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專家視角 | 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑智慧建造

發(fā)布時間 : 2019-05-23  瀏覽次數(shù) : 1467 次

摘要

為促進(jìn)裝配式建筑向智慧化建造方向發(fā)展,根據(jù)智慧建造的內(nèi)涵,本文通過分析得出,裝配式建筑可基于BIM平臺和數(shù)據(jù)執(zhí)行綠色設(shè)計;建造過程可引入碰撞檢測,深化設(shè)計,施工進(jìn)度模擬,監(jiān)理控制系統(tǒng)及BIM+技術(shù),并且通過BIM協(xié)同平臺進(jìn)行項目各階段的銜接以及各參建方的信息交互,實現(xiàn)項目的智能化管理;同時以廈門市的三個實際工程為例分析。研究表明,BIM技術(shù)是實現(xiàn)裝配式建筑智慧建造強有力的手段之一。

[關(guān)鍵詞]智慧建造;裝配式建筑;BIM技術(shù);綠色化;智能化

引言

2017年住房城鄉(xiāng)建設(shè)部和國務(wù)院辦公廳印發(fā)的相關(guān)政策,明確提出:要推廣應(yīng)用BIM技術(shù),全面推進(jìn)裝配式建筑的綠色化發(fā)展,提升建設(shè)項目全生命周期的科學(xué)管理水平,即智慧建造。楊寶明早前提出過“智慧建造”的概念,筆者認(rèn)為,裝配式建筑智慧建造的內(nèi)涵可概括成是集綠色化和智能化于一體的建造過程。國外部分發(fā)達(dá)國家已著手于探索綠色建筑,并形成基于各自國情的評價體系、認(rèn)證方式及政策手段;我國根據(jù)能源、資源特色和建筑特點,頒布了《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)GB/T503782014[1];劉丹丹等[2]提出BIM軟件間的相互配合以達(dá)到優(yōu)化項目設(shè)計施工方案的目標(biāo);王愛蘭等[3]通過BIM技術(shù)模擬CSI構(gòu)件以避免返工和降低能耗;劉平等[4]、Irizarry[5]Porwal[6]探索BIM技術(shù)的交互性及其于建設(shè)項目供應(yīng)鏈信息流中的應(yīng)用;王巧雯等[7]和胡延紅等[8]探討BIM協(xié)同平臺以實現(xiàn)項目各階段及各參與方高效協(xié)同管理上的價值;彭書凝等[9]結(jié)合中國建設(shè)工程BIM大賽,重點分析BIM在裝配式建筑建造的應(yīng)用亮點;齊寶庫等[10]根據(jù)浦江基地保障房項目,總結(jié)BIM應(yīng)用于裝配式建筑建造中的不足。

綜上所述,國內(nèi)外眾多學(xué)者主要就如何實現(xiàn)綠色建筑或如何通過BIM技術(shù)優(yōu)化裝配式建筑建造過程等問題進(jìn)行了分析與探索,但仍未見如何基于BIM技術(shù)實現(xiàn)裝配式建筑綠色化與智能化集成智慧建造的相關(guān)研究報道。目前,傳統(tǒng)建造模式下的裝配式建筑尚有許多弊端,諸如預(yù)制構(gòu)件精細(xì)化管理復(fù)雜;建造產(chǎn)業(yè)鏈體系化不完善;“四節(jié)一環(huán)?!钡陌l(fā)展也存在瓶頸等。因此,如何實現(xiàn)裝配式建筑智慧建造已成為建筑業(yè)的一個重點研究主題。本文將通過介紹裝配式建筑運用BIM技術(shù)執(zhí)行綠色建筑方案和智能化建造過程,同時列舉三個借助BIM技術(shù)建設(shè)的裝配式建筑案例,總結(jié)出一些對實現(xiàn)裝配式建筑智慧建造具有參考價值的結(jié)論。


1  基于BIM技術(shù)的裝配式建筑綠色設(shè)計


 綠色設(shè)計是裝配式建筑向綠色化方向發(fā)展的基礎(chǔ)。運用BIM技術(shù),實現(xiàn)裝配式建筑的綠色設(shè)計,關(guān)鍵在于BIM平臺搭建和BIM數(shù)據(jù)生成。

