基于BIM技術的裝配式建筑設計階段協同度評估

孫 少 楠，孫 冰 冰，吳 家 偉

(華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046)

目前，由預制構件構成的預制裝配式建筑在中國建筑行業已形成了新的發展趨勢。雖然預制建筑在一些發達國家得到了廣泛的研究和應用，但由于各國的特殊性，中國的預制建筑應用推廣仍具有一定研究價值和意義[1]。與傳統現澆混凝土建筑相比，預制裝配式建筑提高了施工精度，增大了產品質量的可預見性，極大地縮短了施工時間，降低環境污染，并且現場施工人員數量也較少[2-3]。裝配式建造模式是我國建筑業發展的必然趨勢，由于其建筑構件工廠預制、現場拼裝的施工特點，在建筑性能、建造技術、管理模式、施工方案等方面需各個參與方及時有效溝通，形成一個協同管理平臺，加強組織之間的溝通與協作[4]。而BIM模型作為近年來工程項目的協同工具，促進了工程項目各階段的信息交流，使各階段信息完全透明。BIM模型同時也推動了整個工程項目建設周期的進程，加快了施工效率，故越來越多的管理者借助BIM將協同思想應用到工程項目建設中。但基于BIM的協同管理流程實施的效果并沒有明確的案例數據，故對其協同效果進行測度是當下需解決的問題。

現階段學者們多是分階段、分流程研究BIM與裝配式項目之間的協同。王巧雯等人構建了BIM一體化多專業協同設計流程框架，為設計階段多專業的高效協同提供有益的方法借鑒[5]。徐照指出利用BIM技術能夠實現生產過程中各利益相關方或參與方的協同工作[6]。劉寧等人指出在施工管理中引入BIM協同平臺，在保證質量的同時，加快了施工進度[7]。王威威運用序參量原理，對項目管理協同度進行定性分析和定量研究，完善了項目管理的協同理論[8]。黃珺根據建筑工程運行維護階段的工作實際，基于BIM環境設計了建筑工程運維管理系統，初步實現了運維協同管理的可視化[9]。BIM技術協同機制相對其最初發展階段也逐漸成熟。張如翔提出基于BIM技術的工作機制的層次架構，促進了產業整合與流程管理的升級[10]。關于BIM與工業化建筑全流程協同，段羽和劉喆提供了理論支持，深層次挖掘BIM技術在裝配式建筑中的應用價值，從本質上分析了裝配式建筑“設計—加工—裝配”過程的BIM協同應用問題及對策[11]。鐘煒等人通過分析影響公建項目多參與方合作關系的因素及其相互作用機制，建立了基于BIM技術情景下多利益方協同要素測量表，確定了影響多利益方協同的主要因素[12]。Beata Grzyl，Emilia Miszewska-Urbanska指出由于建筑投資過程中利益相關者之間共享信息的高效性，BIM在投資設計的初始階段消除了項目中的錯誤、碰撞、重復和遺漏問題[13]。此外，序參量理論的應用也很成熟，舒波、曹旸等人以河北省典型縣域為例，基于不同產業，從規模、結構、績效三方面建立了協同度測度指標體系，為河北省縣域發展提出指導性建議[14]。吳笑等人基于協同學原理構建了協同創新的協同度測度模型，驗證了成都市WSC協同創新復合系統具有正的協同度[15]。

本文以BIM技術與裝配式建筑的協同效用作為出發點，結合具體案例，從軟件協同、專業協同兩個方面選取相應指標對裝配式建筑設計階段兩者的協同效果做測度分析。

1 協同論

1.1 協同理論

協同理論作為系統科學的重要分支，是20世紀70年代綜合多學科的研究逐漸形成和發展起來的一門新興學科。它的主要特點是通過類比對從無序到有序的現象建立一整套數學模型和處理方案，并推廣到更廣泛的領域。

哈肯在協同論中，闡述了臨界點上下波動的情況，總結了慢變量支配原則和序參量概念，認為事物的發展受序參量的控制，發展的最終結構和有序程度取決于序參量。序參量作為一種狀態參量，它是系統內部各子系統間相互作用下的產物，其狀態在一定程度上反映和支配著系統的協同水平。若將裝配式建筑建設過程作為一個系統，該系統下又分布幾個子系統，子系統之間的實施特點、技術要求不同，所需資源和信息也不同。為了使整個項目在確保施工質量、施工效率的基礎上有序進行，需要信息的實時交換和資源的及時調整，故子系統的協同狀態影響著整個系統的發展。

