BIM技术在我国于2008年前后开始被业界认识和发展, 目前在重大铁路站房工程、路桥工程、建筑工程领域均有比较典型的应用。2010年以后, 很多高校和国有大型研究机构研究人员和工程技术人员对建筑信息模型在装配式建筑相关行业的应用相关课题进行了研究和尝试, “十二五”期间建筑业信息化发展方向的重点预计将会实现“三个转变、一个升级”。“三个转变”是指从建筑业的管理机构到建筑业企业再到建筑业信息化服务商3个层次的转变, “一个升级”是指信息化技术的战略升级。

沈祖炎等结合3次工业革命的历程, 阐述了我国实现新型建筑工业化的重要性, 提出新型建筑工业化的本质是“九段九化”, 并对如何推进建筑工业化发展提出建议。伏玉等介绍了BIM技术在装配式建筑中的应用情况, 分析了BIM应用于装配式建筑的问题和难点, 提出了对应的建议。夏海兵等基于上海某大型装配式住宅项目, 介绍了BIM技术在该项目设计、深化、生产和运维全生命周期应用后证明, BIM技术减少了设计环节的设计变更、缩短了施工工期、提高了工程质量。本文结合甘肃某保障性住房项目, 介绍了BIM技术在装配式保障房项目中的应用实践。

本项目为新城镇文惠村民安置房项目, 建设地点为甘肃省嘉峪关市政新城镇, 建设用地面积10 506m², 总建筑面积33 050m², 其中地上建筑面积26 265m², 共7栋建筑, 包括1~5号住宅和2栋配套服务用房;住宅楼采用装配式剪力墙结构。

本文以1号楼为例进行介绍。1号楼共18层, 建筑高度53.60m, 建筑面积5 053m²。预制构件包括:剪力墙外墙板 (外叶板+保温层+内叶板) , 预制混凝土剪力墙内墙板, 叠合梁、叠合楼板、预制楼梯、预制空调板, 预制率为51.8%, 装配率为67%。

由于本项目采用从设计到施工现场管理的全产业链BIM技术应用模式, 其BIM应用路线如图1所示。

传统的设计模式是由设计院进行施工图设计, 之后移交给总承包单位, 进行深化设计即构件拆分设计后再进行工厂施工。由于设计院对构件的生产要求、生产过程了解程度不够深, 难免出现方案户型布置不合理造成后期技术经济性不合理情况。本项目策划设计的前期, 便邀请预制构件工厂工作人员与设计院和建设单位进行多次沟通, 确定本装配式建筑项目技术路线, 在方案设计阶段即安装装配式同规格构件尽量多, 尽量以构件的不同组合实现多样化的目的。根据本项目为安置房以及装配式的特点, 对户型进行标准化设计, 经过各方讨论, 最终将户型种类减少至5种。

BIM平台可以极大地提高上述工作效率, 充分利用BIM软件具有族库的功能, 建立标准化构件库, 设计时从库中选取构件, 然后进行组装, 最终建立成为整体建筑模型。通过不同项目在设计过程中的丰富与补充, 可为后续项目形成更加完善的项目级构件库。

以5个户型模块及一个公共区域模型为基础, 对建筑构件、结构构件进行拆分, 形成标准化的楼梯构件、标准化的空调板构件、预制楼板构件、预制外墙板构件等。对楼板和墙体进行模数化设计, 大大减少结构构件种类, 为构件规模量化生产提供非常好的基础, 本工程主要构件的拆分如表1所示。各构件的三维示意如图2所示。

设计阶段建立各专业的设计BIM模型, 各专业在集成平台上基于同一模型进行协同设计, 非常有利于解决传统二维设计中产生的“错、漏、碰、缺”。例如, 机电的管线综合, 水、电、暖、通风可以直观地了解各专业的所在位置及标高, 利用碰撞检查功能, 在设计阶段将问题解决, 并可优化布置方案, 提高设计质量, 避免了对后期施工阶段的不利影响;机电管线穿在建筑墙体及结构墙体预留洞口的准确性也大大提高;利用参数化的构件模型, 对各构件交接处仔细分析、精细化设计, 能够完善地解决各节点的细节问题, 如PC墙与PC墙的水平连接、空调板与主体结构的连接、外墙装饰构件与外墙板的连接等 (见图3) 。

利用BIM技术为预制构件加工提供更佳的信息化技术手段, 充分实现信息共享, 更好地支持设计与构件厂沟通对接。构件在生产加工过程中, 采用BIM模型可直观读出钢筋空间关系和参数, 自动生成构件生产相关参数和单据, 并生成动画和流程图等信息, 最关键的是这些数据均为可视化的, 对工厂工人操作和工厂管理提供工具, 从而达到提高构件质量乃至提高建筑质量的目的。主要在如下几个阶段应用。

1) 模具设计通过前期的精细化设计, 设计的模型已经非常完善, 在BIM信息平台上, 直接将模型信息传递至生产环节, 依据“少规格、多组合”的原则, 根据设计模型拆分设计模具的数量和组合形式。模具BIM模型如图4所示。

