BIM技術(shù)在裝配式建筑施工管理中應(yīng)用
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［摘要］建筑行業(yè)是我國國民經(jīng)濟發(fā)展過程當(dāng)中的物質(zhì)基礎(chǔ)，從改革開放以后，我國建筑行業(yè)就一直處于穩(wěn)定擴張的狀態(tài)。但隨之而來的問題就是資源浪費嚴(yán)重以及建筑消耗過大，與可持續(xù)發(fā)展的要求之間出現(xiàn)了明顯矛盾。bim作為建筑全生命周期信息管理的主要工具，可以有效地讓我國建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型階段的裝配式建筑類型克服原有缺陷。因此，本次研究也旨在通過BIM技術(shù)在施工管理環(huán)節(jié)的應(yīng)用方案，指明其未來的發(fā)展路徑從而實現(xiàn)生產(chǎn)方式的針對性改進。
建筑行業(yè)高速發(fā)展的時期對于經(jīng)濟的作用顯而易見，在建筑行業(yè)步入平穩(wěn)發(fā)展期之后，生態(tài)文明建設(shè)開始成為國家層面的戰(zhàn)略。作為我國的支柱性產(chǎn)業(yè)，建筑行業(yè)一方面貢獻了大量的生產(chǎn)總值并促進了城鄉(xiāng)建設(shè)的快速發(fā)展，另一方面卻因為傳統(tǒng)的作業(yè)方式導(dǎo)致資源浪費問題和其他污染問題。對此，我們需要以提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化水平為目標(biāo)，有效地解決生產(chǎn)環(huán)節(jié)和生態(tài)環(huán)節(jié)存在的矛盾，在推進新型城鎮(zhèn)化的過程當(dāng)中起到良好的輔助效用。
1BIM技術(shù)在裝配式建筑的應(yīng)用原則
1.1模數(shù)化設(shè)計
現(xiàn)階段社會各個行業(yè)都實現(xiàn)了信息化接軌，采用信息化生產(chǎn)技術(shù)給施工帶來了便利條件。借助相應(yīng)的技術(shù)手段和平臺資源數(shù)據(jù)分析方法，搭建建筑施工場景進行管理能夠保障現(xiàn)場工作管理效率，不僅簡化了施工流程，而且提升控制能力。BIM的模數(shù)化設(shè)計充分體現(xiàn)了我國建筑行業(yè)的領(lǐng)先水平和現(xiàn)代化發(fā)展水準(zhǔn)。我國很多建筑也是BIM技術(shù)應(yīng)用的典型，例如上海迪士尼樂園，北京鳳凰傳媒中心等。裝配式建筑的模數(shù)化設(shè)計指的是利用基本模數(shù)、擴大模數(shù)和分模數(shù)的RNG方法將預(yù)制構(gòu)件、建筑組合件等內(nèi)容和尺寸進行設(shè)計，實現(xiàn)建筑工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化，確保主體結(jié)構(gòu)和整體協(xié)調(diào)之間能夠更加和諧。此外，模數(shù)化設(shè)計的另一作用在于確保建筑構(gòu)件的規(guī)格化與通用化從而達到多層次的建造要求降低生產(chǎn)成本[1]。按照《建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求以及模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)制定比例，在平面設(shè)計時可以考慮采用基本模數(shù)或是擴大模數(shù)，保障構(gòu)件從設(shè)計生產(chǎn)到最終的組裝階段都能實現(xiàn)尺寸協(xié)調(diào)要求。構(gòu)配件在使用多種材料時，不同的材料要和建筑的整體尺寸關(guān)系之間保持和諧。
1.2標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計
