BIM技术在装配式建筑设计和施工管理中的应用

  1 绪论

  1.2 研究的目的和意义

  （1）总结装配式建筑的特征、发展方向以及 BIM 技术的本质和应用前景，分析装配式建筑和 BIM 技术之间的关系，从而提出基于 BIM 技术的新型建筑工业化的发展要点。（2）分析装配式建筑设计的关键环节，提出 BIM 技术在装配式建筑设计的不同时期的具体应用方式。（3）分析装配式建筑施工阶段的目标控制的内容，基于此提出装配式建筑施工管理的应用点，并进一步阐明其应用的现状和应用趋势。（4）搭建基于 BIM 技术的装配式建筑设计和施工协同管理平台，以实现基于 BIM 的装配式建筑在设计和施工阶段的管理。（5）利用具体项目进行实证研究，梳理装配式建筑 BIM 应用的思路，从实践中探索 BIM 技术在装配式建筑的具体应用，验证将 BIM 技术运用于装配式建筑的价值。改变建筑业的生产方式，发展建筑工业化是为了提升建筑的生产水平和建筑质量，降低资源的消耗量和对环境带来的不利影响。虽然我国在上世纪 60 年代就提出了建筑工业化，但是中间有很长一段停滞期，工业化水平还比较低，想要进一步实现发展就需要把握住发展的契机。BIM 技术下的装配式建筑符合可持续发展要求，它在使用资源时考虑了当代人和后代人的需求，是实现传统粗放型建造方式向集约型建造方式的转型重大举措。传统的装配式建筑设计与现浇结构的设计思维一致，先整体设计，随后拆分各个构件，进行节点设计和构件深化设计。传统的设计模式很难兼顾预制构件工厂生产需要考虑的要素，再加上预制构件的种类众多，现有模式不利于工业化的流水线生产。而且，设计与生产阶段如果不能保证信息高效传递，很容易造成信息孤岛现象。在装配式建筑设计阶段运用 BIM 软件，改变以设计主导的预制构件生产的现象，实现设计和生产相协调，避免冲突。在施工阶段，借助 BIM 平台对建立的装配式建筑信息模型进行模拟，事前发现并解决现场组装中可能出现的问题，应用进度模拟合理规划预制构件的生产、运输和进场时间。基于 BIM 技术在装配式建筑设计、施工阶段的应用，提出基于 BIM 的装配式建筑设计-施工协同管理平台的系统原型，为以后基于 BIM 的装配式建筑在设计和施工阶段的管理提供支持。最后，采用具体项目进行实证研究，将研究与实际结合起来，让理论研究更具有实际意义。

  2 理论研究

  2.1 装配式建筑的概述

  装配式建筑又称集成房屋，是指用远离工地的制造工厂组装或制造的建筑单元在施工现场运输和组装而成的建筑。按照这个定义，装配化建筑的施工过程可以分成三个阶段：第一阶段是建筑单元的工厂生产阶段，第二阶段是建筑单元运输到施工现场阶段，第三阶段是建筑单元现场安装阶段。与传统现浇混凝土建筑相比，其具有两大主要特征：一是构成建筑的梁、板、柱、墙等主要构件是事先在构件工厂预制的；二是各类构件之间需要在施工现场采用可靠的方式连接起来。根据我国国家标准对装配式混凝土建筑、装配式木结构建筑和装配式钢结构建筑中的界定，装配式建筑是指建筑物的结构系统、内装系统、外围护系统以及设备与管线系统的关键部分需要采用预制构件的建筑。与常规定义相比，我国标准对装配式建筑的定义强调了采用预制构件应包括建筑物的四大系统，对我国装配式建筑的发展提出了较高的要求。装配式建筑由于工厂预制、施工现场组装的独特建造方式，相较于现浇整体式建筑而言，具有建设周期短、产生的建筑垃圾少、受气候条件制约小等特点。然而装配式建筑也存在一定的局限性，从我国的实施情况来看，存在造价高、准入门槛高等问题，而且对构件的尺寸大小、建筑高度等也有一定的限制。装配式建筑最早出现在第二次世界大战之后，面对住房紧张和劳动力匮乏的双重压力，欧洲各国开始采用预制装配式建筑的方式来建造住宅。之后，美国、日本、新加坡等国家也引进预制技术，开发多种预制建筑体系进行大规模的住宅建造，建筑工业化在这些国家进入了快速发展阶段。时至今日，这些国家的建筑工业化已经达到了很高的水平。据统计，2017 年美国、日本的装配式建筑占比90%，法国、瑞典和丹麦的装配式建筑占比约 80%~85%，新加坡则达到了 70%。以日本为例，它是世界上首个在工厂中批量生产住宅的国家，政府为促进装配式住宅的发展制定了一系列方针、政策和标准，其装配式住宅的建造已经实现了标准化、批量化和多样化的融合。