1.2 BIM協同論

裝配式建筑的設計階段要做好方案設計、初步設計、施工圖設計、構件加工圖設計、預制構件設計、構造節點設計。初步設計要結合不同專業間的技術重難點，完善協同設計；預制構件的設計要考慮各專業管線和設備所需預埋位置，也要考慮預制構建對成本、進度的影響；施工圖設計在考慮預制構件的預埋預留位置的同時要注意構件之間的連接節點；構件加工圖設計時，設計單位需要與預制構件生產單位協商，滿足各專業對預制構件的設計需求。為保證整體設計質量，除了盡量標準化、模塊化之外，還應注意預制構件運輸過程、現場吊裝條件、吊裝設備等對預制構件的影響。

在項目全生命周期的各個階段，需要各參與方之間的高效協調，提高建設項目的運行效率，協同過程如圖1所示。BIM技術作為信息集成的工具，為裝配式建筑各階段施工搭建了溝通的橋梁。如：在設計階段，通過BIM協同平臺整合施工后期預制構件的關鍵點，進行綜合性深化設計，提高預制構件可控性；在施工階段，基于BIM協同平臺實時了解項目進度，及時對不合理施工計劃做恰當的調整。BIM技術與裝配式建筑之間相互影響、BIM技術的更新、裝配式子系統之間的不平衡性特點等影響著整個系統的協同效果，序參量原理適用于裝配式協同建設過程。

注：① 代表先協同，② 代表后協同

圖1 BIM協同設計思路

Fig.1 The composition of BIM collaborative design thought

BIM錄入各專業建筑信息后，各單位在各階段可隨時提取及應用完整數據，為信息共享提供了契機。設計人員通過BIM對預制構件三維模型的分析與模擬消除了設計誤差、提高了設計效率和質量，深化了各參與者之間的協同交流。BIM將一系列的技術與組織方案相結合，從而提高預制構件設計質量、運營效率等。

2 基于BIM的裝配式建筑設計階段協同度測度模型

2.1 子系統與序參量分析

假定裝配式建筑建設協同過程是一個系統，鑒于其建設過程需多角色參與，子系統可分為階段性協同、軟件協同、專業間協同、項目參與方之間的協同。階段性協同包含初步設計階段、施工圖設計階段、預制構件分割與制造階段等。軟件協同主要保證設計階段運用的BIM軟件之間信息模型的交互率。專業間協同則為保證設計的完整性，將建筑、結構、電氣、給排水、暖通等專業之間需要相互配合的“條件”提前擬列出來，減少預制構件的變更率、資源的浪費，保證預制構件拼裝的效率。參與方之間的協同、階段性協同與專業間協同在設計階段有著相互影響且不可分割的重疊因素，各階段設計要統籌考慮各專業之間的因素，設計單位在考慮多專業因素的同時也要滿足各參與單位對預制構件設計的要求，故在測量BIM技術對裝配式建筑協同度的影響時，只考慮專業協同和軟件協同兩個子系統。

裝配式建筑需要從初步設計階段統籌考慮預制構件的加工生產、施工安裝、重復利用等一系列問題，并在設計過程中與建筑、結構、給排水、暖通等專業設計師緊密溝通，進行全專業、全過程的一體化設計，實現裝配式建筑的標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理的整體目標。專業間協同與階段性協同、參與方協同完成后，為實現三維模型的可視化、信息透明化，進而對軟件之間的信息傳遞提出更精準的要求。子系統之間相互影響作用，其協同效用直接影響系統整體協同度。為使系統的整體效用達到理想狀態，必須保證各子系統之間的穩定性。

主要通過觀察序參量的演化來測量子系統的協同度。以軟件為例，其協同效用的高低主要看不同軟件之間信息傳遞的正確性、完整性、傳遞效率、設計提升能力等，則將這些影響軟件協同率的因素作為該子系統的序參量，同理將影響專業協同并支配系統協同水平的因素作為子系統的序參量，例如返工率、設計方案優化能力、信息協同效率等。