標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計是建筑工業(yè)化的主要發(fā)展目標(biāo)，同時也能讓大部分構(gòu)件完成工業(yè)化生產(chǎn)從而減少現(xiàn)場的施工作業(yè)以提升工程建設(shè)效率。對此，建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計應(yīng)該針對不同類型的建筑和配件、連接要求來制定系統(tǒng)化的設(shè)計方法和設(shè)計過程。在這里需要注意的是，考慮到氣候環(huán)境和生產(chǎn)條件等客觀因素，裝配式建筑本身存在地域性，很難采取完全標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)來進行統(tǒng)一，且部分構(gòu)件只能夠在小范圍內(nèi)進行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。這一點我們可以從環(huán)境角度做出評估，例如我國的北方和南方地區(qū)氣候差異明顯，建筑物外墻保溫、抗腐蝕、防水等方面的性能要求比較大，外墻板在設(shè)計時便無法實現(xiàn)全國范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，只需要按照各個地區(qū)制定各自的標(biāo)準(zhǔn)即可[2]。在進行施工模擬時，也可以基于某個區(qū)域的特殊環(huán)境特征來設(shè)置對比條件布置施工場地等，發(fā)現(xiàn)特殊性問題作出調(diào)整，確保標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的質(zhì)量。
1.3協(xié)同設(shè)計
裝配式建筑的協(xié)同設(shè)計指的是各個生產(chǎn)單位在配合和協(xié)同工作的前提下完成專業(yè)化設(shè)計和一體化設(shè)計，一方面保障設(shè)計質(zhì)量，另一方面及時發(fā)現(xiàn)可能存在的各類問題提升專業(yè)配合度。特別是對于裝配式建筑而言，與傳統(tǒng)混凝土現(xiàn)澆建筑模式相比，其現(xiàn)場組裝方式?jīng)Q定了很多構(gòu)件之內(nèi)可能存在預(yù)埋件，如果設(shè)計階段沒有考慮到這些方面的內(nèi)容，那么現(xiàn)場組裝時可能很難采取后續(xù)處理方式。這說明協(xié)同設(shè)計階段建筑師和工程師們需要明確各自的協(xié)同責(zé)任，利用BIM技術(shù)搭建系統(tǒng)化平臺，讓各個專業(yè)都可以在平臺上設(shè)計并共享設(shè)計成果，生產(chǎn)方和施工企業(yè)也可以在早期進入平臺內(nèi)完成工作協(xié)調(diào)。
1.4信息化綜合設(shè)計
BIM當(dāng)中除了具備模型搭建的主要功能之外，還可以實現(xiàn)信息化管理，現(xiàn)代裝配式建筑需要解決的關(guān)鍵問題就是各個施工部門之間的信息溝通和信息協(xié)作。兩者在進行結(jié)合時，就能有效解決裝配式建筑施工環(huán)節(jié)的現(xiàn)存問題。例如BIM技術(shù)平臺在使用過程當(dāng)中會涉及一些施工階段的數(shù)據(jù)信息，這些信息，包括建筑尺寸、使用材料情況、預(yù)制配件的搭接數(shù)據(jù)等，諸如此類的數(shù)據(jù)都需要完成綜合應(yīng)用，從而將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并且最終形成竣工報告。在信息化技術(shù)的支持之下，無論是施工開始階段還是竣工階段，都可以采取科學(xué)有效的管控方式完成可持續(xù)生產(chǎn)建設(shè)的要求，方便管理人員對設(shè)備信息進行監(jiān)控，確保數(shù)據(jù)運行時的穩(wěn)定采取動態(tài)化監(jiān)控模式。例如，技術(shù)人員可以直接對輸入設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行提前設(shè)置，在設(shè)備產(chǎn)生故障之前及時發(fā)出預(yù)警情況，并且制定對應(yīng)的研究方案，或是以可視化的功能通過模型檢查定位故障產(chǎn)生的具體區(qū)域。從空間管理層面來看，裝配式建筑的空間管理從本質(zhì)上來說是對建筑整體進行管控，包括對建筑物模型的規(guī)劃預(yù)測分配，以及竣工前各個階段的管理需求。BIM技術(shù)支持下的數(shù)據(jù)信息化管理最為有效的一點在于其采集分析的數(shù)據(jù)能夠利用計算機來調(diào)節(jié)不同區(qū)域的系統(tǒng)運行，為應(yīng)急決策管理工作提供關(guān)鍵的參考依據(jù)。例如，我們對消防設(shè)備進行監(jiān)控，就能切斷失火區(qū)域的電路通道，避免火勢快速蔓延，讓救援人員根據(jù)模型信息尋找施工被困人員，從而極大地減少人員傷亡的情況。綜合來看，各個關(guān)鍵質(zhì)量驗收點和質(zhì)量控制點都可以采取BIM技術(shù)完成布設(shè)和監(jiān)控，提供更加安全的使用環(huán)境。
2BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用過程
2.1前期準(zhǔn)備階段
前期階段主要指的是項目的策劃階段，裝配式建筑在推廣過程當(dāng)中是建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵點，目前常見的BIM裝配應(yīng)用模式劃分為三種類型，一種是以模型為主，第二種是以圖形為主，第三種則是模型和圖形共同配合。以圖形為主的BIM技術(shù)會先利用CAD軟件等繪制建筑圖紙，并且在圖紙的基礎(chǔ)之上建立模型以開展可視化分析與專業(yè)協(xié)調(diào)。而模型為主的應(yīng)用模式則需要在設(shè)計過程同步建模，但圖紙和模型之間應(yīng)保持足夠的關(guān)聯(lián)性以避免匹配錯誤。在工程前期BIM技術(shù)可以實現(xiàn)全方位的集中管理。例如在材料管理方面，可以通過BIM技術(shù)來確定工程量清單積累工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且為后續(xù)的采購、生產(chǎn)和施工維護提供技術(shù)支持，雖然這會帶來一定的工作量，但對于后期的合同進度管理、施工管理而言可以提供相對準(zhǔn)確的依據(jù)，減少后期產(chǎn)生的成本消耗。假設(shè)一個正常運行的住宅施工，那么涉及的生產(chǎn)構(gòu)建項目就包括樓梯、陽臺、預(yù)制混凝土板、預(yù)制疊合梁柱、預(yù)制夾心保溫板、預(yù)制飄窗等。在材料全部確定之后，我們會對于所有需求的材料和預(yù)制件進行計劃和統(tǒng)計，特別是環(huán)保類的建筑材料使用范圍不斷加大，借助BIM技術(shù)則可以在單位成本控制的前提下降低材料應(yīng)用時可能出現(xiàn)的風(fēng)險，此外還可以記錄過程信息，以數(shù)據(jù)處理為基礎(chǔ)形成考核報告[3]。在前期準(zhǔn)備階段，利用BIM可視化的流通和轉(zhuǎn)換應(yīng)用，讓建模軟件和結(jié)構(gòu)分析軟件，相互配合，對設(shè)備安裝信息和施工信息等展開共享。建筑行業(yè)發(fā)展至今，BIM技術(shù)和其他領(lǐng)域的配合也成為了準(zhǔn)備階段的主要特點，例如借助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行識別在建筑生產(chǎn)環(huán)節(jié)對每一個細(xì)節(jié)部分展開信息共享和數(shù)據(jù)采集；利用VR技術(shù)和BIM技術(shù)進行結(jié)合可以完成一些非常復(fù)雜的可視化模擬，將模型先進行立體化渲染，并整合已經(jīng)建立的環(huán)境空間打造更加真實的效果，以直觀觀察和細(xì)節(jié)處理，掌握施工方式和預(yù)先設(shè)計的意圖。
2.2施工設(shè)計階段
傳統(tǒng)建筑施工管理采取的DBB模式按照順序讓各個參與方依次完成各項工作，但很多單位并沒有提前參與到設(shè)計過程環(huán)節(jié)，這使得后期設(shè)計可能與施工過程之間存在差異甚至脫節(jié)，輕則影響到施工進度，重則會導(dǎo)致生產(chǎn)和運輸成本的質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。在BIM技術(shù)的輔助之下，可以圍繞構(gòu)件來開展參數(shù)化的族庫，在基礎(chǔ)性的工作完成之后，設(shè)計人員可以直接調(diào)用這些提前準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)快速完成圖紙的繪制。裝配式建筑的設(shè)計初期就可以羅列出整體需要的構(gòu)件然后存放至相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫之內(nèi)，包括外墻、內(nèi)墻、樓梯等部件等，根據(jù)戶型、需求的差異來展開模塊化設(shè)計形成不同的風(fēng)格類型。對于整個設(shè)計階段而言，施工方要考慮到的內(nèi)容是業(yè)主方的經(jīng)濟性和其他目標(biāo)，讓設(shè)計方案達到預(yù)期計劃。在設(shè)計完畢之后，還需要對部分構(gòu)件進行拆分，按照構(gòu)件庫信息選擇相應(yīng)的構(gòu)件進行裝配。如果構(gòu)件能夠滿足裝配的要求后再進行拆分，拆分時也應(yīng)確定構(gòu)件的參數(shù)和現(xiàn)場運作能力。BIM模型建立之后，還應(yīng)對其中的預(yù)制構(gòu)件展開深化設(shè)計，對其中的參數(shù)做好設(shè)計。
