BIM技术在PC住宅产业化中的应用

1、序　言

随着建筑业信息技术的发展，建筑信息模型（BIM）的相关研究和应用也取得了突破性进展。BIM是一种革命性的技术，它能够在建筑全生命周期中利用协调一致的信息，对建筑物进行分析、模拟、可视化、统计、计算等工作，从而帮助用户提高效率、降低成本，并减少对环境的影响。住宅产业化在国内也是一个新兴的、并被国家大力推广的课题。住宅产业化采用工业化的生产方式促进住宅生产现代化，旨在提升住宅建筑的生产手段，提高住宅建筑的品质，降低建造过程的成本，节省能源并减少排放。我们可以发现，BIM技术与住宅产业化的目标在很多方面是相同的，BIM技术的特点以及如何在住宅产业化的过程中应用好BIM技术，是本文讨论的主要内容。

2、预制装配式住宅（住宅产业化）

PC是预制装配式建筑(Prefabricated Concrete)的英文简称。

PC住宅产业化简单地说就是用工业化的方式生产预制装配式住宅。PC住宅的主要构件在工厂生产加工，通过运输工具运送到工地现场，并在工地现场拼装建造成完整的建筑。形象的说法就是“像造汽车一样建房子”。采用预制装配式方式建造的住宅，具有以下的特点：

1．出色的强度、品质和耐久性住宅建筑的大部分构件均在工厂环境下生产，采用标准化的生产工艺，精细化的质量管理，有良好的成品养护条件，使得产品质量更容易得到保证；而且，建筑物的门窗及外饰面都可以在工厂内安装完成，降低了现场高空作业的安全风险。工厂化生产的预制混凝土住宅构件，强度、品质、耐久性和抗震性能均大大高于现场浇注的混凝土结构。

2．建造速度快

由于大量的预制构件已在工厂制作完成，在施工现场只要进行拼装工作，而且门窗、外饰面已在工厂内完成，所以建筑物可实现内、外装修和结构施工同时进行。在建筑物基础施工时，结构所需的预制构件已经在工厂进行预制了；在三层楼面的结构进行拼装施工时，二层楼面的已经在进行管线安装了；而一层楼面已经可以开始装修了。预制装配式建筑改变了传统建筑先土建、后设备、再装修的施工工艺，从而使建筑整体的建造速度有了很大的提高。据有关统计数据，应用预制装配式建筑技术，建筑的建造速度相比传统施工工艺可提高30％～50％左右。在国内，将BIM应用贯穿应用于建筑的整个全生命周期的应用案例很少。

4.2 BIM在住宅产业化中应用的优势

BIM源自建筑全生命周期管理理念，从某种意义上说发源自制造业（制造业很早就有了产品全生命周期管理理论PDM）。我们看到，目前很多建筑业的BIM软件最早都来源于机械、航空、造船等制造业的PDM软件。对于制造业的PDM，其管理的最基本单位是单个“零件”，传统的采用现浇方式的建筑，其“零件”的概念不是很明晰，而预制装配式建筑主要由预制的“柱、梁、板、楼梯、阳台”等构件组成，实质上这样的建筑物是被“零件化”了，所以产业化的住宅是最接近制造业生产方式的一种建筑产品，也非常适用于采用类似制造业的方法进行管理，所以BIM在住宅产业化中的应用有天然的优势。

工业化的住宅具有房型简单、模块化等特点，采用BIM技术可比较容易的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。产业化的住宅生产方式也要求实现全产业链的、全生命周期的管理，而这种生产和管理方式又与BIM技术所擅长的全生命周期管理理念不谋而合。另外，在产业化住宅建造过程中也有对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。

总之，BIM技术非常适合在住宅产业化中推广应用，而且相对投入的成本较低，应用产出的效能较高，通过BIM技术可以大大提高产业化住宅建设过程整体的管理水平。

5、BIM在上海城建预制装配式住宅产业化中的应用实践BIM在住宅产业化中的应用可以贯穿预制装配式住宅的设计、深化设计、构件生产、构件物流运输、现场施工以及物业管理等建筑的全生命周期（图1）。考虑到技术以及实施难度等因素，上海城建首先将BIM技术应用于设计、深化设计以及PC住宅建造相关的生产过程管理应用。

5.1 BIM在PC住宅设计、深化设计中的应用

在设计阶段，可以利用BIM进行建筑设计、结构设计以及设备设计，同时利用BIM模型可以进行建筑物的性能分析，如：日照性能分析，采光性能分析，能耗性能分析，结构性能分析等。深化设计阶段是产业化住宅生产中的非常重要的环节，由于预制件是在工厂生产然后运输到现场进行安装，预制件设计和生产的精确度就决定了现场安装的准确度，所以要进行预制构件设计的“深化”工作，其目的是为了保证每个构件到现场都能准确的安装，不发生错漏碰缺。但是，一栋普通PC住宅的预制构件往往有数千个，要保证每个预制构件到现场拼装不发生问题，靠人工进行校对和筛查显然是不可能的，但BIM可以很好的担负这个责任，利用BIM模型(图2)，我们可以把可能发生在现场的冲突与碰撞在BIM模型中进行事先消除，深化设计人员在用BIM软件对建筑模型进行碰撞检测，这种检测不仅可以发现构件之间是否存在干涉和碰撞，还可以检测构件的预埋钢筋之间是否冲突和碰撞，根据碰撞检测的结果，可以调整和修改构件的设计并完成深化设计图纸。（见图2）

