• ISSN: 1674-7461
  • CN: 11-5823/TU
  • 主管:中国科学技术协会
  • 主办:中国图学学会
  • 承办:中国建筑科学研究院有限公司

BIM技术在装配式建筑中设计与建造应用研究

王会

王会. BIM技术在装配式建筑中设计与建造应用研究[J]. 土木建筑工程信息技术, 2021, 13(4): 101-108. DOI: 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2021.04.15
引用本文: 王会. BIM技术在装配式建筑中设计与建造应用研究[J]. 土木建筑工程信息技术, 2021, 13(4): 101-108. DOI: 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2021.04.15
Hui Wang. Research on the Application of BIM Technology in Design and Construction Stage of Prefabricated Building[J]. Journal of Information Technologyin Civil Engineering and Architecture, 2021, 13(4): 101-108. DOI: 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2021.04.15
Citation: Hui Wang. Research on the Application of BIM Technology in Design and Construction Stage of Prefabricated Building[J]. Journal of Information Technologyin Civil Engineering and Architecture, 2021, 13(4): 101-108. DOI: 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2021.04.15

BIM技术在装配式建筑中设计与建造应用研究

基金项目: 

2021年连云港市第六期“521高层次人才培养工程”资助项目 LYG521-6-3-65

2021年江苏省大学生创新创业训练计划项目 202111050010Y

2021年江苏高校“青蓝工程”资助项目 苏教师函[2021]11号

2018年江苏省住建厅科技计划项目 2018ZD156

详细信息
    作者简介:

    王会(1982-),男,硕士、副教授,主要研究方向:装配式建筑、BIM技术应用与研究

  • 中图分类号: TU17

Research on the Application of BIM Technology in Design and Construction Stage of Prefabricated Building

  • 摘要: 以某装配式住宅项目为背景,提出BIM技术应用于装配式建筑项目的实施方案和具体应用路径,探讨了BIM技术在装配式建筑设计阶段预制构件深化设计、管线碰撞优化、管线支吊架设计以及立面砌体排砖深化应用,研究了BIM技术在生产和施工阶段三维场地布置、BIM5D施工模拟和可视化项目管理的应用价值。通过设计与施工阶段BIM技术的综合应用,提升装配式项目的建造效率和质量,为装配式项目应用BIM技术提供借鉴与参考。
    Abstract: Based on a prefabricated residential project, this paper proposes the implementation plan and specific application path of BIM technology applied to prefabricated construction projects. Deepening design of precast components of BIM technology in the stage of prefabricated building design, optimization of pipeline collision, design of pipeline support and hanger and deepening application of vertical brickwork is discussed in this paper. It also studys the application value of BIM technology in the three-dimensional site layout, BIM5D construction simulation and visual project management in the production and construction stages. Through the comprehensive application of BIM technology in the design and construction stage, the construction efficiency and quality of prefabricated projects are improved, and the application of BIM technology in prefabricated projects can be used for reference.
  • 装配式建筑是指预制构件在工厂生产加工,在施工现场装配而成的建筑。装配式建筑与传统建筑相比,在施工效率、施工精度、施工质量以及绿色节能等方面具有较大优势。装配式建筑的发展促进了建筑产业转型升级,有利于节能环保、提高生产力。2016年2月国务院出台《关于大力发展装配式建筑的指导意见》的文件,提出力争到2026年,使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。在国家政策的指导下,全国各省市因地制宜发展装配式建筑产业,预制装配式建筑已成为建筑产业的方向标。

    然而装配式建筑在建设的过程中,涉及设计、生产、运输和装配等多个环节,具有显著的集成性和系统性特征,须采用一体化的建造方式。特别在设计和施工环节中,对信息有大量需求[1],如果某一环节出现信息不对称,信息传递不及时,都会导致施工环节出现问题,从而影响工期和工程质量。为了解决上述问题,提高装配式建筑建造中参建各方的协同工作效率,在装配式建筑设计和施工阶段引入BIM技术,发挥BIM信息共享和集成优势[2],促进装配式建筑产业更好地发展。本文以某装配式住宅项目为例,提出了BIM技术在装配式建筑应用的基本流程,采用多款BIM软件交互应用,探究了BIM技术在装配式建筑设计、生产和施工阶段的应用价值,为今后BIM技术在装配式建筑全寿命周期的应用提供参考[3]