2) 构件身份证安装及使用 (见图5) (1) 构件生产时, 埋设可以无线读写的芯片, 埋入前先将其构件参数写入芯片, 包括构件编号、尺寸、所在位置、配筋、生产日期、构件质量、生产车间等信息; (2) 安装模具、喷涂脱模剂、绑扎钢筋笼、固定预埋件、混凝土布料、振动台振捣、养护、脱模; (3) 检验, 质检员用手持端读取预埋芯片中的参数, 核对构件实体与参数是否一致、生产质量是否满足要求, 质检员将检验评价及结果写入芯片后入库存放; (4) 入库员验证信息并记录入库保存信息; (5) 装车前验证身份证并写入运输信息; (6) 到达现场扫描验证身份证计入现场存放及入场检验信息; (7) 构件安装时再次检验构件信息并记录安装信息到芯片内。结合BIM参数的预埋芯片实现了预制构件可追踪性。在生产、运输、施工、全生命周期管理中记录所有信息, 达到提高质量、提高效率、降低成本的目的。

利用BIM模型的强大优势可对施工过程的关键工艺进行模拟, 以选择好的工艺, 如针对分仓坐浆技术, 根据一般的工艺要求, 需要放置20mm左右厚度的专用垫片, 以保证浆料的均匀性及厚度, 垫片本身不能影响浆料流动性。通过多次模拟演示, 最终确定4个垫片在墙体两端对称布置, 每端2个;叠合楼板支撑设计:传统的脚手架搭接作为支撑, 搭建时间长, 材料消耗大, 且搭建完成后因现场楼层场地较小, 对施工人员的行走、建筑材料的水平运输带来很大不便。使用revit还原支撑架, 在模型中对支撑架和木方进行预排布, 确定支架支撑木方设置方案;叠合楼板与墙体交接缝隙处理:因施工缝的尺寸较小, 选用三角铁作为填缝的模板, 并设计了顶角支架, 且在模型中进行了预排布, 测算出标准层单层使用数量约为52组, 提前预估了材料的消耗数量, 避免了物料的浪费。施工阶段典型BIM模型如图6所示。

施工场地规划是施工组织设计的重要部分, 要做到绿色低碳施工, 因地制宜地进行规划安排, 临时设施占地面积有效利用率≥90%, 绿化面积不低于临时用地面积的5%, 做到合理可行。通过BIM技术应用, 建立BIM场地标准化设施族库, 在revi中模拟场地布置, 充分考虑施工机械设备、办公、道路、现场出入口、临时堆放场地的优化合理布置, 施工现场设置便于大型运输车辆通行的现场道路, 并保证其畅通和路基的可靠性。

4D-BIM:在传统的3D模型中, 增加时间维度, 便可形成4D-BIM模型, 通过4D施工模拟, 方便现场管理人员前期了解建造过程和顺序, 在过程中加强进度管理, 确保工程能够在预定工期内顺利完成。在未开工之前模拟出施工进度, 可通过反馈信息来调整施工进度计划。本工程进度模型如图7所示。

利用BIM三维参数化模型计算地上结构部分工程量。每子项工程量、计算式和构件ID更加直观, 方便对量和查找。计算完成后的工程量除了可用列表的形式查看之外, 也可以生成项目条理明确的“分部分项工程量清单”、“定额汇总表”等形式的表格, 并可导出为excel文件格式, 方便算量人员之间的传阅与核对。而且采用BIM模型的计量工作效率有极大提高, 由传统的广联达独立建模工作时间15d×2人, 优化至4d×2人, 而且减少了人工出错的可能, 准确度也大幅度提高, 且更加清晰易懂。

本项目由于技术等方面限制, 未采用装配式装修技术。团队也在逐步探索建立标准化的装配式装修部品库以及装修部品的工厂化等内容, 以在装配式装修方面提供借鉴和相关服务。本文作为装配式建筑专项技术, 对本项目装修部分不再赘述。

1) BIM技术在装配式建筑全产业链中的应用

本项目BIM技术在设计、深化设计和施工 (包括施工深化设计、工厂生产、存放、运输、现场存放、安装、校对、检测) 的全产业链应用BIM技术, 建立包括施工进度模拟在内的4D-BIM模型, 大大提高了项目信息化管理水平。

2) 设计阶段户型标准化设计通过BIM模型优化, 形成了代表性的5个标准化户型, 以适应工业化式生产和建造, 以少户型、多组合为原则完成整个项目, 为后续标准化生产和批量运输安装创造了可能。

3) 形成适合本地区的BIM模型PC构件库, 为同类保障性住房建筑的设计和生产提供了发展潜力。后续将实现良好的社会和经济效益。

4) BIM技术的深入应用降低了建设方、设计方、生产方、施工方等相关各方的沟通成本, 创立本地区装配式建筑BIM应用典范, 具有良好的示范推广效应。