  2.2 BIM 技术及其应用

  建筑信息模型（BIM）被国际标准定义为：“任何建筑物体的物理和功能特征等共享信息的数字表示，它们构成了项目各参与方决策的可靠基础。”BIM 最初起源于产品模型，被广泛应用于石油化工、汽车、制造业等领域。在建筑领域BIM 代表建筑物的精确虚拟模型，通过软件由表示构建组件的参数对象实现，对象可能具有几何或非几何属性，包括功能、语义和拓扑信息。建筑信息模型可以服务于建筑的全生命周期，模型包含的几何图形和相关数据可以支持实现建筑所需的设计、采购、制造和施工等活动，并在建设完成后用于日常维护。BIM 的含义可以总结为以下三点：①BIM 是一种共享知识资源，它可以在全生命周期内获取建筑物的可靠信息并提供平台实现信息的交流和共享，为决策提供可靠的依据。②BIM 是一个完善的信息模型，它在一个单一的模型中包含了设施的所有方面，包括建筑构件的几何、空间关系、地理信息、数量和属性、成本估算、材料清单、项目进度表等信息，可被项目的众多利益相关者使用。③BIM 可以被视为一个虚拟过程，它允许所有团队成员（业主、建筑师、工程师、承包商、分包商和供应商）在创建模型的过程中不断根据项目规范和设计变更对其部分进行精炼和调整，以确保模型在项目动工前尽可能准确。在项目的实施过程中，由于 BIM 技术的应用主体（各利益相关方）的关注点、职责和参与阶段不同，不同单位对应用 BIM 技术的组织方案、设施步骤和控制点也不尽相同。例如，BIM 在管线综合中的应用，建设单位关注其造价，设计单位关注设计正确性和合理性，施工单位关注施工的成本和便利性，运维单位关注运维的便利程度。虽然不同利益相关者对 BIM 技术的需求不同，其作为一种信息共享和传递的工具，要真正发挥 BIM 技术的作用，仍需要各单位在全生命周期内对BIM 模型进行传递使用。因此，要发挥 BIM 技术在项目全生命周期中的作用，需要明确不同的利益相关方对 BIM 技术应用的需求，BIM 技术首先要为哪个单位服务。

