2019.03.06

專家視角 | 基于BIM技術的裝配式建筑智慧建造

引 言

    2017年住房城鄉建設部和國務院辦公廳印發的相關政策,明確提出:要推廣應用BIM技術,全面推進裝配式建筑的綠色化發展,提升建設項目全生命周期的科學管理水平,即智慧建造。楊寶明早前提出過“智慧建造”的概念,筆者認為,裝配式建筑智慧建造的內涵可概括成是集綠色化和智能化于一體的建造過程。國外部分發達國家已著手于探索綠色建筑,并形成基于各自國情的評價體系、認證方式及政策手段;我國根據能源、資源特色和建筑特點,頒布了《綠色建筑評價標準GB/T503782014[1];劉丹丹等[2]提出BIM軟件間的相互配合以達到優化項目設計施工方案的目標;王愛蘭等[3]通過BIM技術模擬CSI構件以避免返工和降低能耗;劉平等[4]、Irizarry[5]Porwal[6]探索BIM技術的交互性及其于建設項目供應鏈信息流中的應用;王巧雯等[7]和胡延紅等[8]探討BIM協同平臺以實現項目各階段及各參與方高效協同管理上的價值;彭書凝等[9]結合中國建設工程BIM大賽,重點分析BIM在裝配式建筑建造的應用亮點;齊寶庫等[10]根據浦江基地保障房項目,總結BIM應用于裝配式建筑建造中的不足。

綜上所述,國內外眾多學者主要就如何實現綠色建筑或如何通過BIM技術優化裝配式建筑建造過程等問題進行了分析與探索,但仍未見如何基于BIM技術實現裝配式建筑綠色化與智能化集成智慧建造的相關研究報道。目前,傳統建造模式下的裝配式建筑尚有許多弊端,諸如預制構件精細化管理復雜;建造產業鏈體系化不完善;“四節一環?!鋇姆⒄掛泊嬖諂烤鋇?。因此,如何實現裝配式建筑智慧建造已成為建筑業的一個重點研究主題。本文將通過介紹裝配式建筑運用BIM技術執行綠色建筑方案和智能化建造過程,同時列舉三個借助BIM技術建設的裝配式建筑案例,總結出一些對實現裝配式建筑智慧建造具有參考價值的結論。


1  基于BIM技術的裝配式建筑綠色設計

    綠色設計是裝配式建筑向綠色化方向發展的基礎。運用BIM技術,實現裝配式建筑的綠色設計,關鍵在于BIM平臺搭建和BIM數據生成。

   1.1 搭建BIM綠色化平臺

    BIM貫穿于整個項目建設周期,裝配式建筑即包括設計、生產、建造、運營維護的全生命過程。裝配式建筑綠色化的過程需要一個技術平臺來完成方案設計,諸如建筑抗震分析、建筑性能分析、建筑能耗分析、可視度分析、疏散分析以及舒適度分析等。BIM可搭建平臺,將三維建筑模型導入綠色建筑設計分析軟件,模擬計算日照、自然采光與通風、噪聲防治、室內溫濕度等(如圖 1所示),促進實現裝配式建筑的綠色化。

   1.2 基于BIM的數據快速生成

    BIM其完整而準確的數據及可視化特征也為綠色化裝配式建筑設計提供一體化的解決方式,設計人員可快速收集綠色分析所需的三維模型,包括幾何數據、造價、進度等信息,從而更快、更準確地進行綠色建筑設計。引入BIM,即可快速根據當地氣候和地理位置等信息,在建設項目前期,綜合考慮綠色建筑設計的組成要素,如文獻[11],基于BIM技術的建筑采光分析:通過BIM軟件(Revit)搭建某裝配式建筑模型,選取其中一典型功能房間作為研究對象,將室內工作平面定義成13×10的點矩陣,接著選擇一年8個具有代表性的工作日,包括622日立夏節氣,進行晴天模式下室內工作面點的照度計算,并對計算數據進行分析,得出晴天天然采光分布規律。如此仿真操作,可最大限度地還原實體建筑的周邊環境情況,為綠色建筑方案設計提供數據支持,同時為采光分析提供樣本參照。

     圖1   裝配式建筑綠色設計模擬方法 

2  基于BIM技術的裝配式建筑智慧建造

    按照計算機技術的發展脈絡,可將裝配式建筑的建造過程劃分為人工時代、鍵盤時代和集成時代。BIM技術可使項目全生命周期各專業、各階段和各參建方的數據得到有效集成,使得傳統的項目建設模式向基于BIM的項目集成建設模式轉變,如圖2所示,以達到裝配式建筑智能化管理的目標,其關鍵技術如下:


a)傳統項目建設模式   (b) 基于BIM的集成模式

 傳統項目建設模式向基于BIM的集成模式發展

   2.1 設計方案優化

    碰撞檢測:以BIM裝配式建筑各專業模型(包括建筑模型、結構模型、水暖電模型、施工場地模型)為核心,進行同專業內不同構件的硬碰撞、不同專業間構件的軟碰撞、不同吊裝機械作業的動態碰撞等碰撞檢查。將碰撞檢測報告結合BIM多專業模型,按照“檢測→優化→再檢測”的思路,不斷完善設計和施工方案,保證裝配式施工的順利進行。

