装配式建筑是指预制构件在工厂中生产, 运输到现场拼装并进行可靠连接的结构体系。与现浇结构相比, 装配式建筑具有人工需求量小、周转材料用量少、现场湿作业少, 建筑质量高等特点, 既提高了施工速度, 又满足绿色施工的要求。与现浇大型工业厂房相比, 装配式工业厂房建设具有自身特点: (1) 对预制构件的尺寸精度要求高, 以满足现场顺利拼装要求; (2) 在设计阶段需提前进行碰撞检查, 由于预制构件出筋、埋件等数量大, 在进行碰撞检查时, 需采用BIM技术提高设计效率; (3) 装配式工业厂房预制构件数量大、种类多, 工程量大, 预制构件堆场管理难度大; (4) 预制构件吊装顺序复杂, 依据二维图纸难以确定吊装次序。因此, 将BIM技术引入装配式厂房施工中能在成本、工期和质量等方面带来良好效益。

某装配式工业厂房项目位于西安市高新综合保税区内, 总建筑面积5万m², 建筑高度约21m, 地下1层, 地上2层, 施工工期从2017年11月至2019年5月, 该项目在国内预制程度较高, 采用的预制构件类型包括:预制型钢桁架双皮墙 (precast truss wall, 简称PTW) 、预制柱、预制梁、叠合板, 而PTW为国内首次引进。

1) 本项目预制构件共2.4万m³, 1 647种, 6 960件, 构件的生产、运输、堆放和现场吊装管理难度大。

2) 预制构件普遍在20t以上, 其中最重的预制构件 (预制柱) 重32t, 塔式起重机布置和吊装安全要求高。

3) 构件中埋件和出筋种类多, 空间关系复杂, 碰撞检查工作量大。

为解决上述问题, 本项目采用Revit软件对结构和构件等进行建模分析, 并对现场构件吊装顺序、塔式起重机布置进行模拟, 在降低项目成本、缩短工期和提高建筑质量等方面取得了良好效果。

在项目施工前, 根据业主提供的二维图纸, 使用Revit软件建立项目结构模型。由于该项目为PC结构, 由多种类型构件搭建而成, 需要先将每种构件建成族模型 (见图1) , 再将全部构件族导入项目中, 搭建项目的结构模型 (见图2) 。项目模型的深度取决于族构件的精度, 在建立族构件时, 需要对构件尺寸、构件外部出筋、预埋件的尺寸和位置进行精确建模。本项目包含预制柱、预制梁、叠合板和PTW墙4种构件, 其中预制柱403种, 预制梁294种, 叠合板259种, PTW墙403种。

Revit建模后, 将模型导入Navisworks平台, 进行BIM模型的碰撞检查, 主要包括: (1) 对预制构件内部的碰撞检查, 即内部钢筋间的碰撞, 钢筋与预埋件的碰撞, 钢筋及灌浆套筒与管线接地盒的碰撞等; (2) 预制构件间的碰撞检查, 即预制柱顶出筋与预制梁侧面出筋及与对应套筒空腔间的碰撞, 不同方向的预制梁端面出筋间的碰撞等。碰撞检查完成后, 根据碰撞结果对各构件进行调整, 进一步优化部件间位置, 有效减少施工中碰撞问题的发生。

碰撞类型包括硬碰撞、间隙和重复项等。硬碰撞指两个构件实体间发生碰撞, 这类碰撞问题出现较多, 对工程的影响较大。最小间隙指两个构件实体间并未发生直接碰撞, 但两个构件间的距离小于设计规范要求, 从而影响施工活动或不能满足净空要求。在项目模型进行碰撞检查时, 可以根据实际需要选择其中一种。在Navisworks平台的Clash Detective模块添加检测, 进行碰撞检查计算, 检测完成后自动生成检测报告。报告中显示碰撞名称、碰撞距离、碰撞位置、碰撞类型、碰撞点、相互碰撞的项目等。根据碰撞检查结果, 在模型中找到对应部位, 针对碰撞点进行修改, 逐一排查修改后再次进行复核碰撞检查, 重复此过程, 直到碰撞结果显示“零”为止。

本项目通过BIM模型碰撞检查, 发现2层构件碰撞共23处。如○G/22-○G/24轴处2个预制梁的出筋相互碰撞, ○B/3轴处柱上部出筋和梁侧面出筋相互碰撞 (见图3) 。

在Revit视图模块中能够创建明细表, 根据计算需要选择相应类型, 生成明细表。利用明细表计算工程量包括2种方式:族参数和计算值。明细表利用族参数能够自动统计构件工程量。图4为利用构件族参数统计的预制柱、预制梁工程量。而计算值是在族参数的基础上进行设置生成所需计算的工程量。例如, 需要计算一个构件的重量, 通过族参数自动生成构件的体积, 重量则通过“体积×密度”的计算值显示在明细表中。明细表统计工程量是按类别统计, 统计结果为项目中所有预制柱、预制梁、叠合板的总量, 如果想要统计每层的构件数量, 可以利用明细表中的过滤功能进行分类统计。

