BIM技术在装配式建筑中的应用和实施方案

作者：樊则森，李张苗，鲁晓通
作者单位：中建科技集团有限公司

摘要为响应国家产业政策调整和建筑业转型升级的需求，研究BIM技术在装配式建筑设计、生产、施工、装修及管理全产业链整合和全专业协同的一体化实现方案。结合深圳监狱保障房项目的工程实践，以建筑设计为统领，全专业协同设计，形成一套基于BIM的全过程一体化设计技术，取得了很好的应用效果。

1 引言

我国作为一个人口大国，巨大的人口体量意味着庞大居住需求以及巨量市场空间，同时建筑业对其上下游产业有着强烈带动作用，各种因素奠定建筑业在我国国民经济中的重要地位。目前，根据客观经济规律、社会发展阶段以及环境承载力等因素，我国经济进入深度调整期，在国家战略层级，众多传统行业开始进行转型升级，钢铁、煤炭、化工、冶金等行业都进入深度调整期。建筑业作为占据重要地位的传统行业，进行提质增效的转型升级势在必行，而建筑工业化正是重要突破口。

我国在建国之初就开始尝试装配式建筑，发展几经周折。近些年有了比较长足的进步。建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）2008年左右引入我国，在诸多建筑工程领域均有比较典型的应用，2010年以后，众多理论研究人员和工程技术人员对BIM技术在建筑工业化中的应用进行了研究和新的尝试。

叶浩文等[1]简述了目前我国发展新型建筑工业化的战略机遇，分析了推进新型工业化建筑过程中面临的问题和困难，并且指出了加快推进新型建筑工业化应采取的对策。
叶明等[2]从政府政策制定者的角度提出，完善产业链，整合优化产业资源；建立一套成熟适用的技术体系这是新型建筑工业化的两大核心问题。
沈祖炎等[3]结合三次工业革命的历程，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”，并结合目前我国建筑工业化的发展现状对如何推进我国新型建筑工业化的发展提出了建议。
亓霞等[4]对部分具有代表性的发达国家发展建筑工业化的历程进行了分析总结，分别分析了法律法规、政府作用、市场力量和技术进步对于推动建筑工业化发展的作用，并且指出了国外成功发展建筑工业化对于我国的启示和借鉴。
樊则森等[5]介绍了BIM在装配式建筑设计、生产、施工、一体化装修和运营管理中的应用，指出了BIM技术对于推动建筑工业化发展有着重要作用。
伏玉等[6]简述了目前BIM技术在装配式建筑中的应用情况，分析了目前BIN在建筑工业化应用中存在的困难和问题，并且提出了自己的对策与建议。
夏海兵等[7]基于上海某大型预制装配式住宅项目，介绍了BIM技术在该项目中从设计、深化设计、生产到施工再到运维整个项目全生命周期中的应用情况。BIM技术的应用减少了设计环节的设计变更，加快了施工工期，提高了工程质量。

2 BIM技术

2.1 BIM的定义和概念

BIM是建筑行业中应用信息技术的具体体现。BIM技术通过三维建模，将建筑工程全寿命周期中产生的相关信息添加在该三维模型中，对设计、生产、施工、装修、管理过程进行控制和管理，并根据项目在各阶段的完成情况，不断对已有数据库进行更新，最终建立多维数据模型，通过信息化模型整合项目各种阶段相关信息，搭建一个可以为项目各方共享的资源信息平台。

2.2 BIM的工作方式

BIM变革之前平面作图的设计方式，采用三维建筑设计方式，可以直观展现建筑工程项目的全貌、各个构件连接、细部做法以及管线排布等，使设计师可以更加清晰的掌控项目设计节奏，提升设计质量和效率。除此之外，BIM技术集成了整个建筑工程项目中各有关参与方数据信息，构建一个数据平台。平台可以完整准确的提供整个建筑工程项目信息。