1.1

搭建BIM綠色化平臺

BIM貫穿于整個項目建設(shè)周期,裝配式建筑即包括設(shè)計、生產(chǎn)、建造、運營維護(hù)的全生命過程。裝配式建筑綠色化的過程需要一個技術(shù)平臺來完成方案設(shè)計,諸如建筑抗震分析、建筑性能分析、建筑能耗分析、可視度分析、疏散分析以及舒適度分析等。BIM可搭建平臺,將三維建筑模型導(dǎo)入綠色建筑設(shè)計分析軟件,模擬計算日照、自然采光與通風(fēng)、噪聲防治、室內(nèi)溫濕度等(如圖 1所示),促進(jìn)實現(xiàn)裝配式建筑的綠色化。

1.2

  基于BIM的數(shù)據(jù)快速生成

BIM其完整而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)及可視化特征也為綠色化裝配式建筑設(shè)計提供一體化的解決方式,設(shè)計人員可快速收集綠色分析所需的三維模型,包括幾何數(shù)據(jù)、造價、進(jìn)度等信息,從而更快、更準(zhǔn)確地進(jìn)行綠色建筑設(shè)計。引入BIM,即可快速根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚝偷乩砦恢玫刃畔?,在建設(shè)項目前期,綜合考慮綠色建筑設(shè)計的組成要素,如文獻(xiàn)[11],基于BIM技術(shù)的建筑采光分析:通過BIM軟件(Revit)搭建某裝配式建筑模型,選取其中一典型功能房間作為研究對象,將室內(nèi)工作平面定義成13×10的點矩陣,接著選擇一年8個具有代表性的工作日,包括622日立夏節(jié)氣,進(jìn)行晴天模式下室內(nèi)工作面點的照度計算,并對計算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出晴天天然采光分布規(guī)律。如此仿真操作,可最大限度地還原實體建筑的周邊環(huán)境情況,為綠色建筑方案設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持,同時為采光分析提供樣本參照。

1   裝配式建筑綠色設(shè)計模擬方法

 

2  基于BIM技術(shù)的裝配式建筑智慧建造

按照計算機技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò),可將裝配式建筑的建造過程劃分為人工時代、鍵盤時代和集成時代。BIM技術(shù)可使項目全生命周期各專業(yè)、各階段和各參建方的數(shù)據(jù)得到有效集成,使得傳統(tǒng)的項目建設(shè)模式向基于BIM的項目集成建設(shè)模式轉(zhuǎn)變,如圖2所示,以達(dá)到裝配式建筑智能化管理的目標(biāo),其關(guān)鍵技術(shù)如下:

a)傳統(tǒng)項目建設(shè)模式   (b) 基于BIM的集成模式

 傳統(tǒng)項目建設(shè)模式向基于BIM的集成模式發(fā)展

2.1

設(shè)計方案優(yōu)化

碰撞檢測:以BIM裝配式建筑各專業(yè)模型(包括建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、水暖電模型、施工場地模型)為核心,進(jìn)行同專業(yè)內(nèi)不同構(gòu)件的硬碰撞、不同專業(yè)間構(gòu)件的軟碰撞、不同吊裝機械作業(yè)的動態(tài)碰撞等碰撞檢查。將碰撞檢測報告結(jié)合BIM多專業(yè)模型,按照“檢測→優(yōu)化→再檢測”的思路,不斷完善設(shè)計和施工方案,保證裝配式施工的順利進(jìn)行。

深化設(shè)計:裝配式建筑深化設(shè)計緊密聯(lián)系設(shè)計、生產(chǎn)、安裝階段,需要BIM的可視化應(yīng)用以提高整體設(shè)計效率。包括構(gòu)件生產(chǎn)階段和施工階段的深化,首先依照建模規(guī)范采用BIM三維輔助設(shè)計,在BIM平臺上構(gòu)建鋼筋、機電管線、預(yù)留孔洞、預(yù)埋件等多專業(yè)于一體的BIM綜合深化模型,集成預(yù)制構(gòu)件的全部屬性信息后,完成碰撞檢測、工程量計算、3D打印等核心技術(shù)。其次,施工階段整合現(xiàn)澆預(yù)制模型,完成現(xiàn)澆節(jié)點深化后,利用BIM可視化技術(shù)提前模擬現(xiàn)場裝配,避免預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆連接節(jié)點位置碰撞問題的發(fā)生。

