装配式建筑的出现并非新鲜事物。早在19世纪工业革命出现时期, 建筑业就已开始效仿工业的高效和流程化。1851年的第一届世界博览会, 在伦敦海德公园仅用9个月建造1幢7万多m²的建筑, 由于外墙和屋面采用玻璃建造, 被人们称为“水晶宫”, 引领了第一次工业化建筑的思潮。

第二次工业化建筑的兴盛期产生于战后重建时期, 各国急需在短期内建起大量住宅。法国建筑大师柯布西耶提出了像汽车一样建造房子的论点, 并在巴黎瑞士学生宿舍、马赛公寓等项目中进行实践。德国、日本、美国、原苏联等国家也出台了相关法案, 推行工业化住宅的建造。我国也在1956年发布了《关于加强和发展建筑工业化的决定》, 并在70—90年代建造了大量预制钢筋混凝土板拼接而成的房屋, 仅北京就建成约1 000多万m²。然而, 这种房屋户型单一、技术不成熟, 在防水、抗震、连接等方面存在重大技术隐患, 逐渐退出了历史舞台。

而今, 随着信息化的发展和建造技术的不断成熟, “装配式”又重回人们的视野。在2017年出台的《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》中更是把推进装配式建筑作为推进建筑产业现代化的主要途径, 提出了力争用10年左右的时间, 使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。《上海市装配式建筑2016—2020年发展规划》提出, “十三五”期间, 全市符合条件的新建建筑原则上采用装配式建筑。《深圳市住房和建设局关于加快推进装配式建筑的通知》中也提出装配式建筑项目应当应用建筑信息模型 (BIM) 技术。

与此同时, BIM技术也成为建筑业推进的主要方向。住房和城乡建设部从2011年开始在有关文件中提倡应用BIM技术, 内容涵盖政策鼓励、奖项奖励和标准建立等多个方面。

从2014年开始, 北京市、上海市、广东省、陕西省、深圳市等先后发文推动BIM应用。在福建省更是明确指出大型公共投资工程以及采用工业化方式建造的工程全部列入BIM试点范围。

在2个炙手可热的概念下, 可以看到BIM与装配式建筑的相似性:政策扶持度高、行业标准成熟度低、技术水平成熟度低、前景普遍看好。那么, “BIM+装配式建筑”能实现“1+1>2”吗?

在多数建筑企业还在迟疑的同时, 多项“BIM+装配式建筑”的试点项目已开始崭露头角。在2015年首届中国建设工程BIM大赛中, 中国十七冶集团有限公司在马鞍山试点的“装配式住宅BIM虚拟建造技术研究与应用”即获得了当年的大赛一等奖, 在此后的3年间, “BIM+装配式建筑”的项目在大赛申报项目中已由2015的7项增至2017年的86项, 呈倍数增长。

就目前这些项目的开展情况来看, BIM对于装配式建筑的作用主要体现在:支持工厂化生产、装配式施工, 一方面可以支持非现场建造活动, 利用BIM数据通过数控机床进行部件的工厂加工;另一方面可以支持现场建造活动, 根据模型, 提供装备顺序, 在计算机中进行虚拟施工, 指导施工过程。具体包括:在设计阶段的精细化建模、拆分模型、模块化设计、建立模块库, 在生产阶段的自动计算和加工, 在安装阶段的现场吊装与模拟和运维阶段的后期管理。

“BIM+装配式建筑”相对于常规建筑工程, 更倾向于将工作量前移至工厂加工或设计阶段, 甚至是筹备阶段。工作量前置的一个优势是预判可能出现的问题, 从而辅助判断当前应该进行的调整。这对于决策具有重要意义 (见图1) 。

通过对BIM大赛中获奖项目中“BIM+装配式建筑”的进一步对比分析, 可以发现这些应用水平较高的项目在很多阶段存在共同之处。

1) 项目选择我国目前从政府推广或企业打造品牌的角度, 似乎更多倾向于选择具有较大投资规模和技术难度的项目。但从实际角度出发, “高大上”的项目更容易加长建模周期, 增加BIM人才投入, 如策划和执行力不足, 则可能造成最后流于形式主义、表面工程。因此, “BIM+装配式建筑”试点项目的选取, 可以选择较易操作、可复制性强、模块式设计的项目。同时, 应尽量避免选择已开工的项目, BIM介入越早才越能发挥其价值, 已开工的项目人员组织已经定型, 项目规划、施工部署已经完成, 这时才开始引入BIM, 反而会打乱原有的施工规划, 造成BIM应用融入和推行困难。

2) 确立BIM组织架构建立BIM应用团队, 明确岗位职责。特别是聘请外部的BIM专家团队, 要做好外部专家和内部技术人员的配合工作。

3) 需求调研协同设计院、加工厂、安装单位进行需求调研, 进行重难点问题提取。根据重难点问题分析BIM解决方案、BIM应用目标, 并编制BIM实施方案, 进行方案交底。