    本项目为苏州市虎丘C地块保障房建设项目11#住宅,建筑面积8 219.56m2,地下一层,地上18层,总高59.7m,结构类型为装配整体式剪力墙结构,抗震设防烈度七度,抗震等级三级,建筑设计使用年限50年。本工程按民用建筑工程设计等级为居住建筑一级,建筑耐久年限50年,耐火等级地上二级、地下一级;屋面防水等级I级,项目的三维效果如图 1所示。

    图 1 建筑三维模型
    图  1  建筑三维模型

    现阶段装配式建筑的设计流程,不少设计院是在传统设计基础上增加了构件的拆分及深化设计,尽管设计方法比较成熟,但由于装配式项目加工和装配的精细化程度较高,协调难度较大,如按照传统设计方法和施工手段,造成大量的信息不对称,严重影响了建造的效率和质量。基于BIM技术的装配式设计,优化了传统的设计流程,其最大的特点利用BIM模型库,采用模块化的设计手段,将整个设计流程串联起来,从而提高设计效率。首先运用建筑信息化BIM技术对建筑物前期的方案进行日照采光、自然通风等性能化分析,选择最优的户型组合方式。根据建筑模型进行结构部分以及MEP部分的组装,再将全专业的BIM模型导入到Navisworks、PKPM-BIM等专业软件,计算分析整体模型的结构和造价的合理性。最后,在BIM模型库中选出相匹配的构件模型进一步深化调整,优化后的信息传递至加工厂进行批量生产。BIM技术的应用贯穿了装配式建筑的模块化设计、加工和装配的全过程,其数据高度集成,提高了装配式建筑施工效率,具体的实施流程如图 2所示。

    图 2 基于BIM的装配式建筑设计施工应用流程
    图  2  基于BIM的装配式建筑设计施工应用流程

    装配式建筑是集设计、生产、施工、装修和管理为一体的集成化建筑,相较于传统建筑集成化程度较高,全生命周期的各阶段都需要各专业人员共同配合才能完成项目建设。如按照传统的二维协同化设计,以二维图纸交付,将存在信息沟通不畅,造成较多的错漏碰缺等设计问题。为此,本项目在设计的过程中,采用了工作集协同设计方式,通过工作集将项目的建筑、结构和机电进行分解,将分解的子项目分配给多人协作完成,如双方设计内容有交叉,可以直接基于三维模型进行线上交流,向对方发送申请编辑权限请求进行修改,最后将完成的设计成果通过局域网同步上传到服务器的中心文件,实现专业间及专业内部之间设计信息的有效传递和交流,减少设计变更。因此,基于BIM技术可视化协同设计特点,能串联起装配式建筑设计、生产、施工、装修和管理的全过程,使得设计过程运转流畅,实现了BIM技术的真正价值[4],有利于装配式建筑精细化施工和管理,提高了建造效率。

    由于装配式建筑的特点,BIM模型整体拆分界面不明确,单一预制构件族设计完成后,在模型组装的过程中容易出现构件拼装碰撞,尤其是构件外露的钢筋在墙板、梁柱交界处,极易产生钢筋的位置冲突,此外灌浆套筒和连接钢筋也容易产生错位,同时预制构件设计过程中机电管道洞口未预留,使得水暖电部件和预制构件发生冲突[5],需要现场重新开槽开洞进行安装,影响施工进度。为避免出现上述问题,在本项目中将Revit创建的模型导入到PKPM-BIM协同设计平台,采用PKPM-PC拆分模块对模型进行三维拆分,拆分过程中同时考虑运输尺寸、吊装的重量以及装配的模数化,匹配工厂和构件库中现有的构件。当墙、板、柱和楼梯等预制构件完成拆分后,将预制构件进行三维预拼装,最后将拼装后的模型整合到Navisworks平台,进行碰撞检测、施工模拟,提前发现施工过程中可能出现的冲突问题,从而深化调整,最终将优化的预制构件通过软件PKPM-PC导出加工详图和材料统计表,将BIM模型深化数据信息提供给构件厂智能化加工,提高装配式建造效率,预制墙板构件深化模型及加工图如图 34所示。

