪及三维激光扫描仪,对预制底板构件进行三维激光扫描,并根据所获得的三维数据建立关键点的点云模型,将所得的点云模型利用算法重新生成构件模型,并与原位置BIM模型进行对比,获得构件的安装误差,并基于三维激光扫描结果和BIM模型中数据和碰撞结果,实时指导工人进行BIM安装。安装完成后,现场人员通过扫描二维码或电子标签,将安装进度同步BIM模型当中,BIM模型可对已完成或未完成的构件部分进行区分处理,方便管理人员实时管理施工进度。

1.2 场地优化

针对项目场地的优化流程如图2所示。目前,日趋复杂的建设项目,严格的施工工期,对项目场地布置和项目安全管理提出了严格的要求,施工现场的布置已成为制约项目工期的一大因素。场地优化布置需结合BIM构件库信息及模型信息,以装配式建筑施工场地布置为研究对象,在确保满足规范最小间距要求的前提下,利用模糊筛选和遗传算法,通过参数化建模模拟构建了装配式建筑施工场地的BIM模型[15],确定钢筋加工棚、混凝土搅拌厂等与吊机等临时设施和场地的最优位置,筛选出最高效、最优的的场地布置方案。

图2 场地优化流程

1.3 成本控制

(1)钢筋下料优化。现场施工时,由于原料钢筋长度限制,不可避免的会出现废头等钢筋浪费现象。利用BIM技术的钢筋下料优化通过获取建筑中普通钢筋的三维模型,批量获取钢筋长度、直径、数量等信息,依据所获取的钢筋信息初步拟定裁切方案,根据初步方案,采用整数线性规划的方法,优化裁切方案以获得耗钢筋量最少的方案及对应的裁切次数和所需钢筋根数[16],降低施工成本。

(2)基于BIM的成本控制及优化。由于装配式建筑在我国仍处于起步阶段,其存在的物流、装配进度信息更新不及时,装配难度较高等问题,严重制约了装配式建筑施工成本控制技术的发展。借助BIM技术的数字化、精确化、具体化的特点,能够实现对工程费用的准确统计。通过BIM技术导出工程量清单,并将清单导入计价软件得出工程预算,再将进度计划与预算关联,得到进度——成本计划[17]。同时通过对比实际工程费用,能够得出有较大偏差的预算项目,并针对具体工程项目采取针对性措施,降低施工成本。

(3)能耗可视化。在建筑工程规模的扩大的同时,也常常伴随着越来越严重的能源浪费问题。基于BIM结构信息,通过附加进度信息和能耗信息,建立基于BIM的装配式可视化能耗模型,动态展示装配过程中的能耗情况,帮助企业发现能耗峰值,辅助管理者针对节能减排提供决策,有效降低能源成本。

1.4 进度管理

常见的施工进度掌控方式主要包括流水图、网状图等,而利用BIM技术的施工进度管理通过将传统进度计划表与BIM平台相结合,更为直观的表示构件安装进度及施工作业进展,更加精确化、可视化,做到精确施工工期,方便管理者决策。预制构件进度管控通过使用二维码或RFID技术对构件生产、运输、安装全过程进行追踪,安装完成后扫电子标签可实时上传安装进度。项目整体进度管控通过BIM平台与企业EPR管理系统相结合,共享各方设计、施工、审批、任免等安排与进度,能有效实现信息各方共享,项目管理透明,项目施工进度实时更新,项目问题快速上报等,实现智能化、规范化、自动化的管理。

2 案例分析

2.1 项目概况

川煤六局承建的鼎能.国宾天韵项目,总建筑面积约5.6万m2,项目平均装配率约为40%,其中住宅建筑地上17层,地下1层,工期约2.5年,主要预制构件包括预制楼板、预制柱、预制楼梯、非砌筑内隔墙(ALC墙板)。其中1-3,5-8#栋2层以上主要采用叠合板设计,4#栋主要采用叠合板和预制柱设计。项目通过综合运用装配式技术、BIM技术、智慧平台管理和智慧运维等技术,实现了生产过程自动化、建造过程绿色化、建造管理规范化。