4) BIM目标制定在需求调研的基础上, 在项目开始前要明确项目BIM应用目标, 针对项目特色提取有价值的BIM应用点。值得指出的是, 不一定项目的每个阶段和工作都使用BIM投资回报率最高, 也不一定项目所有参与方都使用BIM投资回报率最高, 企业和项目不同的实际情况 (项目投资、复杂程度、工期、项目团队构成等) 才是决定BIM实施方案以获得最大投资回报的关键因素。

5) 建立联动机制将BIM信息与设计、生产、安装形成联动机制, 并派驻技术人员跟踪指导BIM技术的现场实施。最后开展定期例会、总结BIM实施过程中存在的问题, 并依据定期例会总结的问题, 有针对性地加以解决, 并形成总结汇报。

6) 确定建模标准、模型检查标准和应用标准, 并在BIM应用过程中逐步完善。重视模型应用与数据交互, 建立完善的BIM应用流程。从主体结构、结构模型、管综模型、预制构件、模型数据和族库等多个层次, 制备多粒度装配式建筑模型。

1) 设计与精细化建模装配式建筑设计中, 利用BIM技术所构建的设计平台, 各专业设计人员能够快速地传递各自专业的设计信息, 对设计方案进行同步修改, 提高装配式建筑设计效率。

2) 建立并构建装配式建筑各类预制构件 (如门、窗等) 的“族”库。构建装配式预制构件的标准化设计。

3) 针对复杂节点和典型构件的深化设计, 通过建立复杂构件的三维模型和钢筋节点, 检查钢筋布置的合理性。针对装配式建筑的突出问题, 在满足规范和验算通过的前提下, 进行深化设计 (见图2) 。

4) 碰撞检查对预制构件与管线进行优化。装配式建筑对后期开洞有严格限制, 因此必须在设计阶段解决管线与结构干涉等问题。

5) 模拟预拼装对整个项目模型的预制构件进行准确快速检验与信息反馈。在材料高预制率、高准确率的作用下, 减少了大量的运输成本、返工成本, 缩短了工期。

装配式建筑的预制构件生产阶段是装配式建筑生产周期中的重要环节, 也是连接装配式建筑设计与施工的关键环节。装配式建筑BIM中的预制构件设计信息与装配式建筑预制构件生产系统的直接对接, 可提高装配式建筑预制构件生产的自动化程度和生产效率。

1) 构件编码深化BIM设计模型, 按照现场需求, 通过Revit中的标记对每个构件进行编码, 并在制作完成的构件上打上编码钢印, 将模型与构件的生产完成情况进行关联, 保证构件信息的准确性。

2) 可视化交底利用BIM制作可视化交底的节点详图对车间工人进行技术、质量交底, 并精确统计工程量, 指导工厂制作, 提高工作效率及质量。预制构件生产厂家也可从装配式建筑BIM中直接调取预制构件的几何尺寸信息, 制定相应的构件生产计划, 优化整合预制构件生产流程。

3) 进度反馈在预制构件生产的同时, 生产厂家还可向施工单位传递构件生产的进度信息。

4) 构件运输和堆放为避免车体晃动对构件的损坏, 利用BIM, 对各类构件设计专用支架, 节省空间和方便构件吊装, 也避免构件的二次损坏。

1) 将项目按专业、楼层、部位、编号进行WBS分解, 并与进度计划关联, 指导施工。在运输中, 根据编码模型及安装顺序, 编制运输及堆放计划, 确保运输的有序性及现场吊装的便利性。在施工中, 根据编码模型自动生成按编码统计的精细化工程量, 从而指导“人、材、机”计划的编制。

2) 设计、生产与安装的模型信息与管理信息的协同工作。例如, 在安装过程中, 施工现场反馈预制构件生产过程中, 墙体底部用于角钢搭接的预埋套筒和墙体内预埋接线盒常发生碰撞现象。施工现场将此问题反馈给设计方, 利用BIM干涉检查与优化功能, 重新调整预埋套管与接线盒的位置, 使得设计深化成果更方便地用于现场安装。

3) 精细化控制现场材料用量如在二次浇筑中利用颜色区分预制构件和现场二次浇筑混凝土用量。

4) 现场的质量管理可利用数字样板引路, 采用IPAD移动检查功能来发现和整改质量问题。

1) 设备维护管理借助BIM和RFID技术搭建的运维信息管理平台, 建立装配式建筑预制构件及设备的运营维护系统 (见图3) 。例如, 在发生突发性火灾时, 消防人员可利用运维信息管理平台中建筑和设备信息对火灾发生位置进行精准定位, 并掌握火灾发生部位所使用的材料, 实施针对性灭火。此外, 运维信息管理平台可建立维修系统管理, 可以自动对运维工单进行汇总, 包括人员工时、备件耗材、使用工具等数据进行统计汇总。用户可以查看到历史阶段中已经完成的工单记录, 以及每个工单对应的具体操作人员、备件耗材、使用工具等信息明细。

