BIM技术在装配式建筑中的应用效果

(1)基本概念

由预制部品部件在工地装配而成的建筑,称为装配式建筑(Assembled Building),它是由结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统的主要部分采用预制部品部件集成的建筑。装配式建筑的主要特征是,设计标准化、生产工厂化、施工装配化、装修一体化、管理信息化。装配式建筑与传统生产方式的区别如表10-1所示。

表10-1　传统生产方式与工业化生产方式的比较

(续表)

(2)我国装配式建筑的发展现状

建筑工业化是随西方工业革命出现的概念,随着欧洲兴起的新建筑运动,实行工厂预制、现场机械装配,逐步形成了建筑工业化最初的理论雏形。二战后,西方国家亟须解决大量的住房而劳动力严重缺乏的情况下,为推行建筑工业化提供了实践的基础,因其工作效率高而在欧美风靡一时。由于生产力水平、经济状况等条件不同,西方各国建筑工业化的发展也各具特色。时至今日,这些国家的建筑工业化发展较为成熟,重点转向节能、降低住宅的物耗和对环境的负荷、资源的循环利用,倡导绿色、生态、可持续发展。

我国建筑业正处于转型升级和创新发展的重要历史阶段。以现场手工湿作业为主,依靠廉价劳动力的发展旧模式已经难以为继,随着新科技成果不断融入,新业态和新动能正在构建之中。2016年9月,国务院办公厅《关于大力发展装配式建筑的指导意见》提出了“力争用10年左右的时间,使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%”的目标。2017年3月住房与城乡建设部颁布的《“十三五”装配式建筑行动方案》进一步明确了阶段性工作目标和工作的重点任务。国家政策导向使装配式建筑迎来发展的机遇期,装配式建筑重新崛起,成为建筑业改革的主要发展方向。装配式建筑产业化基地涵盖设计、生产、施工及设备制造、装修等产业链各环节,已初步形成装配式建筑产业及配套产业的空间布局。

信息技术与装配式建筑的深度融合是新型建筑产业化的基础条件。预制装配式建筑是目前建筑工业化发展的主要形式,在建筑工业化中的设计、生产、物流、施工、运营环节全流程的有效管理,都需要建立在全过程信息化的平台上。全流程信息化管理的精髓是信息集成,其核心要素是数据平台的建设和数据的深度挖掘,通过信息管理系统把设计、采购、生产、物流、施工、财务、运营、管理等各个环节集成起来,共享信息和资源,同时利用现代的技术手段来寻找潜在客户,有效地支撑企业的决策系统,达到降低库存、快速应变、提高生产效能和质量的目的,增强企业的市场竞争力。因此,如何利用以BIM为代表的信息技术,集成设计、加工、施工与运营的过程管理,使各阶段、各参与方之间信息畅通,成为解决建筑过程中管理问题的关键。

(3)BIM技术与装配式建筑的集成原理(www.xing528.com)

BIM技术与装配式建筑在多方面存在一致性。首先,BIM成为促进新型建筑工业化发展的催化剂。装配式建筑具有房型简单、模块化等特点,采用BIM技术可比较容易地实现模块化设计和构件的零件库,这使得BIM建模工作的难度降低。装配式建筑的生产方式要求实现全产业链的、全生命周期的管理,与BIM技术所擅长的全生命周期管理理念相吻合。另外,在装配式建筑建造过程中也有对BIM技术的实际需求,如住宅设计过程中的空间优化,减少错漏碰缺、深化设计需求、施工过程的优化和仿真、项目建设中的成本控制等。

其次,BIM是降低装配式建筑成本的有效手段。装配式建筑强调从整个建筑产品供应链的角度综合考虑、决策和进行效绩评价,要求参与各方协同工作,满足多样化的客户需求,快速安排生产,加速物流的实施过程,从而提高供应链各环节的边际效益。而现阶段装配式建筑参与各方“信息孤岛”现象没有得到根本性转变,缺乏先进有效的协同平台和机制,依赖于二维图纸的传统沟通模式,而图纸还经常出现错误和专业碰撞,供应链条上各个环节经常出现延误和损失。BIM技术的应用,能够贯穿整个装配式建筑的生命周期,实现业主、设计院、施工方、监理方、材料供应商和物业管理信息共享,提升部品加工工艺水平,指导现场施工,能够提升装配式建筑的整体效率,从而降低装配式建筑整体的能耗排放、环境影响和投资成本。

