建筑工业化是实现建筑业转型升级与可持续发展的必由之路,装配式建筑因其标准化、集约化、环境友好等优点成为推动建筑工业化的主要着力点。然而,建造流程碎片化却造成了组织沟通不力、资源转化率低、人力和时间成本浪费等问题,阻碍了装配式建筑的应用发展。

碎片化是指完整连续的整体破碎成诸多零块,而建造流程碎片化是指工作流不能以最优路径连续推进。返工、非增值迭代和二次搬运等不必要的重复工作,因调度不力导致的工作过程的中断,都是建造流程碎片化的具体表现。近年来,精益建造连续工作流思想被认为是解决建造流程碎片化的重要抓手,精益建造包含了一系列以实现连续工作流为核心的精益工具,之前的研究论述了并行工程、准时制、5S现场管理等精益工具在装配式建筑建造过程中的应用,实验仿真也证明和量化了精益工具的应用价值,但现有研究尚未将精益建造用于建造流程管理的问题具象化;此外BIM在装配式建筑建造过程中的应用已经较为成熟,也体现出在优化建造流程管理方面的优势和价值。

鉴于此,为从根本上解决装配式建筑建造流程碎片化问题,本文首先进行致因分析,分别探讨精益建造和BIM对碎片化的改进作用和侧重点,在分析精益建造和BIM的交互支撑作用的基础上,证明两者的集成适宜性,由此建立基于LC-BIM的装配式建筑建造流程管理框架,期待推动实现连续工作流,提高装配式建筑项目的综合绩效。

相较于传统现浇建筑,装配式建筑的参与方更为庞杂、交互联系的工作流更为密集、协同工作更为困难,使其面临着更为严重的流程碎片化问题。为从本质上解决该问题,首先进行致因分析。

设计人员忽略供应商单位和施工单位在材料、工艺、生产、仓储、运输层面的需求和难点,加之设计精度不够、多专业交叉冲突等问题,会使预制构件无法满足施工要求,由此造成施工现场的窝工、设计单位和供应商单位的返工。

物料过量的生产、供应和提前进场会造成库存浪费、二次搬运等问题;物料不足、进场时间拖延则会导致停工待料等工作流中断的问题。按时按量地进行物料的生产和供应对于推动实现连续工作流尤为重要。

在预制构件生产工厂和吊装现场,物料堆场与工作区位置规划不当、“人、材、机”活动路线冗余混乱、下游物料挤占上游物料最佳堆放位置等因素,给工作人员增加了不必要的重复工作,影响了实现连续工作流的最优路径。

解决流程碎片化问题对于减少建造时间、节省劳动力资源、促进建设项目相关方的协同工作具有重要意义,图1体现了LC和BIM对于装配式建筑建造流程碎片化的针对性改进作用。

精益建造(Lean Construction,LC),是以实现连续工作流为核心的系统性方法,其包含的一系列精益工具能够有效推动解决装配式建筑的建造流程碎片化问题。

并行工程充分体现了精益建造改善工作流的深刻内涵,它将建造过程的部分工序环节进行合理的时间维度的“搭接”,需要工序相关方的协同工作。因此并行工程在实施过程中能够引导建设项目参与方沟通各自的工作需求和难点,之后通过多专业设计并行、设计与生产并行,提前解决设计中的交叉冲突,提高设计方案的实操性,以此减少返工、窝工和不必要的浪费。

末位计划者系统认为处于末位的计划者能够最为准确地分配劳动力和物料资源,强调由下至上制定计划。准时制强调在需要的时候、按需要的量、生产和供应所需的物料资源。一项仿真实验显示,利用准时制等精益工具优化物料的生产供应计划,减少了19%约5周的施工时间,体现了准时制在促进实现连续工作流的过程中对于减少时间浪费的作用。

5S现场管理是对人、材、机等生产要素的管理方法,包括整理、整顿、清扫、清洁和素养。价值流图通过跟踪工作过程的物流和信息流,识别不创造价值的活动,从而精简工作流。一项基于KBC预制构件工厂的实验显示,通过使用价值流图识别浪费、利用5S现场管理减少浪费,工作流得到了极大改善,工人加班时间从总工时的20%减少到5%,整体工作效率提高了10%,处理订单的数量增长了近50%。

目前BIM在装配式建筑建造过程中的应用已经较为成熟,并且在辅助施工管理的模式及流程方面也具备优势和价值,体现了BIM对于流程碎片化的改进作用。

在CAD二维设计中,建筑平面图、立面图、剖面图需要单独设计,工作流程是割裂开的,而在BIM中通过建立一个Revit模型就能够直接导出各类视图的图纸,降低了设计工作的碎片化程度;深化设计内容包括构件拆分、配筋设计、预留预埋设计、构件吊装模拟等,能够提前分析和降低各参与方、各专业的工作难点;碰撞检测能够提前发现和解决设计冲突,提高设计精度,提升设计方案的实操性。

建立标准化BIM族库,供应商单位便能从族库中调用构件的所有属性信息,提前进行精确试制和自动化加工;在构件中嵌入RFID标签,把握构件生产、运输、仓储、吊装的时间进程和位置状态;在BIM5D软件中,通过将施工现场信息与施工组织计划关联和比较,能够模拟和优化预制构件和其他物料的最佳生产调度。

BIM场布软件能够进行三维场地的模拟布置,内容包括划分工作区、布置机械设备、布置水电管网、规划“人、材、机”活动路线、模拟施工机械和物料进场等,能够针对性解决物料堆场与工作区位置规划不当、活动路线冗余混乱、下游物料挤占上游物料最佳堆放位置等问题。