    图 3 预制构件NQY30-2墙板深化模型
    图  3  预制构件NQY30-2墙板深化模型
    图 4 预制构件NQY30-2墙板加工图
    图  4  预制构件NQY30-2墙板加工图

    在机电设计阶段,采用品茗HiBIM机电深化功能对本项目的水暖电专业进行了深化设计,依据优化后的全专业模型进行机电预制和管线分段,分割范围结合实际采用了单根、整段管线,以及管线类型的方式进行分割,暖通、桥架以及管道分段连接采用了风管法兰、桥架连接片和管道卡箍连接方式,通过对分段的管线进行编号、管线统计和预制出图,得到了本预制机电工程安装工程量和下料加工图,为项目后续施工提供了准确的资源采购计划,避免工期延误。

    在机电安装准备阶段,本项目提前进行支吊架设计、选型和布置(如图 5),并进行承载力验算,对不合理的进行调整直到验算通过,最后导出支吊架计算书,作为验算的记录报告。在验算过程中主要设置支吊架规格、管线的规格类型、材质密度以及支吊架的布置间距,通过验算,可以得出支吊架的选型和布置是否符合规范的要求,如图 6表示支吊架跨度验算不满足要求,主要由于支吊架布置间距3m超过了最大间距2.6m要求,其它杆件、焊缝、膨胀螺栓以及根部底板满足验算要求。优化调整验算通过后,对支吊架进行编号、按楼层统计支吊架规格数量、长度和重量,提高了支吊架施工效率。

    图 5 暖通分段和支吊架设计三维效果
    图  5  暖通分段和支吊架设计三维效果
    图 6 支吊架验算
    图  6  支吊架验算

    由于装配式建筑精细化施工的要求较高,为了使砌体砌筑精准定位达到设计的效果,必须提前做好策划。本项目采用基于Revit平台的HiBIM软件土建深化功能,对外墙砖块进行精准定位(见图 7),根据项目的要求,实现一键智能砌体排砖,直接指导施工[6]。通过应用BIM技术的可视化砌体排砖功能,设置砌体墙、塞缝砖、导墙的材料类型,调整相应的尺寸,结合现场实现砌体墙的单面和多面墙排砖、同时根据砖匹数修改构造柱槎高,导出砖的excel形式的材料统计表(表 1)和砌体排砖CAD大样图(见图 8),根据计算出的砌体砖,塞缝砖以及导墙砖的使用量,制定了准确的材料采购量计划,在项目中指导工人精准施工,节约材料的消耗量,使砌体施工美观。排砖的过程中还考虑了砌体墙内设置有构造柱、圈梁以及翻边的情况,优化砖的最终排布方案,方便工人施工,最大化节约材料。

    图 7 BIM技术排砖立面深化效果
    图  7  BIM技术排砖立面深化效果
    表  1  局部墙体排砖报表(JZQ 200MM)
    编号 材料 类型 规格 单位 工程量
    1 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 390x190x190 45
    2 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 380x190x190 5
    3 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 195x190x190 4
    4 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 175x190x190 4
    5 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 195x190x167 1
    6 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 390x190x167 5
    7 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 175x190x167 1
    8 实心蒸压灰砂砖 导墙 240x115x53 27
    9 实心蒸压灰砂砖 导墙 130x115x53 2
    10 实心蒸压灰砂砖 导墙 120x115x53 1
    11 实心蒸压灰砂砖 塞缝砖 240x115x53 32
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    图 8 排砖CAD大样图
    图  8  排砖CAD大样图

