BIM技术在装配式混凝土结构工程中的应用

摘要：马驹桥公租房装配整体式混凝土结构产业化施工中，以BIM技术为支持，重点解决施工过程中由于对施工指导不足导致的返工、高能耗与劳动力浪费等问题。通过BIM技术模拟，将CSI构件进行组装、排序，预测可能出现的问题，提前制订解决方案，并在深化设计中控制装配式构件的预留预埋问题，为现场拼装创造了条件。

马驹桥物流B东地块公租房项目住宅结构产业化技术体系中，预制构件有叠合楼板、叠合阳台板、空调机搁板、楼梯梯段、夹心保温外墙板、内墙板、女儿墙板、PCF板、装饰板等。

采用BIM技术的主要目的是解决因设计、施工、构件加工对接不足造成的能源、资源浪费。通过建立BIM技术的参数化构件族，深化施工模型的设计，利用三维施工模拟、提取构件工程信息等手段，将装配式产业化工程从现场粗放的“土建工程”转变为细致的“安装工程”，在建造过程中，体现其缩短工期、合理利用劳动力、提高工程质量、降低能耗和控制成本等优势。

本工程施工过程中，充分发挥了BIM参数化优势建立高精度符合模数要求的族模型，分析、测算构件指标含量，提供工程过程结算依据；将设计及施工意图引入BIM应用，使施工更完美的地实现设计蓝图（如预设塔式起重机锚固点等），提高工程质量；利用BIM可视化的特点，充分论证装配式构件安装与现浇组合的施工方案施工；采用多种软件综合应用与自主研发软件相结合的BIM软件策略，辅助工程管理。

一、产业化施工的难点

1.1 预制构件精细化管理难度大

本工程涉及上百种装配式构件型号且采用结构保温一体化外墙技术，施工单位面临着进场构件型号与数量难以提取、施工现场物资分配码放难以控制、施工过程中构件指标含量难以统计等问题，不利于生产管理与成本控制。

1.2 设计与施工无缝对接难度大

在传统设计中，只考虑结构选型及计算，较少思考涉及施工中可能出现的问题。本工程建造过程中，由于建筑物主体和大型机械设备发生支撑、锚固等关系，会导致构件修改、返厂、增加构造做法等情况，造成人力物力和时间的消耗，增加工程成本。

1.3 专业化施工能力培养难度大

目前施工单位对装配式混凝土结构施工尚无经验，专项施工技术能力不足。采用常规的技术交底，对施工及管理人员的培养效率较低，不利于工程质量的控制，也不利于建立专业化施工队伍。

二、BIM技术解决方案

2.1 制订符合本工程的BIM实施标准

依据《企业级BIM实施标准》制订《马驹桥物流B东地块公租房装配式混凝土结构产业化项目标准》，在遵循企业标准的前提下，规定了本工程的BIM实施原则和目标、BIM应用范围和软件的选择；规范了装配式混凝土结构工程的BIM模型标准，如参数信息要求、建模注意事项及交付定制族的说明、构件库和装配式混凝土结构知识库的使用说明等，形成了装配式混凝土结构产业化工程设计-施工一体化工作流程。

2.2 建立参数化构件族

装配式混凝土结构工程与常规现浇混凝土工程的BIM模型存在差异，主要体现为构件族的参数化建立。通过BIM模型，实现构件加工图纸与构件模型双向的参数化信息连接，包括图纸编号、构件ID码、物理数据、保温层、钢筋信息和外架体系预留孔等。

表1为构件参数统计，表2为构件样式统计

在创建构件族中，发现族文件在创建混凝土浇筑板时，由于混凝土板为实心板，因绑扎的钢筋占用了空间（板内为空心板），会多出相当于钢筋体积部分的混凝土量，导致板的混凝土用量增加。对此采用参数化族的方式，通过修改预留位的参数信息解决了混凝土、保温材料等工程量的精确性问题。本工程共建立水平构件参数化族310个，垂直构件参数化族609个。

2.3 构件模型管理

采用BIM结合物联网技术实现了通过信息管理系统查看模型资料，指导施工人员吊装定位；实现构件参数属性查询，将竣工信息上传到数据库，做到施工质量记录可追溯（图1）。

2.4 构件模型库管理

通过建立BIM构件，搭建完成了CSI构件族库管理系统平台；并通过内网/ 外网环境，实现了快捷的项目管理和对族、组件、模块的平台化管理。

构件库创新点包括：（1）系统采用C/S 与B/S 混合结构，实现Revit嵌入式运用和web远程使用；（2）系统不仅支持Revit工具还可支持其他文件类型的BIM工具，实现多种软件CSI构件在一个统一平台集中管理；（3）支持通过上传新的自定义私有族文件，获取在一定时间内**公共族或**一定量族文件的权限，实现族库的自我更新。

企业内部BIM实施规范性族构件的统一管理和共享，加快了BIM建模的效率，有利于BIM 的实施推广。族库中定额信息的关联和利用，提升了BIM数据对施工管理的价值。

2.5 构件模族资料管理

（1）PC端：通过CSI构件库中的BIM模型将构件的试验报告、进场外观检查和构件图纸等信息相关联，可更好地管理项目，提高施工质量、安全水平，把控施工进度。

（2）手机APP端：通过手机端将图片、视频、音频、文字等信息发送至网页端指定位置，方便项目部时刻查看并记录施工进度、质量、安全情况；还可将上述信息与图纸的相关位置关联，更精准地把控项目，通过实时语音或视频对话，快捷地展现施工现场问题，快速查出变更位置，为施工提供便利，也为后期的施工索赔及洽商变更提供依据。