2.2 项目难点

项目总体面积大,结构复杂,高度约57 m;施工场地狭小,吊装难度大,吊装时可能出现较大偏差,影响工期;预制构件生产厂家距现场170 km,运输距离较远,同时工期较长,施工管理组织时间跨度大。

由于预制构件重量较大,生产运输距离较远,吊装安装需要考虑较多因素,同时,需要吊装的构件体积大、重量大、数量多,吊装顺序影响构件进厂、堆放顺序,因此构件需要较为精确的吊装位置及进度管理。同时若吊装放线和标高定位不准,则有可能造成钢筋碰撞等问题。

施工过程中,对应的施工进度、成本、安全、问题反馈等数据量较大,涉及专业较多,管理复杂,各环节之间联系、传递数据较为困难,影响施工效率。

2.3 BIM技术在项目上的运用

2.3.1 基于BIM技术的进度追踪

利用BIM技术对全楼所有预制构件进行构件深化,转化为位置布置图和构件加工图,根据深化结果,共生成约10 000个构件二维码信息,每个构件对应唯一的二维码,用于构件生产质量追踪、物流管理、安装进度控制。二维码编号以项目统一编号,楼栋码,楼层码,构件类别,构件流水编号构成,方便清点与安装(图3)。

图3 5#栋6层BIM模型

利用BIM技术的进度追踪,扫描二维码可查看构件实时进度,进度信息储存并反应在进度模型中,可实时查看相关构件进度,例如未生产、运输中、待吊装、已安装等。各方可登录EPR管理平台查看相关进度信息,有利于施工方面关于施工进度的结算。

施工人员将施工进度表上传Navisworks软件,形成BIM 4D控制模型,利用二维码技术和管理平台技术,实时更新安装进度,以不同颜色代表安装或未安装构件,将安装进度同步于BIM模型中。通过对比进度表,能快速的寻找吊装低效环节,协助管理者对造成问题的根源做出决策。

2.3.2 构件碰撞检测。

利用BIM软件的三维动态功能对三维钢筋进行模拟动态碰撞检测。对于复杂节点区域及叠合板底板等易损坏碰撞区域采取钢筋碰撞检测,使用检测-修改-检测的方法,直至不再发生钢筋碰撞。对于容易发生管线碰撞的区域,进行管道碰撞检测,对于管线碰撞处适当升高或降低局部管线标高,替代管线全局标高调整,能有效提升净高,降低层高,节约施工成本。

2.3.3 成本管理

施工成本预测,施工费用可分为直接费用与间接费用,直接费用包括工程费、人工费、材料费、机械费等,可将工程清单上传至计价软件,再对比市场单价可得;间接费用采用作业成本法,通过建立间接成本归集库归集间接成本。

将归集结果与进度计划表、模型预算等一并导入系统并进行关联,归集得到预计的直接成本与间接成本,将归集结果与实际数据利用挣值法进行偏差分析。设置可接受阀值为5%,进行成本偏差分析及预测。

例如,该项目5#楼的预制叠合板混凝土工程量为149.92 m2,按照单价预估其预算为46万元,人工成本约4.2万元。在实际工程中,通过BIM 5D软件发现,该工程实际工程量约为170.8 m2,实际总成本约为55万元,通过细致的对比发现,直接费用中的人工费和机械费与计划相比,提高了约8 000元,而材料费与计划相比,提高约3.3万元。通过查看BIM相关记录可知,主要原因包括由于工人不熟悉吊装流程、运输过程预制构件破损、吊装安装过程发生碰撞导致板面开裂,部分管理员管理不善,进度延期等问题。项目针对该问题及时培训施工人员,加强运输管理,有效降低了后续损失,节省工期。