2.2

施工進(jìn)度優(yōu)化

利用BIMBIM5D、Navisworks等軟件)建立與進(jìn)度結(jié)合的4D施工模型模擬施工,不斷優(yōu)化施工組織設(shè)計;同時實時跟蹤計劃施工與實際施工的進(jìn)度偏差、資源計劃偏差,經(jīng)過對比分析策劃最優(yōu)施工方案,不斷優(yōu)化調(diào)整,在保證質(zhì)量情況下進(jìn)一步提升工廠、現(xiàn)場的施工進(jìn)度,通過BIM技術(shù)將裝配式建筑進(jìn)度優(yōu)勢發(fā)揮到淋漓盡致。

不僅僅對整個項目的進(jìn)度進(jìn)行模擬分析,對于一些復(fù)雜節(jié)點的支撐措施、吊裝埋件等模擬施工,可輔助施工人員現(xiàn)場安裝,提升施工作業(yè)水平[12]。

2.3

監(jiān)理控制系統(tǒng)

目前,對于裝配式建筑的監(jiān)理一方來說,存在著很大的一些問題,諸如資料冗雜造假、信息滯后、對大量裝配式構(gòu)件驗收不規(guī)范等。這些問題導(dǎo)致監(jiān)理單位無法正常發(fā)揮作用,易引發(fā)工程質(zhì)量安全事故。

BIM可改變這一現(xiàn)狀,基于BIM模型,經(jīng)二次開發(fā)后,可形成一套裝配式建筑監(jiān)理控制系統(tǒng)。它具備整合項目各參與方和項目各階段數(shù)據(jù)的信息平臺功能,數(shù)據(jù)庫具有完整性和準(zhǔn)確性。各參與方的核心人員都擁有訪問該數(shù)據(jù)庫的權(quán)限,可以基于此掌握工程的進(jìn)度和數(shù)據(jù)并完成動態(tài)管控,實現(xiàn)監(jiān)理工作的可視化和智能化互動,構(gòu)建完善的BIM監(jiān)理控制體系。

2.4

“BIM+”技術(shù)

BIM+3D打?。和ㄟ^提取復(fù)雜的預(yù)制構(gòu)件BIM模型,結(jié)合3D打印技術(shù)以360°全視角展示,提供施工人員脫離CAD圖紙或電子設(shè)備的技術(shù)指導(dǎo)等。

BIM+無人機:基于BIM技術(shù),配備無人機,主要應(yīng)用于場地布置、分析、規(guī)劃、土方的調(diào)度優(yōu)化和道路選線,不僅能夠加快施工進(jìn)度、降低造價,還能提高施工現(xiàn)場管理水平和施工質(zhì)量。

BIM+智能監(jiān)測:監(jiān)測人員在BIM二次開發(fā)軟件中賦予監(jiān)測點變形數(shù)據(jù)、分析結(jié)果、坐標(biāo)、構(gòu)件信息等,再結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)制作成二維碼或引入RFID技術(shù)?,F(xiàn)場人員通過掃描,迅速獲取監(jiān)測點的所有相關(guān)信息。

BIM+VR:基于BIM模型,結(jié)合VR技術(shù)構(gòu)建虛擬化展示,提供交互性設(shè)計和可視化形象。

BIM+RFID:利用RFID芯片關(guān)聯(lián)BIM數(shù)據(jù)模型與預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn),用于構(gòu)件的制作、運輸、入場、存儲、吊裝施工等方面,實現(xiàn)構(gòu)件生產(chǎn)集約化管理。

2.5

協(xié)同管理

裝配式建筑智能化建造的核心在于建造過程的“集成”,實現(xiàn)“集成”的重中之重是協(xié)同管理[13]。BIM應(yīng)用固然廣泛有效,倘若未注重協(xié)同管理,也將無法推動裝配式建筑各環(huán)節(jié)、各參建方的有機結(jié)合,無法促進(jìn)裝配式建筑的智慧建造。