图2.1 BIM技术在装配式建筑中的应用

2.3 BIM技术在装配式建筑中的应用优势

BIM技术集成了整个建筑项目中各部门的数据信息，BIM模型本身就是一个数据集成模型。该模型可以完整准确的提供整个建筑工程项目信息。下文分别对BIM技术在装配式建筑中应用优势进行总结。
2.3.1 精密的工业化制造
装配式建筑是采用工厂化生产的构件、配件、部品，采用机械化、信息化装配式技术组装的建筑整体，其工厂化生产构配件精度能达到毫米级，现场组装精度要求也较高，从而满足各种产品组件的安装精度要求。总体来说，建筑工业化要求全面“精密建造”，要全面实现精细化设计、产品化加工和精密化装配。而BIM应用的优势，从“可视化”和“3D”模拟的层面，在于“所见即所得”，这和建筑工业化的“精密建造”特点高度契合。而在传统建筑生产方式下，由于其粗放型管理模式和“齐不齐、一把泥”的误差、工艺，无法实现精细化设计、精密化施工。
2.3.2 集成的建筑系统信息平台
新型装配式建筑是设计、生产、施工、装修和管理“五位一体”的系统化和集成化建筑，不是“传统生产方式+装配化”建筑。新型建筑工业化应具备五大特点：“标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理”，按传统设计、施工和管理模式进行装配化施工难以体现工业化的本质和优势。装配式建筑核心是“集成”，BIM则是“集成”的主线，串联设计、生产、施工、装修和管理全过程，服务于设计、建设、运维、拆除全生命周期，可数字化仿真模拟，信息化描述系统要素，实现信息化协同设计、可视化装配，工程量信息交互和节点连接模拟及检验等全新运用，整合建筑全产业链，实现全过程、全方位信息化集成。
2.3.3 全专业高效合作与协同
BIM技术可以提供一个信息共享平台，各专业设计工程师在平台共同建模，共同修改，共享信息，协同设计。任何一个专业出现设计误差或者设计修改，其他专业均可以及时获取信息，并进行处理。同时，不同专业设计师可以在同一平台上分工合作，按照一定的标准和原则进行设计，可以大大提高设计精度和效率。

3 BIM技术在监狱保障房项目中的应用

深圳市监狱保障性住房项目采用了装配整体式剪力墙体系。该项目外墙大部分采用预制墙体，小部分结合立面造型采用PCF模板现浇。内承重墙也采用部分预制、部分现浇。另外还采用叠合梁、叠合板、预制楼梯、预制阳台等预制构件，以2号楼为例预制率为49.3%，装配率为71.5%，项目整体预制率装配率较高。下面是该项目标准层平面图。

图3.1监狱保障房2号楼标准层平面图

图3.2监狱保障房2号楼预制墙板划分图
中建科技有限公司结合深圳监狱保障房项目，在标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理方面结合BIM技术进行了一些研究、摸索和应用。

3.1 BIM技术在监狱保障房项目设计阶段应用

设计方案的好坏是决定一个建筑项目优劣的关键。BIM技术的应用给工业化建筑设计方法带来变革式影响。下面结合BIM技术在监狱保障房项目设计阶段中应用要点介绍其较传统设计方法的优势。
3.1.1 标准化设计流程
在传统设计方式中，各专业设计人员“各自为政”，按自己的设计风格和习惯，同一个构件或者项目，不同设计人员会有不同设计方法。在监狱保障房项目BIM方案开始实施之前，首先制定一套标准化设计流程，采用统一规范设计方式，各专业设计人员均需遵从统一设计规则，大大加快设计团队的配合效率，减少设计错误，提高设计效率。
3.1.2 模数化构件组合
在装配式建筑设计中，预制构件的设计是关键。目前预制构件的拆分，是按一般模式由设计方独立完成设计方案和施工图，再由工业化设计人员进行预制方案设计和构件拆分。这种方式下，可能会导致构件种类难以最大程度归一化、标准化，工厂模具台套数势必增加，不符合装配式建筑少规格、多组合的原则。在该项目设计过程中，首先确定采用的工业化结构体系，并按照统一模数进行构件拆分，精简构件类型，提高装配水平，并在标准化设计基础上通过组合实现装配式建筑系列化和多样化。
3.1.3 模块化构件库
在目前工业化建筑或者装配式建筑中，预制构件一般是根据设计单位提供的预制构件加工图进行生产，这类加工图还是传统的平立剖加大样详图的二维图纸，信息化程度低。BIM技术相关软件中，通过“族”的概念，对构件进行划分，结合构件生产厂家生产工艺，建立模块化预制构件库，在不同建筑项目设计过程中，只需从构件库中提取各类构件，再进行组装，即可建立最终整体建筑模型。构件库的构件种类也可以在其他项目的设计过程中进行应用，并且不断扩充，不断完善。

