当前装配式建筑市场规模不断扩大,其中住宅项目以预制混凝土构件(Precast Concrete,PC)为基本组成单元,大力发展装配式建筑的地区对PC构件的需求量大。由于我国装配式建筑的发展处于初级阶段,标准化设计、智能化生产和机械化施工吊装的系统统一还未实现,各阶段相互脱节,协调性尚需提升,产业聚集效应的优势无法体现。

要真正实现装配式建筑,需要以集成思想为指导,与工程信息技术和BIM技术深度融合,为各参与方不同阶段的信息传递、共享和协同应用提供技术支撑。现有研究中侧重于PC构件在设计、深化设计和生产阶段信息集成的理论和方法研究较少,尤其是跨组织跨阶段的信息传递与协同问题急需解决。由于涉及多个参与方的多种应用需求,数据复杂、庞大,因此必须对BIM中的数据进行精心设计和组织,从不同维度对信息进行集成,实现设计、深化设计和生产阶段的信息互通,实现高效的协同和沟通方式,为完成优质产品提供理论指导和平台支撑。

当前用传统方式实施装配式建筑的做法普遍存在,一方面产业聚集优势无法体现,突出表现为产业链各环节活动脱节,协调性差,无法实现资源优化配置;另一方面承发包方式仍以DBB(设计-招标-建造,Design-Bid-Build)模式为主,部分项目已采用EPC(Engineering Procurement Construction)总承包模式,但各参与方工作及沟通仍以传统方式为主(如图1所示),导致阶段性交付产品质量不高、工作效率低下、成本高等问题。

(1)受限于装配式建筑发展阶段和设计方水平,直接面向构件的设计方法难以推行,设计方一般按照通用现浇结构进行初步设计,依据“等同现浇”原则,进行构件拆分设计。各专业间协调不足,设计方构件拆分能力差,导致后续返工增多。

(2)目前深化设计大部分由PC构件生产商或其委托单位完成,极少数设计方承担深化设计任务,设计阶段与深化设计阶段割裂,设计方的龙头作用无法发挥,导致深化设计方与设计方反复就拆解后的方案进行沟通,耗时耗力、效率低下、成本巨大,将深化设计真正纳入设计阶段十分必要。

(3)PC构件生产商作为新的参与方处于产业链的中间环节,与深化设计方和施工方联系紧密,本应以标准化设计为基础,以工业化的方式高效地生产通用构件,但当前很多项目仅仅是把现场浇筑混凝土的工作转移到工厂,造成工厂生产通用构件错误地变成在工厂预制工程的尴尬局面。

装配式建筑是一个集各阶段、各参与方、各协同方信息于一体的复杂动态系统。其中,装配式建筑各阶段均涉及信息获取、传递、应用以及共享,具有时效性和动态性等特点。在装配式建筑设计、深化设计与生产环节,不同参与方不同程度地利用信息技术辅助工作,当前突出的问题在于不同环节的数据割裂。

(1)设计方基于设计软件或平台辅助设计,生成设计阶段的建筑、结构、机电及内装信息模型,进行专业内和专业间的碰撞检查和基于可视化的复杂区域设计优化等工作,完成构件拆分工作,将成果移交给深化设计单位;

(2)在设计方与深化设计方信息化平台不统一的情况下,设计方移交的阶段性成果无法直接使用,需要修正或重新建模才能进入深化设计阶段,设计-深化设计信息割裂,深化设计方结合生产和施工要求,对构件、节点和模具等内容进行设计。信息量大、信息种类多。

(3)在智能化生产层面,很多工厂应用了部分流程或全流程的自动化生产加工工艺,但缺少与设计阶段数据的对接,很难直接利用前一阶段的信息生成采购和生产信息,需要人工对数据进行再处理,降低了工作效率,同时容易引起信息传导失真。

“设计-深化设计-生产”阶段的信息需求数据复杂、庞大,涉及多个参与方的多种应用需求,必须以通用数据标准为基础,以基础数据管理为核心,以多参与方、多阶段之间的协同为关键,打通设计到生产阶段的信息数据,实现跨阶段的信息互通,为全生命周期的数据互通奠定基础。

PC构件从设计到生产的过程实质上是物流和信息流相辅相成,最终实现统一生产的过程。以设计、深化设计和生产过程为主线,PC构件从无到有,各类信息相继产生并在不同部门或不同组织间传递。为了既能保证信息的有用性、全面性、及时性又能减少重复和浪费,从产品(product)、组织(organization)和流程(process)(产品、组织、流程,简称POP)三个维度对PC构件信息进行整合,构建设计-深化设计-生产阶段的信息集成模型十分必要,而BIM为信息集成提供了技术方法和平台。BIM以三维模型为载体,可以动态添加不同维度信息,具有集成性、动态性、协调性和模拟性的特点,为各参与方提供唯一BIM模型和统一基础信息,便于各方之间的协调,为完成优质产品提供信息支撑。