深化設計:裝配式建筑深化設計緊密聯系設計、生產、安裝階段,需要BIM的可視化應用以提高整體設計效率。包括構件生產階段和施工階段的深化,首先依照建模規范采用BIM三維輔助設計,在BIM平臺上構建鋼筋、機電管線、預留孔洞、預埋件等多專業于一體的BIM綜合深化模型,集成預制構件的全部屬性信息后,完成碰撞檢測、工程量計算、3D打印等核心技術。其次,施工階段整合現澆預制模型,完成現澆節點深化后,利用BIM可視化技術提前模擬現場裝配,避免預制構件與現澆連接節點位置碰撞問題的發生。

   2.2 施工進度優化

    利用BIMBIM5D、Navisworks等軟件)建立與進度結合的4D施工模型模擬施工,不斷優化施工組織設計;同時實時跟蹤計劃施工與實際施工的進度偏差、資源計劃偏差,經過對比分析策劃最優施工方案,不斷優化調整,在保證質量情況下進一步提升工廠、現場的施工進度,通過BIM技術將裝配式建筑進度優勢發揮到淋漓盡致。

不僅僅對整個項目的進度進行模擬分析,對于一些復雜節點的支撐措施、吊裝埋件等模擬施工,可輔助施工人員現場安裝,提升施工作業水平[12]。

     2.3 監理控制系統 

     目前,對于裝配式建筑的監理一方來說,存在著很大的一些問題,諸如資料冗雜造假、信息滯后、對大量裝配式構件驗收不規范等。這些問題導致監理單位無法正常發揮作用,易引發工程質量安全事故。

BIM可改變這一現狀,基于BIM模型,經二次開發后,可形成一套裝配式建筑監理控制系統。它具備整合項目各參與方和項目各階段數據的信息平臺功能,數據庫具有完整性和準確性。各參與方的核心人員都擁有訪問該數據庫的權限,可以基于此掌握工程的進度和數據并完成動態管控,實現監理工作的可視化和智能化互動,構建完善的BIM監理控制體系。

   2.4 “BIM+”技術

   BIM+3D打?。和ü崛「叢擁腦ぶ乒辜?/span>BIM模型,結合3D打印技術以360°全視角展示,提供施工人員脫離CAD圖紙或電子設備的技術指導等。

BIM+無人機:基于BIM技術,配備無人機,主要應用于場地布置、分析、規劃、土方的調度優化和道路選線,不僅能夠加快施工進度、降低造價,還能提高施工現場管理水平和施工質量。

BIM+智能監測:監測人員在BIM二次開發軟件中賦予監測點變形數據、分析結果、坐標、構件信息等,再結合物聯網技術制作成二維碼或引入RFID技術。現場人員通過掃描,迅速獲取監測點的所有相關信息。

BIM+VR:基于BIM模型,結合VR技術構建虛擬化展示,提供交互性設計和可視化形象。

BIM+RFID:利用RFID芯片關聯BIM數據模型與預制構件的生產,用于構件的制作、運輸、入場、存儲、吊裝施工等方面,實現構件生產集約化管理。

    2.5 協同管理

    裝配式建筑智能化建造的核心在于建造過程的“集成”,實現“集成”的重中之重是協同管理[13]。BIM應用固然廣泛有效,倘若未注重協同管理,也將無法推動裝配式建筑各環節、各參建方的有機結合,無法促進裝配式建筑的智慧建造。

如何整合出完整的裝配式建筑產業鏈是推動智慧建造過程中一道難題。目前,在建筑行業中已有一些較成熟的BIM協同管理軟件,諸如,廣聯達BIM5DITWO5D。在預制構件生產前,引入BIM技術,綜合考慮設計、制作、安裝的需求,通過BIM模型提前虛擬施工實際制作安裝過程,包括設計協調、制作過程模擬、安裝施工模擬等,發現所有可能出現的問題,并依次提前解決。實際生產安裝時,結合互聯網、數控機床等技術和設備,信息跟蹤和自動化生產制作安裝過程,提高構件制作、裝配施工的精確度,其基本流程如圖 3所示。

同時,裝配式建筑的眾多參建方之間的信息交互復雜、資源整合低效等也是實現裝配式建筑智慧建造的另一難題。把基于IFC標準的BIM模型數據庫、可視化的編輯平臺以及眾多BIM專業化應用軟件,集成于BIM協同管理軟件中,利用云技術根據設置好的分工規則,合理分配各參建方各自的管理權限,對訪問或修改BIM協同平臺數據進行規范化管理,互查互檢,可保證信息流的通暢準確、及時共享。


3   BIM在項目中的應用流程

3  案例分析

   3.1 裝配式幕墻——廈門天語舟雷達工程

   不單是簡單規則的建筑幕墻表皮可進行工廠化生產和裝配化施工,復雜的建筑幕墻表皮也可以實現。如廈門天語舟雷達工程,位于福建省廈門市,建筑高度將超過400m,占地約10m2,總投資2.7億元,是廈門市氣象現代化四大項目之一。其采用550種雙曲面板實現復雜的船狀外型,GRC面板定位點坐標如圖 4所示。