2.3生產(chǎn)階段
生產(chǎn)階段是相對重要的階段，因為技術(shù)人員此時會在二維平面上先完成預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)和加工，因為二維圖紙所反映出的信息相對有限，因此可能會產(chǎn)生部分誤差問題，此時再通過BIM技術(shù)就可以將所有部件的詳細(xì)信息全部共享給其他生產(chǎn)單位或是合作單位，以三維化模型來傳遞信息，對預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)狀態(tài)進行評估，以便于安排下一個階段的具體工作內(nèi)容。整個信息化平臺涵蓋了生產(chǎn)工廠內(nèi)部的管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)又被細(xì)化分為構(gòu)件生產(chǎn)系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)和構(gòu)件存儲系統(tǒng)等，所以構(gòu)件的生產(chǎn)信息、物流信息和管理信息都可以在生產(chǎn)前做好準(zhǔn)備進行三維建模，將所有的參數(shù)信息轉(zhuǎn)換為實際的可操作內(nèi)容，直至模型最終驗證通過確保正確性[4]。以預(yù)制件生產(chǎn)為例，在構(gòu)件正式投入應(yīng)用之前可以利用BIM數(shù)據(jù)庫對其中關(guān)鍵信息進行提取，記錄預(yù)制構(gòu)件的不同信息之后，結(jié)合施工環(huán)節(jié)的施工環(huán)境、三維地形圖等確定材料的運輸途徑，減少可能存在的損壞等情況。利用BIM技術(shù)信息整合和裝配式建筑構(gòu)件的拼裝組合特點，能夠形成工業(yè)化的流水生產(chǎn)構(gòu)筑模式，將其歸納為裝備式建筑的多層次生產(chǎn)體系，包括標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、數(shù)控加工、集成管控、一體化管理和信息運作等各個方面的工作。從標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計來看，標(biāo)準(zhǔn)化施工建設(shè)的本質(zhì)是為了提升建筑產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，讓生產(chǎn)出來的構(gòu)件配件符合施工要求，所以在設(shè)計階段就可以直接利用標(biāo)準(zhǔn)化的信息參數(shù)模塊來統(tǒng)一生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和尺寸單位保障施工質(zhì)量和工期效益，避免施工和設(shè)計兩者之間出現(xiàn)矛盾的情況。而數(shù)控加工環(huán)節(jié)則是數(shù)控化生產(chǎn)的關(guān)鍵組成部分，在生產(chǎn)過程當(dāng)中，利用BIM平臺可以將一些非常復(fù)雜的預(yù)制構(gòu)配件來進行模擬組裝，借助三維影像搭建模型之后使整個過程變得可視化和具體化，極大地提高了生產(chǎn)的效率，而且保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。值得一提的是，在模擬過程當(dāng)中還可以完成對模型實施監(jiān)控工作，設(shè)計人員可針對潛在問題采取針對性的預(yù)防或者補救措施，或是根據(jù)已知預(yù)制構(gòu)配件的定位跟蹤結(jié)果，來評估和把控設(shè)備投入使用的運行狀態(tài)。集成管控則是從現(xiàn)場組裝角度進行精細(xì)化管理，根據(jù)施工控制點模擬的數(shù)據(jù)回饋和現(xiàn)場施工進度監(jiān)控復(fù)核，從而進一步確認(rèn)生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件數(shù)量等是否需要展開調(diào)整、場地布置和施工進度是否需要調(diào)節(jié)、所使用的設(shè)備是否要進行更換等。