基于BIM的装配式建筑智慧建造全过程研究

2021年5月24日
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近年,我国建筑业发展良好,总产值总体呈稳定上升趋势,为我国经济快速发展作出了重要贡献。然而,建筑行业使用的资源占人类自然资源总量的40% ,并且因建筑而产生的垃圾在世界垃圾总量中的占比也高达40%。将我国建筑业与汽车、钢铁、装备制造等其他支柱行业相比较,创新型生产技术匮乏、经济转换率低、与生态不协调等问题更为明显,且建筑业在某些生产环节没有一套合理有效的运行体系,常常带来施工周期长、劳动力成本高、信息化程度低等一系列问题。

装配式建筑节能减排数据见图1。

基于BIM的装配式建筑智慧建造全过程研究

将信息化技术集成应用于装配式建筑在我国建筑业转型升级的过程中扮演着至关重要的角色,同时它也会把我国装配式建筑信息化管理水平提升到一个新的高度。近几年,我国建筑信息化领域逐渐受到各方关注,对其投入也是逐年递增,但内容综合性不强、交叉性较弱等问题依旧突出,且建筑领域内现代信息化技术集成应用的研究明显不足。

本文旨在研究基于BIM的装配式建筑智慧建造,分析BIM技术与装配式建筑相结合的过程存在哪些问题,在此基础上建立完整的体系架构及详细的过程应用,并提出有助于BIM的装配式建筑智慧建造发展的推进政策。

文献综述

主要参考了 Web of Science( WOS) 数据库中有关装配式建筑的外文文献,使用 Citespace 文献可视化软件将检索到的文章进行梳理总结,可知目前国际装配式建筑领域的主要研究热点有装配式建筑预制构件材料、装配式建筑结构、装配式建筑工程管理等。Wang J C通过增加基段高度并在易损节点处加入粘合钢筋,减少了混凝土桥梁柱在滞回过程中的耗能以及提升了抗震能力。Belleri A用控制变量法比较了三种不同连接方式的力学性能,通过循环性能试验证明灌浆套管法在震后修复中更高效。Ling J H通过对两种新型套管进行拉伸实验,得出套管的几何构型满足套筒约束效应并影响其粘结性。Haber Z B在缓慢循环荷载作用下对5个半尺度桥梁柱模型进行试验,发现了在关键响应参数与传统结构相差无异,但它的塑性铰结构取决于耦合器性能。分别在静态、动态、循环加载环境下对两种常用的机械连接件深入研究之后发现,机械耦合器刚度对连接件的变形响应影响显著。Haraldsson O S设计出新型连接基础和预制柱,其抗震性能不亚于现浇体系。通过对国内相关文献整理及统计分析,发现国内主要将装配式建筑管理研究、信息化技术与装配式结合应用研究、BIM 软件及平台研究等作为重点研究方向,但偏重于BIM技术在装配式建筑中的单独应用。樊骅提出可以通过BIM相关软件技术对施工环境及施工人员活动进行模拟,在建造前建立信息化平台,进而确定设计方案。王淑嫱等装配式建筑项目可采用EPC管理模式,在 BIM 技术的基础上实现各个项目阶段信息化集成。曹新颖等建立基于BIM-RFID的信息平台系统,将预制构件的状态数字化,并用 BIM 模型指导其生产。齐贺等提出将BIM和RFID结合并加以改进从而指导装配式建筑施工过程。王美华等提出以 BIM 技术进行参数化建模,给每个构件附上电子标签或二维码,方便后续运输和安装。为提升拆分设计模型精度,刘春原等提出将Dyna- mo作为核心技术基础对Revit软件进行针对性的改造,大大提升了模型拆分精度。许杰峰等基于BIM自主建立标准化信息平台,满足了建筑模型在设计阶段智能拆分的要求。

基于BIM的装配式建筑智慧建造现状分析

01 基于 BIM 的装配式建筑智慧建造的产生

相比一些发达国家,例如法国、德国、日本等,我国在研究装配式方面还处于起步阶段,技术体系有待完善并且应用范围也不够广泛,在全国新建建筑中比例仅为 15% ,重点地区为 20% ,低于发达国家的 35% ~ 40% ,但其总产值正在稳定上升。装配式建筑相比传统现浇技术具有节能环保、施工效率高、信息化程度高等特点。同时,对施工技术人员的管理能力以及设计精细化程度也提出了更高的要求。

清华大学的马智亮教授最早提出“基于 BIM 的装配式建筑智慧建造”这一理念,他强调了采用最新信息技术对建筑全生命周期内的技术和管理集成的重要性,实现装配式建筑建造的工业化、智能化。BIM 的作用是建立一个将建筑所有信息都涵盖其中的信息平台,建立模型实现信息集成和交互( 见图 2) 。

基于BIM的装配式建筑智慧建造全过程研究

1) BIM + VR/AR 技术主要应用于构建虚拟施工现场、展示重要节点的施工工艺及交互式场景漫游,可以从各时间节点出发,站在多角度观测施工过程,进而拟选出最佳施工方案,使得装配式建筑施工组织设计更为高效合理、也更能保证工人的人身安全与施工进度,节约了时间与成本。