本項目基于BIM技術,建立與現場完全吻合的結構模型,對幕墻單元進行深化,確保復雜的建筑造型能完整體現。模擬幕墻安裝,提前解決幕墻與土建及鋼結構之間的沖突,保障施工安裝能順利進行。利用優化的幕墻單元,生成幕墻構件清單,并以計算機下料、工廠加工制作的方式,控制幕墻成本投入,實現幕墻從表皮劃分→工廠加工→現場安裝的全方位信息化管控。

4   GRC面板定位點坐標總圖

   3.2 預制拼接沉井式智慧地下停車庫

    為解決老舊小區、商業街區、辦公服務區、城市公共交通配套服務區停車難問題,廈門中鐵科建研究出一種實用創新型專利技術,基于BIM技術的“一種預制拼接沉井式智慧地下停車庫建造方法”,能夠合理利用城市邊角地塊,開發建設停車庫。

5   預制拼接沉井式智慧地下停車庫

    車庫筒體內布局(5):筒體地上1層為停車門亭,地下分成5層停車層,每層10個車位,單個車庫共50個車位。采用全預制方式,利用BIM技術,實現設計、構件拆分、制作、吊裝集成化,預制率36%。

停車架正中央是一套集平移、升降、360°旋轉功能為一體的停車設備,通過BIM+互聯網信息技術將收費系統、存取系統、搬運系統、控制定位系統等于一體化智能管理系統,并統一接入區域停車信息管理平臺,與動態交通信息聯網共享數據,做到停車信息聯網聯控。該預制拼接沉井式智慧地下停車庫具有如下優點:1)綠色環保、節能、節材、節地;2)工期短,成效快、安全性高;3)占地面積少,適應范圍廣;4)設備先進,智能化集成高,存取車便捷。

   3.3   裝配式鋼結構——廈門中心大廈

   廈門中心大廈工程總建筑面積約61m2,由4座寫字樓和2座酒店共同組成,其中寫字樓和酒店為連體結構,建筑高度最高達163m。結合該工程介紹BIM技術在裝配式鋼結構建筑建設中包括土建、鋼結構和機電三大專業,7大版塊的21項核心應用,并獲得全國BIM技術應用一等獎,如圖 6所示。

6   廈門中心大廈BIM核心應用技術

下面列舉BIM應用過程中的設計難點及亮點:

1)“管線綜合排布”主要通過Revit對各專業進行管線綜合排布,解決碰撞、凈空等問題達上百項,保證泵房、走道等位置排布合理美觀,見圖7a)。

2)“大傾角鋼柱吊裝模擬”是利用專業的BIM設計軟件為項目創建精確的數字化模型,在直觀的3D環境下分析、優化,并為異型構件創建施工定位圖,根據模型進行工程量統計。由于鋼柱傾斜角最大約61°,分三層多步向外傾斜,可利用MIDAS軟件對結構進行施工階段模擬分析,確保了施工方案安全可行,見圖7b)。

3)“17臺塔吊交叉作業模擬”主要是采用BIM技術有效組織塔吊運力,避免群塔碰撞,起到了良好效果,見圖7c)。

4)“動態物資管理”主要運用BIM技術與施工進度計劃相結合,導出計劃所需的動態物料清單,快速獲取某進度區間物料工程量,實現限額領料,見圖8。

        

 (a)  基于BIM的管線綜合排布

    

                       (b)  大傾角鋼                      

(c)  群塔作業

 7   BIM技術應用亮點 

8   基于BIM的動態物料清單

4 結論與展望

本文主要從兩方面探索裝配式建筑如何實現智慧建造:

(1)通過BIM技術,實施綠色化設計,促進節能減排,最大程度地實現“四節一環?!?,推動裝配式建筑更加綠色低碳。

2)運用BIM技術,整合裝配式建筑各階段和各參建方的資源,在BIM協同平臺上進行綜合和優化,同時基于BIM技術,提升施工各階段的精細化管理水平,促進裝配式建筑的建設過程更加智能化。

BIM技術與裝配式建筑的結合已不單是三維模型和漫游動畫的展示,它成功標志了一種全新的建造方式。它的發展不僅是為了提高裝配式建筑質量,更是為了實現滿足全球建筑業的潮流方向。當然,就目前BIM的現狀,硬件、人才和技術尚不夠成熟。但隨著建筑業對BIM的認識逐漸深刻,對軟件和技術堅持開拓創新,結合理論實踐腳踏實地發展,BIM將是裝配式建筑實現智慧建造最強有力的手段之一,裝配式建筑即將全面進入智慧建造時代。



致謝:本文的撰寫得到銳建工程咨詢有限公司、中鐵科建(廈門)有限公司、中建三局集團有限公司的大力支持,分別提供了天語舟雷達、智慧地下停車庫和廈門中心大廈的相關項目信息,在此一并致以衷心感謝!


 林樹枝 施有志文章

轉載自: 建筑工業化裝配式建筑網



參考文獻

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