2.2 功效函數確定

假定基于BIM裝配式建筑實施過程中的軟件協同，專業協同為Sj,j∈[1,2]，子系統演化過程中的序參量變量為eji=(ej1,ej2,…，ejm)，βji≤eji≤αji，其中j=1,2,…,n,i=1,2,…,m。α與β為系統穩定區域臨界點上序參量變量eji取值的上限和下限，上下限的取值要結合系統的實際情況。將序參量變量對協同系統有序度的功效函數系數用PE表示，且0≤PE≤1，即效用函數理想是取PE=1，最差時取PE=0。序參量變量對系統影響的功效一般分為兩種情況：一種是效用值越大越理想，另一種是效用值越小越理想。由此序參量分量eji對子系統Sj有序度功效用函數PEj(eji)定義如下：

(1)

2.3 子系統有序度計算

綜合功效函數組成，序參量變量eji對子系統Sj有序度的“總功效”，采用功效函數PEj(eji)的集成和整合方式來表示。集成的方法根據系統的組成結構，一般選擇的方式為幾何平均法和線性加權求和法。本文在確定有序度時，假設每個子系統之間及相應的序參量變量權重相等，故對子系統的有序度計算選用幾何平均法。綜上所述，對每個序參量分量eji的功效系數進行集成,求其幾何平均數,得各子系統間的有序度

(2)

式中，PEj(eji)介于0和1之間，所以該子系統Sj有序度OEj(Sj)∈[0，1]，OEj(Sj)數值越大，子系統的有序程度越高，對整個系統Sj的貢獻率越大，反之就越低。當OEj(Sj)=0時，有序度極小，極不理想；當OEj(Sj)=1時，有序度極大，達到最大理想值。

2.4 計算協同功效

將基于BIM裝配式建筑設計階段協同過程中的所有子系統相互影響作用后呈現出的整體有序度定義為協同功效，仍然選用幾何平均方法對所有子系統的有序度進行計算，可得到該協同系統的綜合協同功效，公式為

(3)

2.5 協同度分析

對該協同系統進行測度時，需要剔除系統之間無法量化的差異性因素。因為子系統之間是相互影響作用的，當其中一個子系統發生變化，另一個子系統的有序度也可能會受這種改變的影響，最終系統的整體協同功效會向不理想狀態演變，達不到協同理想值。為了使這種影響程度降到最低，故選用標準離差率D消除計算結果的偏差，得到項目的協同度，公式如下：

(4)

(5)

式中，(1-D)表示子系統間的有序匹配度；CI表示基于BIM的裝配式設計階段的協同度。

2.6 協同度測度指標分析

根據以上分析，以及對國內外大量文獻的歸納總結，確定子系統的分析指標為軟件協同與專業協同，將這兩方面作為協同度模型的一級測量指標，來評價BIM技術對裝配式建筑的協同能力，具體分析如下。

2.6.1軟件協同

BIM軟件之間的交互性是保證裝配式建筑協同設計的基礎性指標。一個建筑項目從規劃、設計、生產、運輸、施工到后期運維的過程中需要建模、碰撞、分析、計算、管理等多種軟件。BIM不止是一個軟件的事，準確一點說BIM不是一類軟件的事，而且每一類軟件也不止一個產品，故一個完整的工程項目的設計過程用到的BIM軟件數量就有十幾個[16]，如：CAD、Revit、Navisworks、PKPM、Tekla Structure等。這些軟件內部數據結構不盡相同，難以進行數據交換，從而會形成信息孤島，違背了BIM的初衷，無法實現建筑全生命周期過程中的信息共享與轉換[17]。

BIM軟件期初是通過不同的數據格式進行信息交換與共享(見圖2)，雖能進行不同軟件之間的信息傳遞，但信息的完整性不能保證，傳遞效率也不高，信息交互率低。為解決此類問題，很多學者開始研究將不同軟件的數據轉換為同一類型數據格式，以提高不同軟件之間數據共享率。最早由buildingSMART研發的IFC(Industry Foundation Classes)標準為BIM軟件之間的信息交互打開了一條新的道路，能使不同的應用軟件通過標準的數據接口，進行深一層次的數據交換和共享。賴華輝、鄧雪原、劉西拉自主研發了基于IFC的結構模型服務器與基于IFC的BIM協同平臺，為解決項目過程中的數據交互提供了有效路徑[18]；滿慶鵬，孫成雙研究了IFC標準對所需信息的表達方法進行研究，建立了各自的模型，為促進建筑施工過程中不同專業的信息共享和協作提供了支持[19];高秋亞、高新聞建立了基于IFC標準預制構件生產信息模型，有效提高了數據信息的管理以及協同工作效率[20]。與其他類型的數據格式相比，IFC標準更適于裝配式建筑的協同設計，它不依賴于某一特定的軟件，有很高的開放性、穩定性、完整性。