2) BIM + 三维激光扫描技术可以对施工场地进行测绘,反映真实地讯息,尤其是针对观测困难的施工现场,更能凸显该项技术的优势。其原理是将 BIM 模型与三维激光扫描出的图像相拟合,从而满足预制构件质量快速检查、高效精准建模、准确记录工程进度等要求,相比于传统人工计算更为省时且可靠度高。

3) BIM + 物联网技术在传统的建设项目中,工程物料跟踪往往是个棘手的工作,信息交互不及时、清单票据不全、计算错误等现象时有发生,致使装配式建筑项目中建设方、施工方、监理方等各参与者无法实时了解到项目建设情况。考虑到上述问题,“BIM + 物联网技术”将无线射频技术和 BIM 技术应用于装配式建筑生产环节,工程物料无论材料尺寸,都可以做到有迹可循,将大幅度的提高信息采集能力。

02 我国装配式建筑 BIM 技术应用现状及问题

① BIM技术在装配式建筑应用现状

1) 三维建模设计。“三维信息化模型”是 BIM 技术的核心,首先建立基础模型平台,随着项目进行过程中,再在基础平台上加入新的“构件”,建筑物各个结构的几何特征可通过 BIM 技术的三维建模技术绘制,逐步建立起完整的建筑模型。BIM 建模软件可自动生成相应的平、立、剖面图以及各节点详图,相比过去常用的纸质平面图,这种技术方法可以使建筑的空间特征表达得更为清晰直观。

2) 协同设计。协同设计,即设计人员、管理人员等在同一个平台上一起参与规划设计,是建筑业在设计方向上的巨大创新,同时这也满足政策提出的“建筑信息化”的要求。协同技术可以提供一个“交互式”的信息交流平台,在设计本专业的同时可以查询参考其他行业的设计方案,提升项目在设计阶段的创新能力。

3) 建筑性能优化。实体建筑可以通过 BIM 技术转化为模型文件,再将这些模型文件输入相应的分析软件可实现建筑性能优化。分析软件可以模拟太阳灯光照射情况、对风流体进行分析、计算建筑的能耗数据、模拟使用者走动情况等,运用模拟分析技术可以明确的判断建筑物设计是否满足舒适性,是否满足低能 耗 等,对于设计不合理的地方进行针对性调整。BIM 使得现代建筑设计更为高效智能,既提升了舒适性又减少了资源浪费。

4) 碰撞检查。在施工过程中“碰撞”现象时有发生,通常是由于忽视各种设备或建筑材料与建筑物内部的空间尺寸关系造成的。BIM 中常用的“碰撞检查”软件有 Navisworks,Fuzor 等,在实际建造之前就可以通过碰撞检查,在设计阶段避险“错、漏、碰、缺”现象的发生,从而节约设计成本与劳动力。

5) 效果图及动画展示。Sketch up,3DMAX等工具是项目方案设计阶段常用的建模软件,再经过Lumion,Enscape 等渲染软件从而建立模型场景、生成三维动画,将方案以三维立体效果图或动画的形式展示。在施工阶段同样可用上述方法制作施工模拟动画,这种“虚拟建造”的方法可以让施工工人、管理人员、监理等提前发现施工过程中可能产生的技术问题、质量问题、安全问题,在实际施工阶段就可以有效避免各类问题。

② BIM技术在装配式建筑应用中存在的问题

1) 缺乏预制构件跟踪能力。装配式建筑的基本单元是预制构件,从预制构件的“生 产”开始,到中途的“运输堆放”以及“进场组装”都是预制构件管理的关键。BIM 技术可以运用物理数据管理和数字化展示功能将数据进行集成并加以利用,当预制构件的状态信息发生变化时 BIM 作为多维数据库并不能及时、完整对其进行记录、处理,未解决上述问题就应升级信息实时跟踪统计技术。

2) BIM 技术应用成本高。据统计,BIM 技术的运用能减少 40% 的预算变更费用和至少 3% 的总成本费用、节省 80% 的预算编制时间,相比于传统建筑,BIM 模式下减少的建筑耗能高达 30% ,这对装配式建筑的绿色建筑和精益化制造意义非凡。然而,BIM通常只运用于结构复杂的大型工程项目,大部分业主还是更重视传统的管理方式———将质量、进度、成本作为重点,忽视新兴的信息化技术的应用,再加上BIM技术应用成本不菲,更加深了人们对新技术的排斥性。

3) BIM软件的适用性。目前,在设计阶段常用的核心建模软件是 Revit,Bent- ley 以及Catia,常用的应用软件都是在国外编程研发,并没有将我国造价定额规则、行业规范等纳入计算规则,在我国的适用性有待提升。