由第三节的分析可知在改进流程碎片化问题中,LC侧重理论方法,BIM侧重技术功能。而在实际项目中,技术功能的加持能够使精益工具更充分地发挥价值,理论方法的指导能够使BIM功能更系统性地发挥作用。因此分析LC和BIM的交互支撑作用,探究LC和BIM集成的适宜性,分析结果如图2所示。

并行工程的有效实施需要参与方的充分交流,以及信息数据提供决策支持;准时制的应用需要各参与方共享各自的工作进度,以更精准地确定“需要的时候”和“需要的量”;实施末位计划者系统也面临诸多约束,一项调查结果显示“共享的信息数据”、“主要参与方的参与”和“提前计划”是支持其实施最重要的条件;5S现场管理需要顺应信息化与工业化高度融合的趋势,更新充实其内涵;充分发挥价值流图的价值需要收集大量的时间数据,还需要能够描述物流和信息流的形象化工具展示其工作成果。

BIM作为建筑业信息模型,高度集成了建设项目的各类信息,可供精益工具采用;一项社会网络分析表明,BIM的使用让绝大部分参与方产生了工作联系,并拉近了各参与方工作联系的路径长度,可见BIM能够有效促进参与方的协同工作;此外BIM的模拟仿真分析、模型可视化也对应支撑了精益工具的有效应用条件。

LC能够提高BIM的使用率:一项研究选定了两个极为相似的地铁车站建设项目,其中一个项目应用BIM和LC,另一个项目只应用BIM,结果显示LC的应用使BIM的使用率大大提高,从而提升了该项目9%的工作完成百分比,同时也更好地向建设项目参与方展示了应用BIM的好处。

LC能够提高BIM功能的系统性应用水平:在一个大型机场建设项目中,实施末位计划者系统等精益工具使BIM的碰撞检测、4D进度施工管理、5D成本资源管理、信息共享和即时通讯等功能的应用更协调、准确、富有条理,减少了项目人员的工作等待时间,并为该项目缩减了约25亿欧元用于解决施工冲突问题的预算。

一项研究结果显示,BIM功能与末位计划者系统和价值流图等精益工具的协同应用,减少了项目人员50%的工作时间,提升了125%的工作效率,可见LC和BIM协同效益得到了实际项目的量化验证。

上述分析充分说明了LC和BIM的交互支撑作用以及广泛而深刻的协同联系,因此将LC和BIM集成建立了如图3所示的基于LC-BIM的装配式建筑建造流程管理框架,通过针对性改进流程碎片化成因,从而推动实现连续工作流,具体应用如下。

基于BIM的并行工程:包括多专业深化设计并行、设计与生产并行。首先BIM的可视化模型使参与方易于了解专业性的设计工作,提前参与其中,沟通各自的工作难点和需求,之后利用Revit软件的活动工作集进行并行设计,包括构件拆分、预留预埋设计、碰撞检测等内容,以此降低供应商单位和施工单位的工作难度,解决生产施工中可能出现的矛盾冲突,进而减少返工、窝工等工作流中断的问题;供应商单位可以实时共享标准化构件族库、获取构件完备的属性信息,在设计工作开展的同时进行构件的精确试制,提高构件精度,提升设计方案的实操性。

基于BIM的末位计划者系统和准时制:将末位计划者系统和准时制结合应用,首先以BIM数据库为基础,结合射频识别技术(RFID),建立BIM可视化看板系统,“看板”是准时制中传递信息的载体,而“BIM看板”包括物料名称、数量、来源地、运送地、实时位置、构件生产运输进度等信息;末位计划者利用可视化的BIM看板信息可以更容易和准确地由下至上制定物料需用计划,之后在BIM5D平台上对该计划进行模拟和优化,从而实现生产和供应的准时化、连续化、按需化。

基于BIM的5S现场管理:①整理:在BIM场布软件中,建立施工现场的3D模型,通过模拟工作过程,精简机械设施,优化“人、材、机”活动路线;②整顿:按类别、RFID标签方向、使用时间科学合理地安排构件的堆放位置,做到在最简洁的工作流程下完成构件的调用;③清扫:根据BIM5D模拟的空间信息和进度信息,提前制定分流水段清扫计划;④清洁:体现在基于BIM的无纸化文件管理;⑤素养:利用BIM的施工模拟功能,提前培训相关人员,提升工作熟练度,从而提高工作流的连续性。

基于BIM的价值流图:BIM5D能够形象化地展示时间维度的物流和信息流,价值流图利用这些完备的时间数据,易于分析和精简建造过程中不增加价值的工作,以改进流程碎片化问题,达到缩短建造时间、减少人力资源浪费的目的。

总结以上内容,利用Origin软件建立了如图4所示的三维交互图,较为简明全面地揭示了在针对性解决流程碎片化问题时,可以应用到的精益工具和BIM功能。如施工单位深受由场地规划布置杂乱而导致的流程碎片化问题的困扰,通过查阅该图,可以清晰地选取价值流图这一精益工具,搭配BIM的3D模型可视化、4D施工进度管理功能和5D成本资源管理功能,由此识别和精简施工现场不创造价值的活动,以改进流程碎片化。

流程碎片化问题抑制了装配式建筑缩短建造周期等固有优势的充分发挥,并因此衍生出质量缺陷和成本偏高等问题,严重阻碍了装配式建筑的发展。为解决该问题,本文在论述LC和BIM集成适宜性的前提下,将对流程碎片化具有改进作用的LC和BIM集成,建立了基于LC-BIM的装配式建筑建造流程管理框架,并说明了如何应用LC-BIM以针对性解决造成流程碎片化的三个具体问题。流程碎片化的改进,对于吸引更多相关单位投身装配式建筑的研发实践、发挥先进预制技术的优势具有重要的意义,LC与BIM的集成应用会促进装配式建筑实现工业化与信息化的深度融合,进而推动装配式建筑的可持续发展。