与传统现浇厂房不同, PC厂房项目体量大, 预制构件数量多, 若不提前进行策划, 会造成PC构件堆放分区不规范, 堆场杂乱无章, 后期可能造成堆场空间不足, 构件无处安放等问题。本项目借助BIM技术, 结合履带式起重机规划运输交通路线, 对堆场构件布置进行优化 (见图5) , 提高堆场利用率。

PC厂房主体施工以PC构件吊装为核心, 塔式起重机在吊装过程中至关重要。本项目布置塔式起重机数量较多, 采用BIM技术对布置方案进行模拟, 尽量保证项目全部构件在塔式起重机工作范围内, 且保证塔式起重机安装、拆卸时履带式起重机站位不影响其他作业施工, 不占用交通路线, 并以动画形式指导作业人员进行规范合理操作, 指导作业流程。经过BIM模拟对比, 最终确定设置7台塔式起重机, 如图6所示。

装配式厂房构件数量多, 构件吊装质量决定整个项目质量。在正式施工前借助BIM技术对构件吊装过程进行仿真模拟, 再根据结果对吊装方案和吊装流程进一步优化, 确保构件准确、高效吊装。预制柱模拟吊装与实际吊装对比如图7所示。预制梁两端均有外部出筋, 在柱顶处, 4根梁的外部出筋上下错开搭接 (见图8) , 若直接进行吊装, 会因构件安装次序不正确导致返工, 造成劳动力浪费和工期增加。借助BIM模型进行安装模拟, 确定正确的安装次序, 与施工人员做好交底, 确保现场安装一次成功。此外, 通过吊装仿真模拟将吊装过程中可能存在的安全隐患暴露出来, 以便管理人员提前采取预防措施, 避免安全事故。

4D技术是将Revit建立的三维模型与进度计划进行连接, 借助可视化设备和进度安排, 使PC构件虚拟建造装配次序、衔接情况在可视化环境中直观立体地展示出来, 进而对关键进度节点进行控制。在安装模拟过程中运用4D技术对进度计划及时纠偏, 可保证施工按期完成。

在本项目中, 通过Revit软件创建项目结构BIM三维模型, 在Navisworks平台将三维模型与Project进度计划文件相关联, 为模型中每个构件绑定一个时间参数, 建立BIM-4D进度控制模型。创建的BIM-4D进度控制模型可以按天、周、月不同间隔对施工进度进行正反顺序模拟, 及时查看指定日期内完成工程量的情况, 对进度数据库进行实时更新, 调整进度计划, 通过PC构件的颜色区分是否完成该工序, 绿色代表在建, 真实颜色代表已完成。根据不同构件的安装效率进行模拟, 可以展示不同阶段建筑整体外观, 有利于项目对各阶段可能出现的情况进行预判, 提高项目的管理水平, 方便商务人员核算构件吊装阶段成本。

本项目包含构件种类多、数量大, 为解决构件发货、接收信息不准确, 构件不知所踪, 现场安装混乱的问题, 采用了BIM与二维码相结合的技术手段, 通过建立BIM信息管理平台, 实现构件信息共享, 有效避免因个人错误导致的信息不准确, 从而有效提高构件生产、吊运、安装管理质量和效率。

借助BIM技术确定吊装顺序, 从而确定构件的生产顺序、运输顺序、堆放场地等, 实现构件实时可视化管理。将三维BIM模型导入BIM信息管理平台, 每个构件生成一个二维码, 记录构件的编号、楼层、尺寸、生产厂家等信息, 构件厂生产构件时, 直接将二维码卡片固定在构件表面。构件吊运过程中, 构件厂根据二维码卡片信息记录发货清单, 现场人员接收构件时, 根据二维码信息再次核实发货清单上构件编号, 安排构件堆放位置并做好记录。当现场发现构件损坏时, 也能通过二维码信息确定该构件生产厂家, 及时进行修补或重新生产, 避免影响构件正常吊装。构件二维码卡片能帮助现场施工人员更便捷地完成构件定位、吊装, 方便随时查询吊装构件参数属性、施工完成质量等信息, 再将竣工数据上传至项目数据库, 实现施工质量记录可追溯查询。

将BIM技术引入装配式厂房项目, 为项目带来以下效益。

1) 工期方面通过对厂房模型进行碰撞检查, 找到模型构件之间存在的冲突点, 提前解决, 避免不必要的返工, 缩短工期;优化塔式起重机布置, 减少各塔式起重机间的干涉, 均衡工作量, 有利于提高安装速度, 缩短工期;模拟构件吊装方案, 提前确定吊装次序, 保证现场吊装的顺利进行, 缩短工期。

2) 成本方面利用BIM技术优化场地布置, 找到最优的塔式起重机布置方案, 避免资源浪费, 从一定程度上降低成本;BIM自身带有工程量统计功能, 方便商务人员对项目成本进行核算, 提高工作效率。

3) 质量方面通过碰撞检查, 提前发现预制构件的设计错误, 极大地减少了现场拆改工作, 提高了工程质量。