4) 缺乏BIM相关标准。虽然国家建筑业已发布 BIM 六大标准中的三项,各地市也陆续发布一些针对地方的BIM标准,但大多数文件只提到了一些方向性的要求,缺少对管理过程中各环节针对性的描述,例如描述预制构件的信息应包含哪些内容、数字化技术应用标准等关键部分都没有提及。所以基于BIM技术的建筑信息化标准需要统一,进而规范各方行为准则、预制构件信息格式、模型编辑语言及逻辑等。

5) 建筑设计和部品部件标准。建筑设计是项目设计环节中最重要的一环,但装配式建筑与现行的建筑设计标准之间存在很多不一致的地方。装配式建筑需要在设计过程中严格按照模数化标准,方便后续结构构件和部品部件的智能生产工作的展开,没有相关认证标准,则其质量管理就难以进行,更难保证装配后的成品是否可靠耐用。

基于 BIM 的装配式建筑智慧建造应用发展及推进对策

01 基于BIM的装配式建筑智慧建造应用发展

信息化的装配式建筑将会是我国建筑业未来导向。在实际的项目中可以发现,我国进行装配式的建筑项目主要是国家或政府的项目,比如廉租房项目,对于私企投资的商品住宅、大型的商业区就少之又少了,除此之外,装配式建筑的结构形式也比较单一,主要是以钢筋混凝土结构为主。在信息化大时代,装配式建筑就要充分使用BIM技术、VR/AR 等其他可以运用到装配式建筑中的信息化技术,再与装配式建筑各个阶段的数据信息文件相结合,把信息化变成企业和项目运作的助力从而促进整个行业甚至相关其他行业的发展,把装配式建筑有关的企业变成信息数据互通的连贯整体,在当今信息化不断前进的同时,还要完善与其相匹配的标准、协议,以确保装配式建筑持续健康的发展。

02 基于BIM的装配式建筑智慧建造推进对策

① 标准化完善

装配式建筑建造水平也能真实的映射出一个国家的行业标准和国家标准的水平。然而国内标准还不够完备,在生产预制构件时,各个生产单位的生产工具如模板、基座等基本无法相互使用,从而形成预制构件无法进行规模化生产的局面,制定相对完善的规范和标准就变得极为迫切了。首先可以号召高校、企业等本行业的专家、学者积极参与到相关规范的制定如行业标准和国家标准。提倡 BIM,VR 等互联网技术与装配式建筑相结合,朝智慧建筑的方向前进;其次提倡本行业的标杆企业制作本企业的标准,而国家标准低于企业标准,更能促进装配式建筑向智慧建造的方向发展。

② 自主开发软件平台与生产工艺创新

在自主创新上,要坚持科研创新,创新是促进技术发展进步的核心力量,关注装配式建筑相关技术的研发、装配式建筑实验室的建设,同时提倡学校与企业共同努力解决关于施工一线上遇到的关键瓶颈技术。要坚持改革与创新,摒弃原有的落后设计观念,积极向信息化、技术化方向靠拢并开创出一套适合自己的信息化流程。

③  培养专业人才

1) 建立装配式建筑实训实践基地。

尽可能利用高校与企业资源,整合两方人才,提高装配式建筑人才的相关知识和职业技能,从本专业或者本产业出发,争取实现专业或者产业人才所具备的能力与岗位需求相匹配,积极提倡产业的转型,推进专业人才的专业化培训和高端人才输送,为装配式建筑专业人才提供从学校到企业的一站式的人才培养服务,使装配式建筑专业人才的就业不成问题。

2) 互联网 + 教育平台建设。

装配式建筑在一个项目的各个阶段都要海量的数据文件作为基础,对于装配式建筑“三个一体化”的特性,进行BIM 技术与装配式建筑协同的资源库研发显得尤为重要;并且还要充分运用各种云平台为其服务,比如利用互联网 + 技术的视听说优势,使学生如身临其境般学习,教育方式形象直观、灵活可控。同时,要完善人才培养与就业对接的结构机制,以企业实际的需求为根本,装配式建筑行业前景为导向,构造一个学习与企业进行优势互补共同培养装配式建筑综合素质人才的发展体系。

3) 多层次人才结构与人才培养标准。

装配式建筑要想持续健康的发展必须有相对应的各级专业人才来实现,对于实现人才培养的方法可以邀请本行业的知名学者、专家、著名高校的教授为各级装配式建筑人才进行不同方向上的技术、管理讲座培训; 定期进行理论知识、职业技能综合培训,实现装配式建筑人才的发展要求。尽可能提高职业技能水平,把装配式的相关理论、技术和职业道德协同发展,培养高素质人才。

结束语

以 BIM 技术为核心搭建参建单位多专业协同的 BIM管理平台结合其他的互联网技术协助于装配式建筑可及时获得项目的相关信息并传输到项目每一个参与方,便于提升决策的速度与质量,但是在我国 BIM 技术的软件单独使用情况比较严重,缺乏软件之间的联系应用,只关注预制构件前期的质量而忽略了项目的一体化研究。装配式建筑将作为建筑业未来的方展发向,再通过建筑信息化的协助,将会推进装配式建筑快速发展,但 BIM 的装配式建筑智慧建造过程中仍存在很多问题亟待解决。

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