图3.3 监狱保障房2号楼标准化构件库
3.1.4 可视化三维模型
传统设计方式是使用二维绘图软件，以平、立、剖面和大样详图为主要出图内容，这种绘图模式是一种单向连接方式，各个设计专业之间相对孤立，对于不断出现的设计变化，难以及时应对，导致设计过程中出现大量修改，甚至在出图完成后还会有大量设计变更，效率较低，信息化程度低。BIM技术将模块化、模数化的构件进行组合可以构建三维可视化模型，通过效果图、动画、实时漫游、虚拟现实系统等项目展示手段将建筑构件及参数信息等真实属性展现给设计人员和甲方业主，在设计过程中可以及时发现问题，也便于甲方及时决策，可以避免事后再次修改。


图3.4 从传统二维设计到3D可视化设计


图3.5 BIM技术中建筑及结构可视化设计
3.1.5 高效设计协同
采用BIM技术进行设计，设计师均在同一个建筑模型上工作，所有信息均可实时交互，可视化三维模型使设计成果直观呈现，同时还可以进行不同专业设计冲突检查。在传统设计方法中，不同专业人员需要人工查找本专业和其他专业冲突错误，费时费力且容易出现遗漏，BIM 技术直接可以完成不同专业间冲突检查，大大提高设计精度和效率。
3.1.6 便捷工程量统计和分析
BIM模型中存储着各类信息，设计师可以随时对门窗、部品、各类预制构件等的数量、体积、类别等参数进行统计，再根据材料的一般定价，即可估计整个项目经济指标。设计师可以实时查看设计方案的经济指标是否能够满足业主要求。同时，模型数据会随着深化设计自动更新，确保项目统计信息准确性。

3.2 BIM技术在监狱保障房项目生产阶段的应用

预制构件生产是建筑工业化项目中重要环节。下文将对BIM技术在生产阶段的应用分别进行介绍。
3.2.1 构件设计可视化
采用BIM技术进行构件设计，可以得到构件三维模型，将构件空间信息完整直观的表达给构件生产厂家。


图3.6 预制构件生产的可视化
3.2.2 构件生产信息化
构件生产厂家可以直接提取BIM信息平台中各个构件参数，确定构件尺寸、材质、做法、数量等信息，并根据这些信息确定合理的生产流程和做法，也可以对发来的构件信息进行复核，并根据实际生产情况，向设计单位进行信息反馈，使设计和生产环节实现信息双向流动，提高构件生产信息化程度。


图3.7 预制构件生产的信息化
3.2.3 构件生产标准化
生产厂家可以直接提取BIM信息平台中的构件信息，并将信息传导到生产线进行生产。同时，生产厂家还可以结合构件设计信息以及自身实际生产要求，建立标准化预制构件库，在生产过程中对类似预制构件只需调整模具尺寸即可进行生产。通过标准化、流水线式构件生产作业，可以提高生产效率，增加构件标准化程度，减少人工操作带来的操作失误，改善工人工作环境，节省人力和物力。


图3.8 预制构件生产的标准化

3.3 BIM技术在监狱保障房项目施工阶段应用

工业化建筑采用构件工厂预制生产，构件运输到现场，再吊装安装的施工模式。施工环节是项目进程中重要环节。以下将对BIM技术在本项目施工阶段应用进行介绍。
3.3.1 施工深化设计
施工深化设计主要目的是提升深化后建筑信息模型的准确性、可校核性。将施工操作规范与施工工艺融入施工作业模型，使施工图满足施工作业需求。施工单位依据设计单位提供的施工图与设计阶段建筑信息模型，结合施工特点及现场情况，完善或重新建立可表示工程实体即施工作业对象和结果的施工作业模型。该模型应当包含工程实体基本信息。BIM 技术工程师结合自身专业经验或与施工技术人员配合，对建筑信息模型的施工合理性、可行性进行甄别，并进行相应调整优化，对优化后模型实施冲突检测。