5.2基于BIM技术贯穿PC深化设计、生产、建造环节的管理系统的建立除了在设计、深化设计阶段应用BIM技术手段解决传统的二维设计不擅长解决或者不能解决的问题以外，将BIM应用于工程建设管理也是BIM应用的重点，通过构建基于BIM的多方参与的工程建设管理集成平台，使参与项目的不同组织（如业主、设计、制造、施工等）能够同时加入到工程项目管理中来，通过BIM进行信息的沟通；相信在不久的将来，利用BIM进行项目管理将开创工程项目管理革新的新纪元。上海城建目前完成了基于BIM技术贯穿PC深化设计、生产和建造环节的管理平台的建设工作,通过这个信息管理系统平台，动态掌控PC住宅构件预制生产进度，仓储、物流情况以及现场施工进度。该管理平台（图3）集成了一个中心数据库和四大子系统：即PC工程的BIM模型中心数据库以及深化设计子系统、PC构件生产阶段管理子系统、现场施工管理子系统、工程子系统。(见图3）

PC工程的BIM模型中心数据库用于存放具体PC工程的全生命周期BIM模型数据；深化设计子系统将构件深化设计的所有相关数据传输到中心数据库中；PC构件生产阶段管理子系统(图4)从中心数据库读取构件深化设计的相关数据以及用于构件生产的基础信息，同时，将每个预制构件的生产过程信息、质量检测信息返回记录中心数据库中；现场施工管理子系统(图5)通过读取中心数据库的数据，可以了解本工程构件的生产进度情况以及每个构件的具体信息（重量、安装位置等），同时，将构件的安装情况返回记录在中心数据库中；工程子系统(图6)通过读取中心数据库的相关信息，实现远程动态显示PC工程的建设进度。考虑到工程管理的需要，我们在每个预制构件中都安装了RFID芯片，并为每个构件进行唯一编号，同时将芯片的信息写入BIM模型，通过手持读写设备实现了PC住宅工程在构件制造、现场施工阶段的数据采集和数据传输问题。通过基于BIM技术的贯穿PC深化设计、生产、建造环节管理系统平台的构建，PC住宅产业化工程项目可以通过BIM平台充分共享建造过程中的数据，工程项目的动态进展情况也可以通过BIM模型进行远程的查询，并以三维的形式进行展示，在很大程度上提高了工程管理的效率。（见图4、5、6）

图5 现场施工管理子系统

6、BIM技术在PC住宅产业化中应用的进一步拓展BIM技术在PC住宅产业化中的应用前景十分广阔，根据进一步的应用需求，BIM技术在PC住宅产业化中的应用还可以在以下方面进行拓展和研究。

6.1 4D/5D仿真模拟BIM模型代表的是一座虚拟的建筑，通过这个虚拟建筑，可以把工程现场要解决的问题搬到实验室，在计算机里面进行模拟和分析。4D是指在BIM的3D模型的基础上增加时间的维度，通过对建筑物不同建造工序方案的仿真模拟，可以对施工工序的可操作性进行检验，同时可以分析和比较不同方案的优缺点，从而寻找到最佳图4PC构件生产阶段管理子系统方案。5D是指在4D模型的基础上增加成本的维度，通过BIM5D模型可以实现精细化的预算和项目成本的可视化，通过对工程项目进行5D仿真模拟，可以动态的比较多个可能方案之间的成本差别，通过分析和优化，选择成本最优的方案进行实施。

6.2 数字化制造

由于PC住宅采用工业化的方式进行生产，所以整个生产过程可以充分利用BIM模型实现数字化和自动化的制造。可以实现数字化制造的有：

1）模具设计自动化，BIM模型可以提供预制构件模具设计所需要的三维几何数据以及相关辅助数据，可实现模具设计的自动化，如果结合预制构件的自动化生产线，还能实现拼模的自动化。

2) 钢筋加工自动化，利用BIM模型中的钢筋数据模型输出钢筋加工数控机床的控制数据，实现钢筋的自动裁剪和弯折加工，并利用软件实现钢筋用料的最优化。

3) 构件检测自动化，利用BIM模型中的尺寸数据并结合预制构件的自动化生产线，实现预制构件成品检测的自动化。

4）施工现场自动定位放样，基于BIM模型的空间信息以及全自动全站仪等设备，实现基于BIM模型数据的施工现场自动定位放样。