  3 BIM 技术在装配式建筑设计中的应用

  3.1 装配式建筑的设计原则

  3.2 基于 BIM 技术的装配式建筑设计方法

  3.3 BIM 技术在装配式建筑设计中的应用点

  3.4 本章小结

  4 BIM 技术在装配式建筑施工中的应用

  4.1 装配式建筑施工阶段目标管理

  4.2 BIM 技术在装配式建筑施工管理中的应用

  4.3 本章小结

  5 基于 BIM 技术的装配式建筑设计-施工协同管理应用平台原型设计

  5.1 需求分析

  5.2 协同管理平台设计

  5.3 协同管理平台开发要点

  5.4 装配式建筑协同管理平台应用模块设计

  5.5 本章小结

  6 基于 BIM 技术的装配式混凝土建筑案例—枣庄学院学生公寓

  7 结论与展望

  本文在我国新型城镇化、建筑工业化和 BIM 技术大力推动的背景下，提出了将 BIM 技术应用于装配式建筑的构想。通过分析装配式建筑和 BIM 技术的特点、发展现状、应用前景等，探讨了 BIM 技术与装配式的关联以及 BIM 技术在装配式建筑中的应用价值。总结了装配式建筑的设计原则，结合 BIM 技术的特点提出了基于 BIM 技术的装配式建筑设计方法，并着重突出了 BIM 技术在装配式建筑设计中的应用点。以装配式建筑施工阶段的目标管理工作为重点，提出了 BIM 技术在装配式建筑质量管理、进度管理和成本管理中的应用。在此基础上，对基于 BIM技术的装配式建筑设计—施工协同管理应用平台的原型设计进行探索，为后续平台的开发提供理论和框架支撑，发挥 BIM 技术在装配式建筑设计和协同管理中的作用。最后，通过实际装配式建筑的案例介绍了 BIM 技术在装配式建筑设计和施工中具体是如何应用的，着重突出了 BIM 技术在装配式建筑中的应用价值。（1）以新型城镇化、建筑工业化和 BIM 技术的推动的大环境为切入点，通过分析装配式建筑和 BIM 技术各自的特征和发展情况，针对装配式建筑当前存在的问题，提出了将 BIM 技术运用于装配式建筑的价值。（2）从装配式建筑的设计原则分析出发，探讨基于 BIM 技术的装配式建筑设计方法的思路和流程，通过与传统设计方式对比肯定了 BIM 技术在装配式建筑设计中的优势。其次，针对基于 BIM 技术的设计方法，对 BIM 技术在装配式建筑应用进行具体分析。（3）针对建设项目管理中的质量、进度和成本三大目标，对装配式建筑在施工阶段的目标管理工作和 BIM 技术在目标管理中的优势进行具体分析，而后提出了 BIM 技术在目标管理中应用的准备工作和具体应用。（4）设计了基于 BIM 技术的装配式建筑设计—施工协同管理应用平台的原型。首先采用半结构化访谈的方式获取了用户对平台的信息和功能需求，对访谈内容进行定性分析。而后，根据访谈结果和 BIM 技术在项目管理中的应用提出了本平台设计的技术路线。最后，以该技术路线为基础，分析了协同管理平台的开发要点，详细介绍了本平台设计及深化设计协同、进度管理、造价管理、质量管理和资料管理 5 大应用模块的设计，为后续平台的开发提供理论和框架支撑。（5）通过实际装配式项目，对 BIM 技术在装配式建筑中的应用进行实证研究，从方案设计、BIM 模型碰撞检查与优化、工程量统计和施工模拟 4 个阶段对BIM 技术在装配式建筑应用价值进行详细分析。  BIM 技术在装配式建筑设计及施工管理中的应用探索研究对发挥 BIM 技术在装配式建筑中的应用有较大的推动作用，本文从 BIM 技术在装配式建筑设计和施工中的应用进行了详细的分析，并且搭建了基于 BIM 技术的装配式建筑设计-施工协同管理应用平台原型。虽做了以上研究工作，但由于本人实践面的局限性和对 BIM 平台开发认识的不足，研究还存在很多的不足之处，许多问题还需要进一步研究和扩展：（1）由于精力有限，本文只研究了 BIM 技术在装配式建筑设计和施工阶段的应用，没有涉及到 BIM 技术在工厂生产加工阶段和运营阶段的运用，在未来的研究可针对这两个阶段继续探索。（2）本文提出的基于 BIM 技术的装配式建筑设计—施工协同管理应用平台，作者目前只是从理论层面提出了平台的需求、开发要点和各模块的实现思路，具体应用需要进一步的研究和开发。