同时,针对项目钢筋裁切浪费的情况,通过BIM信息模型获取钢筋全部规格及数量,根据现有的钢筋规格及数量,初步拟订裁切方案并利用整数规划和筛选,得出较优的钢筋裁切方案。

2.3.4 项目管理

项目管理主要包括人员和施工进度管理、项目场地管理、项目绿色管理、工程质量管理。采用如图4所示的BIM项目管理平台,各参与方可于平台获取构件尺寸、位置、安装时间等信息,同时也可于平台处获取施工人员出勤打卡情况。

图4 项目管理系统

2.3.4.1 人员和施工进度管理

通过将施工进度信息与计划进度信息进行对比比较,进行偏差分析。将Revit模型与构件吊装时间参数整合到Navisworks 4D进度管理信息中,通过对比模型中的构件安装进度计划与实际工程的安装,管理人员和施工人员可以较为轻易的了解项目进度滞后原因,精确定位施工滞后区域,并针对性的对项目问题做出决策。例如,在1#楼1号区域的施工安装过程中,项目进度明显落后于实际进度,通过查阅BIM日志记录及对比进度表发现,为最初工人不熟悉吊装流程及生产商供应物流不及时所致。通过BIM技术提醒,管理者及时发现问题并增加培训,敦促厂商及时提高产能。

2.3.4.2 项目场地管理

根据相关场地限制及有关部门要求,项目施工过程中设2个主要出入口,项目内设置内部通行道路,道路均经硬化处理以满足通行要求,项目内设钢筋加工棚、混凝土搅拌处、木工处、预制构件堆场、钢筋堆场、板房等。由于场地长度限制及各加工处之间安全距离限制,为配合高层和装配式的预制构件吊装要求,除4#外每栋楼均配置1台塔吊,项目共设置两处钢筋加工棚。利用BIM技术对施工现场进行模拟,确保构件堆放、材料加工、内部道路、生活区域均有足够的空间,不会相互干扰。同时运用遗传算法,优化项目内各加工、堆放处的位置排布,确保高效、有序的施工

2.3.4.3 项目绿色管理

项目将各个构件的耗能情况与构件吊装时间信息附加在BIM模型中,建立4D模型,再附加清单建立人、机械、材料的耗能信息,通过将能耗模型可视化,方便管理者快速查阅施工全过程的能源消耗情况,方便管理者针对节能减排做出调整。

2.3.4.4 项目工程质量管理

利用BIM技术将工程信息转化为数字信息进行储存,可以有效提高项目管理效率,同时提高构件生产精细化程度。厂家生产完成后经检查,将实际生产的预制构件信息上传至BIM,并张贴构件全过程二维码,通过将过程中全部信息数字化存储,可将质量生产过程中各种问题,将责任可追溯化和终身化,便于质量责任的认定。

3 结束语

装配式建筑作为一种高效节能的建筑形式,在我国倡导节能减耗的背景下,将逐渐成为建筑行业未来发展趋势之一;BIM作为广泛运用于建筑全生命周期的数字化手段,其与装配式的结合能实现优势互补,具有广阔的运用前景和经济效应。本文从运用BIM技术进行智慧管理角度出发,分析了有关BIM技术在装配式结构上的运用,并结合实际工程,得出结论:

(1)BIM能弥补传统装配式的结构的专业协同化高、数字化、可视程度低等缺点,降低施工门槛,具有广阔的运用前景和经济效应。

(2)结合鼎能。国宾天韵项目,对 BIM设计整体流程、使用范围进行分析,并针对BIM协同管理平台的进度追踪、碰撞检测等功能进行运用研究,为其他装配式建筑的设计提供参考。

(3)鼎能。国宾天韵项目所采用的BIM智慧管理系统综合了构件深化设计、施工进度管理、项目成本管理、项目人员管理、绿色低碳管理等模块,极大的节省了人力,方便施工管理,具有较好的经济效益。