    在装配式预制构件生产加工阶段,采用PKPM-BIM协同设计系统平台将设计数据,通过自动接收、构件库选择和Excel导入等多种方式传递到PC构件加工厂,实现预制构件设计阶段的图纸信息、关键工序的钢筋以及预埋件信息和生产加工阶段无缝对接。对构件的生产过程,生产进度、以及生产的状态和工序,通过PDA和二维码的形式采集记录每道关键工序信息(如图 9所示),使构件的加工参数信息和BIM平台设计数据信息实时同步,避免预制构件的生产错误、提高了构件生产效率[7]

    图 9 预制构件加工信息采集与管理
    图  9  预制构件加工信息采集与管理

    本项目采用基于RFID技术的生产管理信息系统,以预制构件BIM模型为核心(如图 1011),与生产管理信息系统进行链接形成生产数据库,以计算机辅助制造(CAM)为手段,以物联网(IOT)为媒介,通过BIM技术为设计院和构件厂提供数据传递和交互的平台[8]。在预制构件生成加工过程中,通过生产管理信息系统,实现生产设备对BIM信息的自动识别和自动化加工(如图 12),通过RFID和生产管理信息系统的综合应用,合理安排排产计划,整个生产流程采用电子交付方式,提高本项目预制构件生产效率。构件出厂前,按照BIM拼装模型中设定的构件编号,在装配式建筑构件贴上RFID标签(如图 13),经阅读器扫描出厂,出厂记录直接反馈于管理系统,通过RFID进行构件生产信息跟踪追溯,实现产品的智能化管理[9]

    图 10 钢筋混凝土叠合板YB-8a模型
    图  10  钢筋混凝土叠合板YB-8a模型
    图 11 钢筋混凝土叠合板YB-8a细部尺寸
    图  11  钢筋混凝土叠合板YB-8a细部尺寸
    图 12 信息化自动加工流程图
    图  12  信息化自动加工流程图
    图 13 二维码智能化管理
    图  13  二维码智能化管理

    通过BIM施工策划软件,导入坐标点高程数据生成了接近实际施工现场的地形地貌,采用分阶段建模的方法,依据总平面图完成三维场地布置。通过布置安全文明施工的参数化模型,创建标准化的工地,同时可外接AR设备,实现场地三维全景漫游,增强可视化效果,可视化交底,使施工人员快速了解现场环境以及安全隐患。在项目前期施工准备阶段,根据平面布置的原则和规范,采用BIM技术对现场材料的堆放和布置进行模拟,减少二次搬运[10]。通过对塔吊吊运覆盖整个施工面进行模拟,减少多塔吊起重臂交叉,同时对预制构件的吊装施工模拟,提前优化场地布置和现场的行车路线,将施工安全问题提前暴露出来,及时解决,避免在实际作业过程中,出现安全隐患,产生较大的变更,严重影响项目的工期和质量。

    由于本项目地处核心区,周边环境复杂,通过利用策划软件进行场地布置和施工模拟(如图 14),复核材料运输通道、PC构件的吊装方案,优化场地布置,最终施工现场的场地利用率提高约10%,各装配构件的堆场冲突率下降约20%,累计节约工期约20日[11]