最后,BIM是打通建筑预制加工的重要工具。预制加工,是一种制造模式,是工业化的具体技术手段,建筑预制加工通常包括模板、钢筋下料、管道预制加工、PC等。一方面,预制加工技术的推广,有助于提高建造业标准化与工业化及精细化管理的水平,为BIM软件的开发与BIM技术的应用奠定业务层面的基础。另一方面,BIM模型可与数控机床等加工设备提供各类构建的准确尺寸、规格、数量等方面的信息,实现自动化加工,可以更好地支持设计和加工之间的对接。尤其是幕墙与钢结构方面,由于涉及金属异形构件较多,需要从BIM模型获取精确的构件尺寸信息,利用BIM模型数据和数控机床的自动集成,能完成通过传统的“二维图纸—深化图纸—加工制造”流程很难完成的下料工作。

(4)BIM技术与装配式建筑的集成应用

BIM技术不仅是建筑模型的三维表达,更为重要的是提供了一种集合设计、建造和各个参与方的信息化协同参与平台,实现了各参与方在全寿命周期内对工程项目的协同管理。BIM技术在装配式建筑建造过程中对工程项目整个供应链的协同管理特征主要体现在其三维可视化性、模拟性、协同性和优化性等方面。其具体应用特征分析如表10-2所示。

表10-2　BIM技术的在装配式建筑中的功能与特征分析表

①设计阶段。第一,提高设计的效率和质量。参数化的设计方式和实时数据协同的模式帮助各专业人员在对预制构件进行各类预埋和预留处理、设计方案调整时密切配合、高效沟通。BIM应用平台的搭建,可将记录各专业设计信息的BIM模型上传至云端,实现碰撞与自动纠错、模型与设计图纸之间的自动更新等功能。第二,兼顾标准化和个性化设计。通过设定一定的模数规则,制作各类预制构件的族,这些族累积成预制构件库。利用各类标准化构件库,不断丰富和积累设计户型,以满足居住者多样化的需求^[11]。

②生产阶段。新型建筑工业化在技术发展和生产方式方面的目标是采用数字化信息技术控制下的智能建造系统,使大规模成批建造方式向大产量定制建造方式转变,并实行菜单式订购。BIM技术在构配件生产中的应用点主要是研发基于BIM的部品部件计算机辅助制造(CAM)和生产管理系统。通过将构件的BIM三维结构数据转换为生产设备需要的MES(ManufacturingExecutionSystem,制造执行系统)的数据,然后经过任务计划资源的执行,将MES系统数据传输给设备端,并通过CAM系统输出设备的一系列自动化动作;搭建构件信息管理平台,实时追踪物流信息,接入企业ERP系统等。

③施工阶段。一方面,改善预制构件库存和现场管理。利用BIM技术结合RFID技术,通过在预制构件生产的过程中嵌入含有安装部位及用途信息等构件信息的RFID芯片,存储验收人员及物流配送人员可以直接读取预制构件的相关信息,实现电子信息的自动对照,减少在传统的人工验收和物流模式下出现的验收数量偏差、构件堆放位置偏差、出库记录不准确等问题的发生,可以明显地节约时间和成本。另一方面,提高施工现场管理效率。施工单位拟可利用“5D-BIM”进行施工模拟。在施工开始之前,施工单位可以利用BIM技术进行装配式建筑的施工模拟和仿真,模拟现场预制构件吊装及施工过程,对施工流程进行优化;也可以模拟施工现场安全突发事件,完善施工现场安全管理预案,从而避免和减少质量安全事故的发生。利用BIM技术还可以对施工现场的场地布置和车辆开行路线进行优化,减少预制构件、材料场地内二次搬运,提高垂直运输机械的吊装效率,加快装配式建筑的施工进度。

④运维阶段。借助BIM和RFID技术搭建的信息管理平台,建立装配式建筑预制构件及设备的运营维护系统,可提高运维阶段的设备维护管理水平,并加强运维阶段的质量和能耗管理^[12]。例如,发生突发性火灾时,消防人员利用BIM信息管理系统中的建筑和设备信息可以直接对火灾发生位置进行准确定位,并掌握火灾发生部位所使用的材料,有针对性地实施灭火工作。此外,运维管理人员在进行装配式建筑和附属设备的维修时,可以直接从BIM模型中调取预制构件、附属设备的型号、参数和生产厂家等信息,提高维修工作效率。BIM技术还可以实现预制装配式建筑的绿色运维管理,可以对建筑物使用过程中的能耗进行监测和分析。此外,预制建筑在拆除时可以利用BIM模型筛选出可回收利用的资源进行二次开发回收利用,节约资源,避免浪费。