2.6 构件可视化安装模拟

2.6.1 建立高精度模型，表现各阶段构件安装

分离每一个步骤的模型并加以组合，实现用模型反映构件安装过程的不同阶段（图2）。

2.6.2 通过施工过程模拟，论证施工方案

现阶段住宅产业化基础数据缺乏，尚无有效的可指导施工的基础数据（如机械设备的分配、场地物资的堆放承受能力等）。本工程建造阶段，首先遇到一次运输构件施工现场码放不开；寻找指定安装构件困难；二次搬运增加构件破损，损耗大量人力及时间等问题。通过BIM4D预测施工进度，结合构件厂产能与场地条件控制，可控制构件到货量；通过BIM技术进行吊装测算，调整构件的码放顺序和位置；通过BIM模型，依据塔式起重机工作半径范围，统计构件型号，模拟验证构件码放位置的合理性和吊装顺序，合理布置构件码放区的放置顺序（高层构件在下，底层构件在上）。

2.6.3 模拟构件及机械的空间关系制订施工方案

通过引入构件参数与人及机械设备、施工材料的关系（图3），可提前发现问题；通过BIM 技术管理构件进场、堆放与搬运，分离每步骤模型并加以组合，用模型反映构件不同阶段的安装过程，模拟构件吊装时与工人的空间关系，制订吊装方案。

2.6.4 构件可视化安装模拟

目前工人对构件拼装顺序和三维空间坐标准确性操作尚存在难度，主要表现在：构件的钢筋与现浇部分的钢筋穿筋节点不清；安装垂直构件时，工人对垂直构件找平及找标高缺少数据支撑。

对构件拼装顺序和三维空间坐标准确性操作有难度的问题，在现场通过三维可视化模拟模板构件拼接，实现同类构件不同公差的安装方案。通过质检测量数据录入BIM 模型，实现构件还原实际构件条件，用于指导选择安装方案（图4），减少了返工率。

2.7 基于BIM 技术的装配式混凝土结构三维技术交底

一般劳务队伍对产业化施工要求了解不够，技术水平不足，可通过借用BIM 技术模拟施工做法，采用三维演示向劳务交底，并形成知识库（图5）。 

2.8 构建构件质量跟踪平台

结合物联网技术，质量跟踪平台在构件中设置RFID芯片。通过追踪识别芯片关联构件库信息，并2.6.4 构件可视化安装模拟目前工人对构件拼装顺序和三维空间坐标准确性操作尚存在难度，主要表现在：构件的钢筋与现浇部分的钢筋穿筋节点不清；安装垂直构件时，工人对垂直构件找平及找标高缺少数据支撑。

对构件拼装顺序和三维空间坐标准确性操作有难度的问题，在现场通过三维可视化模拟模板构件拼接，实现同类构件不同公差的安装方案。通过质检测量数据录入BIM模型，实现构件还原实际构件条件，用于指导选择安装方案（图4），减少了返工率。

三、应用BIM的主要效果

3.1 产业化建造工期可控，效率提高

本工程设计方案采用BIM技术建立标准构件库，提升了设计单位、构件厂和施工企业的可视化协同能力，实现了将生产工艺集中在工业流水线上，现场以安装构件为主的住宅产业化目标，避免了建筑材料浪费，可减少人力劳动，增加机械生产，提高生产效率，降低建造成本。

通过研究，实现设计阶段对施工阶段劳动力的综合分析，在引用BIM技术对CSI住宅产业化虚拟三维模拟建造的过程中引入劳动力、物资和场地的概念，从而提高设计对施工的指导，减少劳务选择风险及因设计不合理而造成的施工进度滞后等问题，可有效控制并缩短工期。

3.2 实现设计、施工一体化建造

本工程基于BIM的CSI设计主要特点是精度高，覆盖设计、构件加工、现场施工等住宅产业化的关键环节，解决了以往住宅设计图纸控制宽泛、对现场施工指导性差的问题。通过强化设计与施工的联系，搭建基于BIM技术预制装配式设计施工一体化协同平台。该平台根据设计阶段完成的施工图，搭建预制装配式BIM模型，包括构件模板图、预埋预留件图，模型等级定为LOD400等级标准，并进行拆分模拟。根据设计阶段的BIM成果，完成PC运输、施工过程中各种工况的相关深化设计计算；通过结构计算确定脱模、存放时的吊装和支撑位置。根据PC的BIM模型搭建及深化设计，生成完整的BIM信息模型，形成深化设计图纸，用于指导后期生产和施工。

3.3 培养专业队伍

目前施工企业对装配式混凝土结构施工尚缺少经验，对此现场依据工程特点和技术的难易程度选择不同的技术交底形式，例如套筒灌浆、叠合板支撑、各种构件（外墙板、内墙板、叠合板、楼梯等）的吊装等施工方案通过BIM技术三维直观展示，模拟现场构件安装过程和周边环境。对劳务队伍则采用三维技术交底，指导工人安装。交底内容明确直观，方便了施工现场对分包工程质量的控制。

本工程采用三维技术交底的方式，建立了产业化施工标准，拥有了产业化设计施工团队，培养了专业化人才，提高了对工程质量的控制水平。

四、结束语

目前，装配式混凝土结构住宅产业化工程已在我国逐步发展起来，建筑产业化可节省资源，推动技术创新，提高建筑品质，是建筑行业发展的必然趋势。BIM技术的推广有利于住宅产业化进程，也是实施住宅产业化的重要手段。

本工程通过引用BIM技术以构件族为核心使设计与施工良好衔接，强化了与构件厂及业主的沟通；通过BIM的参数化与可视化手段模拟各种未知情况，为快速决策提供了支撑；制定符合本项目特点的BIM标准是实施的必要保障；工程经验、施工设备等信息必须与BIM模型信息相结合才能有效指导施工；BIM技术可有效记录承载知识与经验有助于后续工作。