图3.9 采用BIM进行碰撞检测
3.3.2 施工过程仿真模拟
在制定施工组织方案时，施工单位技术人员将本项目计划的施工进度、人员安排等信息输入BIM 信息平台，软件可以根据这些录入信息进行施工模拟，同时，BIM技术也可以实现不同施工组织方案仿真模拟，施工单位可以依据模拟结果选取最优施工组织方案。


图3.10 应用BIM技术进行施工仿真模拟

图3.11 BIM模拟现场预制构件运输与堆放

图3.12 BIM模拟现场外墙安装

图3.13 BIM模拟外墙板灌浆

图3.14 BIM模拟铝模安装固定

图3.15 BIM模拟预制阳台吊装

图3.16 BIM模拟预制楼梯吊装
3.3.3 施工过程综合管控
施工单位可将施工过程中产生的相关信息实时输入到BIM信息平台，全面监控工程现场情况。在现场施工时，BIM技术可以作为施工进度监督表并指导现场施工，可以通过软件对现场实际施工进度与原计划进度进行对比分析，及时安排人员调配和各类物资运输堆放。


图3.17 运用BIM进行施工过程综合管控

3.4 BIM技术在监狱保障房项目装修阶段应用

3.4.1 构建标准化装修部品库
和建立标准化预制构件库一样，采用BIM技术也可以构建标准化装修部品库。在本项目中，根据业主要求，从装修部品库中选取相应部品组装到整体模型中。同时本项目新增各类装修部品，也可完善到装修部品构件库。
3.4.2 装修部品模块化拆分与组装
内装设计应配合建筑设计同时开展工作，根据建筑项目各个功能区划分，将装修部品分解成不同模块，常见模块主要是卫浴模块和厨房模块。可以根据户型大小，功能划分，直接将模块化装修部品组装到BIM模型中。
3.4.3 装修部品工业化生产
在建好标准装修部品库以及模块化装修方案后，可以给业主提供菜单式选择服务，业主根据自己喜好和需求选取相应装修部品。在确定好建筑项目部品类型后，装修部品生产厂家可以提取BIM信息平台中相关部品信息，实现工业化批量生产，生产完成后，运输到施工现场，进行整体吊装，这种方式，可以保证装修部品质量，在很大程度上避免传统施工方式中厨房和卫生间可能出现的渗漏水现象。

4 结语

BIM技术在装配式建筑中的应用将大大加快装配式项目在全国各地的推进速度，随着BIM技术在装配式建筑中的不断应用，BIM技术的优势将在实践过程中不断体现，会有越来越多的装配式建筑项目应用BIM技术。

参考文献[1]叶浩文.新型建筑工业化的思考与对策[J].工程管理学报，2016（02）：第30卷.
[2] 叶明，武洁青．关于推动新型建筑工业化发展的思考[J]．住宅产业，2013（Z1）：11-14．
[3]沈祖炎，李元齐.建筑工业化建造的本质和内涵[J]．建筑钢结构进展，2015（05）：第17卷.
[4] 亓霞，李洁，束晓东.基于国外成功经验的中国建筑工业化发展研究[J]．工程建设与设计，2015（03）：121-128.
[5] 樊则森，李新伟.装配式建筑设计的BIM方法[J]．建筑技艺，2014（06）：68-76.
[6] 伏玉，李伟，方志国.BIM技术在装配式房屋建设中的应用与对策[J]．城市住宅，2014（11）：102-105.
[7]夏海兵，辛佐先，熊诚，刘立慧.BIM 技术在 PC 住宅全生命周期中的应用[J]．施工技术，2013（S2）:157-160.