为了更好地构建BIM中数据完整准确的相互关系,必须对数据进行精心设计和组织。结合霍尔三维结构,提出从产品、组织和过程(POP)三个维度进行集成的建模方法,产品维度是核心,用过程和组织模型来补充PC构件产品模型,以支持沟通和协同(如图2所示)。过程表示产品所处阶段,组织信息包括组织内或组织间信息的交互内容、方式以及他们的相关职责。

PC构件是装配式建筑的基本组成单元,预制构件的质量影响着装配式建筑的质量,PC构件的设计和生产以提供合格的产品为目标。当前PC构件的标准化程度低,构件种类繁多,尺寸多样,差异化较大,需要借助BIM技术对PC构件进行全方位的质量控制(设计、深化设计、生产阶段PC构件信息如表1所示)。

是设计信息产生的过程,主要用于优化初步设计和复杂区域的可视化展示。根据BIM设计模型沟通设计意图,进行各专业内和专业间的设计检查,对设计方案进行优化。

设计信息进一步明确,构件和模具等信息不断更新,BIM设计模型可用于预制构件碰撞检查、节点设计和模具设计。首先在节点连接处钢筋排布密集,易出现预留预埋、连接件和其他构件碰撞,或不同预制构件间模板或钢筋碰撞等问题,对预制构件内部、预制构件之间进行碰撞检查,避免传统二维设计中不易察觉的“错漏碰缺”。其次,需要对复杂部位和关键施工节点进行论证,通过可视化各专业、各阶段模型,分析与需求相匹配的模型深化程度。通过建立的BIM预制构件模型,进行模具设计,满足生产需求。确保深化设计图纸的准确性和可实施性,进而提高深化设计的质量。

深化设计阶段的BIM信息具体到每个构件,一方面通过BIM模型生成计划物料清单(Planning Bill of Materials,PBOM),快速准确地提取各阶段材料的种类和用量,通过BIM模型的底层数据支撑作为物资采购和管理的控制依据。另一方面关联了设计信息的BIM加工图可以对构件属性信息自动归集,通过设计软件接口生产管理平台,实现设计信息到构件生产信息的传递和共享,生产部门结合生产线和工艺流程生成制造物料清单(Manufacturing Bill of Materials,MBOM),指导车间生产。

PC构件设计-生产阶段的主要直接参与方有设计单位、深化设计单位和生产商,三者构成了设计生产过程的协同主体,各参与方的工作目标和内容差异较大,沟通协作的方式也分为组织内部协同和组织间的协作。组织内部沟通包括:(1)设计阶段主要表现为设计方内部各专业之间的沟通协调;(2)深化设计阶段表现为深化设计方各专业与模具部门、物料采购部的协同;(3)生产阶段表现为车间生产部门与物料采购部门、生产计划管理部门及企业生产管理部门的协作。组织间的沟通包括:(1)设计方与深化设计方就深化方案、力学性能、生产的可行性等内容进行沟通与确认;(2)深化设计方与生产方就构件加工图、模具方案、各类BOM单进行商榷,进而进入生产阶段。不同参与方传递的信息如表2所示。各参与方信息的产生、传递和共享为协同和沟通提供了基础,促使各方高效地完成任务,最终提供合格的产品,实现顾客价值最大化。

流程管理是集成的主线,是产品形成和组织内外协同的基础,制约着物流的产生过程和信息流的传递方向。与组织维度的职能相结合,分为组织内的流程和跨组织的流程,每个流程都有信息来源方、检验的标准、本流程所包含的内容、信息去向等,使设计、深化设计和生产阶段形成有机整体,解决跨部门或跨组织各阶段信息丢失或脱节的问题。PC构件设计、深化设计和生产阶段的主要流程如图3所示。当前组织内部之间的流程管理障碍较小,设计至深化设计、深化设计至生产阶段的流程对接较为困难,突出表现为对移交的内容和标准理解不同,基于BIM的统一协同平台可以有效克服这一点,减少由于信息不对称引起的返工和反复沟通等问题。

武汉市某装配式项目为国家“十三五”重点示范项目,采用EPC总承包模式,总建筑面积93947.20m²,整体装配率超过60%。以2号楼为例,PC构件总数为1561件,构件种类繁多、尺寸多样,差异化较大。为提高设计与生产质量、提高沟通效率,本项目以POP集成模型为指导,应用基于BIM的Planbar和TIM平台,完成从设计到生产阶段的信息一体化实践。Planbar是一款面向装配式建筑的设计软件,可以满足设计和深化设计阶段的要求,其BIM模型所包含的数据和信息可以在各环节中传递,TIM平台是一个集成管理平台,以Planbar生成的数据信息为基础,通过3D可视化的形式,满足信息传递和共享、设计协同及生产管理,实现基于多专业、多环节、多参与方的信息共享。