如何整合出完整的裝配式建筑產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)峭苿又腔劢ㄔ爝^程中一道難題。目前,在建筑行業(yè)中已有一些較成熟的BIM協(xié)同管理軟件,諸如,廣聯(lián)達(dá)BIM5DITWO5D。在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)前,引入BIM技術(shù),綜合考慮設(shè)計、制作、安裝的需求,通過BIM模型提前虛擬施工實際制作安裝過程,包括設(shè)計協(xié)調(diào)、制作過程模擬、安裝施工模擬等,發(fā)現(xiàn)所有可能出現(xiàn)的問題,并依次提前解決。實際生產(chǎn)安裝時,結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)控機床等技術(shù)和設(shè)備,信息跟蹤和自動化生產(chǎn)制作安裝過程,提高構(gòu)件制作、裝配施工的精確度,其基本流程如圖 3所示。

同時,裝配式建筑的眾多參建方之間的信息交互復(fù)雜、資源整合低效等也是實現(xiàn)裝配式建筑智慧建造的另一難題。把基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM模型數(shù)據(jù)庫、可視化的編輯平臺以及眾多BIM專業(yè)化應(yīng)用軟件,集成于BIM協(xié)同管理軟件中,利用云技術(shù)根據(jù)設(shè)置好的分工規(guī)則,合理分配各參建方各自的管理權(quán)限,對訪問或修改BIM協(xié)同平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化管理,互查互檢,可保證信息流的通暢準(zhǔn)確、及時共享。

3   BIM在項目中的應(yīng)用流程

3  案例分析


3.1

裝配式幕墻——廈門天語舟雷達(dá)工程

不單是簡單規(guī)則的建筑幕墻表皮可進(jìn)行工廠化生產(chǎn)和裝配化施工,復(fù)雜的建筑幕墻表皮也可以實現(xiàn)。如廈門天語舟雷達(dá)工程,位于福建省廈門市,建筑高度將超過400m,占地約10m2,總投資2.7億元,是廈門市氣象現(xiàn)代化四大項目之一。其采用550種雙曲面板實現(xiàn)復(fù)雜的船狀外型,GRC面板定位點坐標(biāo)如圖 4所示。

本項目基于BIM技術(shù),建立與現(xiàn)場完全吻合的結(jié)構(gòu)模型,對幕墻單元進(jìn)行深化,確保復(fù)雜的建筑造型能完整體現(xiàn)。模擬幕墻安裝,提前解決幕墻與土建及鋼結(jié)構(gòu)之間的沖突,保障施工安裝能順利進(jìn)行。利用優(yōu)化的幕墻單元,生成幕墻構(gòu)件清單,并以計算機下料、工廠加工制作的方式,控制幕墻成本投入,實現(xiàn)幕墻從表皮劃分→工廠加工→現(xiàn)場安裝的全方位信息化管控。

4   GRC面板定位點坐標(biāo)總圖

3.2

預(yù)制拼接沉井式智慧地下停車庫

為解決老舊小區(qū)、商業(yè)街區(qū)、辦公服務(wù)區(qū)、城市公共交通配套服務(wù)區(qū)停車難問題,廈門中鐵科建研究出一種實用創(chuàng)新型專利技術(shù),基于BIM技術(shù)的“一種預(yù)制拼接沉井式智慧地下停車庫建造方法”,能夠合理利用城市邊角地塊,開發(fā)建設(shè)停車庫。

5   預(yù)制拼接沉井式智慧地下停車庫

車庫筒體內(nèi)布局(5):筒體地上1層為停車門亭,地下分成5層停車層,每層10個車位,單個車庫共50個車位。采用全預(yù)制方式,利用BIM技術(shù),實現(xiàn)設(shè)計、構(gòu)件拆分、制作、吊裝集成化,預(yù)制率36%。

停車架正中央是一套集平移、升降、360°旋轉(zhuǎn)功能為一體的停車設(shè)備,通過BIM+互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)將收費系統(tǒng)、存取系統(tǒng)、搬運系統(tǒng)、控制定位系統(tǒng)等于一體化智能管理系統(tǒng),并統(tǒng)一接入?yún)^(qū)域停車信息管理平臺,與動態(tài)交通信息聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù),做到停車信息聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控。該預(yù)制拼接沉井式智慧地下停車庫具有如下優(yōu)點:1)綠色環(huán)保、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)地;2)工期短,成效快、安全性高;3)占地面積少,適應(yīng)范圍廣;4)設(shè)備先進(jìn),智能化集成高,存取車便捷。