    图 14 项目三维场地布置
    图  14  项目三维场地布置

    品茗BIM5D是以BIM三维模型和数据为载体,通过关联施工过程中的进度、成本、质量以及安全等信息,为项目提供精细化管理的数据支撑。本项目通过HiBIM软件将.rvt格式的BIM模型通过导入导出功能模块,导出为BIM5D所支持的pbim格式文件,通过采用BIM5D施工模拟建造过程分析,对本项目实际进度和成本与计划进度和成本进行对比,导出了偏差分析报告,找出了影响施工进度和成本偏差主要原因,并在后续装配施工过程中,对构件的现场吊装、结点的连接和灌浆等关键节点的施工方案进行了优化,最终缩短工期20天、节约成本150万。BIM5D模拟建造过程演示如图 15所示,本工程还采用BIM5D技术对项目的施工质量和安全进行了管控,通过实时采集现场的质量和安全问题,云同步上传照片和文档,对项目进行变更动态管理,将变更信息与BIM模型进行关联,掌握施工过程结算和竣工结算时变更资金的去处。在项目实施的过程中,通过材料统计功能,导出项目的清单、定额以及钢筋工程量,提前做好了资源的采购、备料计划,保证项目顺利实施。

    图 15 BIM5D模拟建造过程演示
    图  15  BIM5D模拟建造过程演示

    品茗CCBIM是一款轻量化的移动用模工具,能够将BIM模型、CAD图纸等文件同步至移动端随时随地进行查看,并且将移动端采集的数据在后台集中管理,有利于数据的可追溯性,支持基于文件发起任务和评论,使项目参与方协作更快捷、更高效。

    本装配式项目实施过程中,将BIM5D、Revit模型以及CAD文件导入到PM-CCBIM管理平台,参建各方基于平台进行在线浏览、问题沟通交流,业务流程管控,通过CCBIM发起任务实现多维度全过程信息协同,提高施工和管理效率。在CCBIM平台应用中,施工员在移动端轻量化查看模型并进行技术交流,现场的巡视人员通过WEB端、PC端上传并管理模型及文件,利用移动端查看并采集现场质量、安全和进度等有关的问题,同时将出现的问题数据信息同步上传至CCBIM管理平台,负责人通过平台及时了解问题,在规定时间内快速进行整改优化,实现高效的质量安全问题处理[12],提高了装配式建筑的施工效率,CCBIM可视化项目管理流程如图 16所示。

    图 16 BIM可视化项目管理流程
    图  16  BIM可视化项目管理流程

    BIM技术在装配式建筑设计、预制构件加工以及施工阶段的深化应用,能较好地实现装配式建筑预制构件的标准化设计和生产,能够准确直观地表达设计意图,提升拆分及深化设计质量。通过BIM技术的三维策划与施工模拟,有助于优化施工现场和施工方案,采用BIM5D和CCBIM技术对装配式施工进行全过程管控和信息化管理,提升装配式项目的建造效率和质量,实现装配式建筑产业高效发展。

  • 图  1   建筑三维模型

    图  2   基于BIM的装配式建筑设计施工应用流程

    图  3   预制构件NQY30-2墙板深化模型

    图  4   预制构件NQY30-2墙板加工图

    图  5   暖通分段和支吊架设计三维效果

    图  6   支吊架验算

    图  7   BIM技术排砖立面深化效果

    图  8   排砖CAD大样图

    图  9   预制构件加工信息采集与管理

    图  10   钢筋混凝土叠合板YB-8a模型

    图  11   钢筋混凝土叠合板YB-8a细部尺寸

    图  12   信息化自动加工流程图

    图  13   二维码智能化管理

    图  14   项目三维场地布置

    图  15   BIM5D模拟建造过程演示

    图  16   BIM可视化项目管理流程

    表  1   局部墙体排砖报表(JZQ 200MM)

    编号 材料 类型 规格 单位 工程量
    1 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 390x190x190 45
    2 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 380x190x190 5
    3 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 195x190x190 4
    4 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 175x190x190 4
    5 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 195x190x167 1
    6 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 390x190x167 5
    7 普通混凝土小型空心砌块 砌体墙 175x190x167 1
    8 实心蒸压灰砂砖 导墙 240x115x53 27
    9 实心蒸压灰砂砖 导墙 130x115x53 2
    10 实心蒸压灰砂砖 导墙 120x115x53 1
    11 实心蒸压灰砂砖 塞缝砖 240x115x53 32
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  • 发布日期:  2021-07-31
  • 刊出日期:  2021-07-31

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