应用Planbar软件进行参数化建模,完成各专业建模及协同组装,在碰撞检查的基础上优化设计方案,并进行体系化和模式化的拆分设计。

在统一定位基准和命名规则的前提下,根据项目设置PC构件类型、几何属性等信息,绘制构件、建立户型和标准层BIM模型,开展建筑、结构、机电和装修等专业设计,完成不同专业模型的组装,通过碰撞自动检测功能,可同步优化各专业设计方案,有利于专业协同。

将整体BIM模型作为一个体系,根据PC构件拆分原则进行标准化设计,减少构件尺寸规格,例如将原柱网由7000-12000mm多种不规则尺寸优化为三种标准化尺寸;将三种不同开间的楼梯尺寸统一设为2600mm。

对拆分后的模型进行专业内和专业间的碰撞检查,自动生成检查报告,显示碰撞源、位置和次数,在对构件之间、钢筋之间以及预埋件与钢筋之间检查时发现584处碰撞点,综合分析造成冲突的原因,对设计方案进行优化,全面提高设计水平。

以设计阶段BIM模型为基础,充分考虑专业间的协同,以及构件生产安装的特点,对拆分后的构件进行配筋设计、预留预埋设计和模具设计,并将BIM模型与各类信息关联,使各专业间信息顺畅流转。

对拆分后的构件进行配筋设计,例如通过参数化调整预制墙,实现自动配筋并生成构件加工配筋图。

对拆分后的构件进行预埋预留等深化工作。例如通过参数化调整预制墙,实现自动配筋、自动添加吊钉、斜撑等预埋件。结合安装工艺,确定与构件和预埋件相匹配的吊钩和吊具。

根据构件类型和尺寸,最大限度使用软件族库中与标准化构件或与钢筋笼相对应的模具,以少规格、多组合为原则,尽量做到同类型模具通过不同组合满足不同构件生产的需要。

BIM模型和构件信息全程联动,构件属性信息与各类报表信息始终一致,结合工作流程,可自动提取各维度的信息,主要包括构件类型的数量、钢筋类型的数量、预留预埋件类型的数量、原材料(混凝土、钢筋等)料量,为生产阶段信息管理提供信息来源。

以深化设计阶段的信息为基础,通过内置数据接口导入TIM平台,可以实现各类物料清单(Bill of Materials,BOM)的自动化生成,并能与车间的生产管理系统实现数据对接,将生产计划与车间实施管理结合。

生产方的工艺设计部门以深化设计方的设计物料清单(Engineering Bill of Materials,EBOM)为基础,制订计划物料清单(Planning Bill of Materials,PBOM),生产方的车间生产部门结合生产线和工艺流程生成制造物料清单(Manufacturing Bill of Materials,MBOM),用于物料管理和生产计划管理。

TIM平台以SQL数据库为支撑,能与工厂现有的MES系统对接,实现生产计划与执行阶段的联动,一方面,MBOM中既包括主体材料、钢筋材料、预埋件和模具等实体的基础信息,又含有生产顺序、每个工位所需时间以及相关的设备等信息,为MES系统提供计划管理信息;另一方面,本项目将TIM平台中深化设计成果BIM钢筋加工信息转化为车间钢筋加工工程控制中心可识别的数据文件,避免了大量数据的二次录入,提高了钢筋自动化加工的效率。

本项目在设计-深化设计-生产阶段应用基于BIM的planbar+TIM集成管理平台,提供统一准确的信息流,保证信息的准确性和实效性,从产品、组织和流程3个维度分析应用效果。

通过设计和深化设计阶段的碰撞检查、标准化设计和优化设计,使本项目设计效率提升30%。PC构件、预留预埋件及模具设计准确度高,信息贯通为精细化生产提供信息支撑,生产阶段成品检验合格率提升,为提高项目最终品质提供重要的基础产品。

首先,设计方和深化设计方就移交的BIM模型深度及相关信息内容有达成共识的明确规定,很大程度上避免了由于双方对移交标准理解不一致导致的反复沟通和返工,沟通效率大大提升。另外,生产阶段的BIM模型及基础信息来自于设计阶段,保持了信息的一致性,深化设计方与生产方及生产方各部门之间沟通流程,沟通效率整体提升。

在BIM平台应用之前,整体规划各阶段内部流程和跨组织流程的标准,对关键节点的时间、内容、信息流向、格式等做统一要求,减少或合并多余环节,结合组织和产品维度统一在TIM平台中高效地进行管理。流程管理的规范化促进了产品质量的提升和组织协同的高效。

PC构件作为装配式建筑的基本组成单元,其生产方式制约着建筑工业化的发展水平,本文以PC构件设计、深化设计和生产阶段的工作特点和信息化现状为切入点,分析信息集成的可行性,提出了基于BIM的多维度POP信息集成方法;通过信息集成平台在实际项目中的应用,可以在很大程度上有效解决各参与方各阶段信息割裂问题,从而提高协同效率,提高产品质量。对促进设计、生产一体化,数字化交付和EPC模式的发展有显著的推动作用。下一步将研究生产与施工阶段信息深度融合的实现方法,促进装配式建筑生产方式的转变。