以BIM建模完成組裝虛擬施工環(huán)境之后，可以對運動關(guān)系和運動順序進行確定，判斷模擬結(jié)果是否滿足實際需求，如果非實際最優(yōu)結(jié)果則調(diào)整參數(shù)后再確定最優(yōu)方案。一體化管理具有十分明顯的優(yōu)勢，其可以有效地提高管理效率，而且還能減少可能產(chǎn)生的隱患，采取集成式預(yù)制方法提前做好項目質(zhì)量控制，有效縮短工期減少施工養(yǎng)護的時間。特別是由裝配式方式所生產(chǎn)的一體化構(gòu)件，能夠減少作業(yè)工序和施工材料，確保施工效率和主體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)不產(chǎn)生矛盾。對于設(shè)計人員而言，可以在完成一部分構(gòu)配件生產(chǎn)之后再進行外部施工，有效確定施工順序和一體化運行要求?？臻g管理信息化也是一個重要環(huán)節(jié)，其本質(zhì)就是對整個建筑進行管理，利用BIM技術(shù)對建筑物模型和設(shè)備故障問題等作出判斷，提升空間舒適度確保信息運行時的穩(wěn)定。即便是在施工環(huán)節(jié)完成之后，也可以幫助驗收人員和維護人員掌握設(shè)備建筑的運行情況，例如判斷建筑室內(nèi)的溫度濕度調(diào)節(jié)是否合理、能耗和溫控變化是否符合要求等。
2.4現(xiàn)場施工階段
現(xiàn)場施工是BIM技術(shù)應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)，利用BIM技術(shù)可以對構(gòu)件進度、質(zhì)量等進行全方位管控。具體來看，設(shè)計階段的施工信息可以利用RFID進行實時采集，并且按照進度管理過程當(dāng)中的信息需求提出進度管理體系結(jié)構(gòu)，展開全方位動態(tài)進度管理[5]。如在構(gòu)件進度管理工作當(dāng)中，需要按照構(gòu)件進度管理過程當(dāng)中所提出的信息需求來提出進度管理體系結(jié)構(gòu)，對施工動態(tài)過程展開管理。在確定計劃生產(chǎn)時間和計劃裝配時間之后，要基于構(gòu)件的計劃進度統(tǒng)計出實際的生產(chǎn)時間和裝配時間，以表格的形式做好記錄，關(guān)鍵的節(jié)點構(gòu)件通過RFID標(biāo)簽做好記錄。以現(xiàn)澆式建筑而言，其質(zhì)量控制一般都圍繞施工現(xiàn)場來進行，但是對于裝配式構(gòu)件施工而言，構(gòu)件生產(chǎn)區(qū)域和施工地點都是質(zhì)量管理的核心區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)過程可以有效地提升構(gòu)件生產(chǎn)效率，在整個建筑項目過程當(dāng)中，也涉及不同流程的質(zhì)量管控。施工準(zhǔn)備階段需要做好構(gòu)件深化設(shè)計和施工方案的模擬檢查，確定質(zhì)量控制點；生產(chǎn)制造階段則要做好材料、工序的質(zhì)量管控；現(xiàn)場裝配階段做好技術(shù)交底和吊裝工序管理；質(zhì)量驗收階段則做好分部工程質(zhì)量管控工作，對可能存在的質(zhì)量問題做好總結(jié)和分析[6]。
3結(jié)語
傳統(tǒng)建筑模式不僅能耗過高且施工周期普遍較長，管理過程難度較大，不同環(huán)節(jié)出現(xiàn)誤差的概率較高。但BIM技術(shù)投入應(yīng)用后，整個建筑施工當(dāng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)都可以通過仿真提供優(yōu)化依據(jù)。本次研究也從BIM技術(shù)應(yīng)用的基本原則要求入手，按照不同的全過程管理階段進行了技術(shù)應(yīng)用模式的綜合分析，旨在分析其在協(xié)同管理當(dāng)中的應(yīng)用價值。未來新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展背景之下，建筑工業(yè)化將進一步推動BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，重點圍繞平臺開發(fā)和管理確定不同階段的管理目標(biāo)提供針對性支持輔助。
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作者:劉英 單位:山東泰安建筑工程集團有限公司