2) 质量和能耗管理运维管理人员利用预制构件中的RFID芯片, 结合运维信息管理平台获取预制构件生产厂商、安装人员、运输人员等信息, 实现质量信息的可追溯。BIM技术还可实现对建筑物运营过程中的能耗动态监测和分析, 准确定位高耗能所在的位置, 从而根据实际情况进行解决。

BIM和装配式专业人才的缺乏往往成为BIM+装配式建筑应用的瓶颈。而目前很多企业面临专业人才缺乏→专业人才培育难→专业人才培育后流失→专业人才缺乏的恶性循环的困境。人才流失的根本原因在于人才通道问题, 培育后的专业人才缺乏上升通道时造成人才流失。目前很多企业采用了BIM中心的模式。BIM中心相对于许多其他业务部门, 人员流动性较差, 工作环境相对封闭, 工作内容较为单一, 往往以建模为主, 和现场联系不足, 因此企业在提拔项目经理等关键岗位时较少考虑BIM部门人员, 企业新入职职工大多也不愿意选择BIM部门作为今后发展的方向。对于这个问题, 一些企业做出了有益尝试:一方面从已有的项目经理入手, 进行BIM和装配式培训, 形成从项目经理到项目人员的辐射, 并将BIM能力考核等级作为人才提升考核的一项重要内容;另一方面从新入职的员工入手, 如上海建工集团和中铁四局集团有限公司, 对于新入职的员工, 都必须到BIM中心培训半年, 再分配到各岗位。这样保证了新任职人员对BIM的熟悉度;同时, 打破BIM中心封闭的工作模式, 建立BIM中心与项目部联合工作模式, BIM中心主要角色由建模人员向指导人员转变。

在BIM+装配式建筑的应用中发现, 一些新兴企业、专业公司往往更易于接受BIM+装配式建筑, 而对于一些大型国有企业, 反而在BIM+装配式建筑的推行上困难重重。究其原因, 是大型国有企业由于长期固有的项目管理观念与BIM+装配式建筑的工厂化装配式生产方式观念上的冲突, 导致很多大型企业转型难。而对于一些新兴企业或专业公司, 如远大住宅工业集团股份有限公司、上海振华重工 (集团) 股份有限公司等, 本身对工厂化生产的组织方式较为熟悉, 并较为容易结合BIM技术进行生产组织, 完善企业管理体系。

近年来, 各地有关BIM和装配式建筑的政策出台较多, 但落地难, 成为多地面临的问题。出现落地难的原因较多, 一方面可能是政策本身不够细化, 没有具体的实施细则和监督措施;另一方面也可能由于政策本身涉及规划、国土、发改、财税、建设、房地产等多个部门, 导致推诿扯皮的现象频发。在这方面, 上海市做出了表率: (1) 主要领导非常重视BIM和装配式建筑发展, 召集有关单位成立“上海市绿色建筑发展联席会议”, 推动相关政策制定、落实和工作协调。 (2) 对应实施的BIM或装配式建筑的建设项目, 在土地出让合同中明确相关要求, 保障项目顺利落地。 (3) 出台鼓励和扶持政策, 如规划奖励、资金补贴、专项基金减免以及奖励容积率 (3%~5%) 等政策;明确BIM和装配式建筑工程项目实行分层、分阶段验收标准。 (4) 建立并逐步完善了从设计、构件生产、施工安装到竣工验收的标准规范体系和图集, 实施全过程质量监管, 保障工程质量。但即使在制度建立较好的上海, 也无法避免一些政策难以落地的问题。例如, 上海市在2016年《关于进一步加强上海市建筑信息模型技术推广应用的通知》 (征求意见稿) 中曾提出2016年10月1日起, 6类新立项的工程项目应当在设计和施工阶段应用BIM技术。由建设单位牵头组织实施BIM技术应用的项目, 在设计、施工2个阶段应用BIM技术的, 1m²补贴20元, 最高300万元;在设计、施工、运营阶段全部应用BIM技术的, 1m²补贴30元, 最高500万元。但由于资金等各方面原因, 该文件也始终停留在征求意见稿阶段, 未能实施。

综上所述, “BIM+装配式建筑”应用模式在不断发展中也存在种种问题, 需要建立新的以BIM为基础的工厂化生产为主要模式的思维和理念, 解决人才发展通道瓶颈, 向建立“BIM+装配式建筑”有效发展模式的企业学习, 结合政府的政策发展走向, 真正实现有效应用, 从而迎来建筑产业新的发展和变革。