3.3

裝配式鋼結(jié)構(gòu)——廈門中心大廈

廈門中心大廈工程總建筑面積約61m2,由4座寫字樓和2座酒店共同組成,其中寫字樓和酒店為連體結(jié)構(gòu),建筑高度最高達(dá)163m。結(jié)合該工程介紹BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)中包括土建、鋼結(jié)構(gòu)和機電三大專業(yè),7大版塊的21項核心應(yīng)用,并獲得全國BIM技術(shù)應(yīng)用一等獎,如圖6所示。

6   廈門中心大廈BIM核心應(yīng)用技術(shù)

 

下面列舉BIM應(yīng)用過程中的設(shè)計難點及亮點:

1)“管線綜合排布”主要通過Revit對各專業(yè)進(jìn)行管線綜合排布,解決碰撞、凈空等問題達(dá)上百項,保證泵房、走道等位置排布合理美觀,見圖7a)。

2)“大傾角鋼柱吊裝模擬”是利用專業(yè)的BIM設(shè)計軟件為項目創(chuàng)建精確的數(shù)字化模型,在直觀的3D環(huán)境下分析、優(yōu)化,并為異型構(gòu)件創(chuàng)建施工定位圖,根據(jù)模型進(jìn)行工程量統(tǒng)計。由于鋼柱傾斜角最大約61°,分三層多步向外傾斜,可利用MIDAS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段模擬分析,確保了施工方案安全可行,見圖7b)。

3)“17臺塔吊交叉作業(yè)模擬”主要是采用BIM技術(shù)有效組織塔吊運力,避免群塔碰撞,起到了良好效果,見圖7c)。

4)“動態(tài)物資管理”主要運用BIM技術(shù)與施工進(jìn)度計劃相結(jié)合,導(dǎo)出計劃所需的動態(tài)物料清單,快速獲取某進(jìn)度區(qū)間物料工程量,實現(xiàn)限額領(lǐng)料,見圖8


 

(a)  基于BIM的管線綜合排布       (b)  大傾角鋼柱

(c)  群塔作業(yè)

 7   BIM技術(shù)應(yīng)用亮點 

8   基于BIM的動態(tài)物料清單

 

4 結(jié)論與展望


本文主要從兩方面探索裝配式建筑如何實現(xiàn)智慧建造:

(1)通過BIM技術(shù),實施綠色化設(shè)計,促進(jìn)節(jié)能減排,最大程度地實現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)?!?,推動裝配式建筑更加綠色低碳。

2)運用BIM技術(shù),整合裝配式建筑各階段和各參建方的資源,在BIM協(xié)同平臺上進(jìn)行綜合和優(yōu)化,同時基于BIM技術(shù),提升施工各階段的精細(xì)化管理水平,促進(jìn)裝配式建筑的建設(shè)過程更加智能化。

BIM技術(shù)與裝配式建筑的結(jié)合已不單是三維模型和漫游動畫的展示,它成功標(biāo)志了一種全新的建造方式。它的發(fā)展不僅是為了提高裝配式建筑質(zhì)量,更是為了實現(xiàn)滿足全球建筑業(yè)的潮流方向。當(dāng)然,就目前BIM的現(xiàn)狀,硬件、人才和技術(shù)尚不夠成熟。但隨著建筑業(yè)對BIM的認(rèn)識逐漸深刻,對軟件和技術(shù)堅持開拓創(chuàng)新,結(jié)合理論實踐腳踏實地發(fā)展,BIM將是裝配式建筑實現(xiàn)智慧建造最強有力的手段之一,裝配式建筑即將全面進(jìn)入智慧建造時代。

致謝:本文的撰寫得到銳建工程咨詢有限公司、中鐵科建(廈門)有限公司、中建三局集團(tuán)有限公司的大力支持,分別提供了天語舟雷達(dá)、智慧地下停車庫和廈門中心大廈的相關(guān)項目信息,在此一并致以衷心感謝!

參考文獻(xiàn)

[1]  綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn): GB/T50378—2014[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2014.


[2]  劉丹丹, 趙永生, 岳瑩瑩, 等. BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計與建造中的應(yīng)用[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2017(15): 36-39.

[3]  王愛蘭, 宋萍萍, 楊震卿, 等. BIM技術(shù)在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用[J]. 建筑技術(shù), 2015, 46(3):228-231.


(文章來源:建筑工業(yè)化裝配式建筑網(wǎng))