圖2 BIM軟件之間的交互方式

雖然相對之前的數據轉換方式有了一定的提高，但IFC標準在數據轉換過程中仍會出現信息丟失的問題。為使基于IFC標準的BIM數據共享與交換效率更高，IFC標準現已完善為IFC4.0使信息傳遞的效率加快，正確率、完整性更高。

2.6.2專業協同

設計階段包含多個專業如建筑、結構、電氣、給排水、暖通、動力、智能等，每個專業又涉及多個參與人員，且各專業各參與人員之間又是相互依賴的，一方需要其他方的資料信息、實施圖紙等，任一方修改變更都會影響其他方的正常工作。若不能及時傳遞變更信息，各專業各參與人員之間會出現無序狀態，造成問題擠壓，且解決效率緩慢?？梢?，協同工作對于設計階段以及裝配式建筑的重要性。

BIM模型的核心不是模型本身，而是集成信息與工作協同。設計階段各專業各參與人員可從BIM模型中及時獲取所需的設計參數和有關信息[21]。

裝配式建筑的各專業及各參與人員通過BIM技術集成平臺，進行專業間信息傳遞與交換。設計時將裝配式建筑全生命周期所有因素進行分析，如預制構件受力分析、可裝配性、不同構件鋼筋碰撞問題等，減少了后期變更，提高了實施效率。

3 案例分析及協同能力計算

3.1 BIM應用過程

3.1.1三維模型建立

以某裝配式建筑為例，工程總建筑面積達270 100 m2，由23棟樓組成。該項目一標段是為解決公務員住房問題而建設的一期周轉房，是率先開工的全裝配式住宅。該項目包含的預制構件種類有：樓梯、樓梯隔板、陽臺板、空調板、疊合板、外墻板、內墻板。三維模型見圖3。

在構建裝配式建筑三維模型之前，為了保證協同度的最大化，首先進行建模工具的選取。

選擇Revit 2018為主要建模工具，以它為信息傳遞的核心。因為Revit 2018具備全專業的多項功能集成作用，建筑、結構、機電三合一，可進行建筑設計、結構設計以及設備設計的專業性參數化建模，形成數據庫集成平臺，為裝配式建筑設計在各階段提供實時、準確的設計信息。其他建模工具如表1所示。

表1 模型工具的選擇

在構建預制構件參數化三維模型時，要考慮各專業各階段的施工要素。以外墻板為例，為檢測其抗震性，考慮其預應力是否達到設計要求；為了保持上下鋼筋連續性，要預設注漿管和預留插筋；為保證構件就位后的穩定性，預制構件設計階段要預埋套筒來連接斜向支撐桿；為保證預制樓板與外墻板連接的整體性，設計時要在墻板上預留樓板拉結筋；考慮到預制樓板的擱置，為增強樓板構件與墻板構件連接整體性，墻板與連接處設置凹槽；為便于施工階段的吊裝，預設外墻板預埋吊件。如圖4～6所示。

圖4 外墻板仰視圖

圖5 外墻板俯視圖

圖6 外墻板三維視圖

3.1.2碰撞檢查實施

在Revit中導出nwc文件，然后導入Navisworks，對裝配式建筑分別進行不同專業間碰撞和專業內碰撞，從而完成對裝配式建筑設計階段的預檢查，如圖7所示。不同專業之間的碰撞檢查：首先要構建不同專業間的集合，可選擇整個項目中的圖元，也能以層為單位選擇需碰撞的圖元。專業內的碰撞檢查：將不同構件分別歸為不同的集合進行碰撞檢查，一般進行預制梁中鋼筋與灌漿套筒之間的硬碰撞、上下兩層豎條外掛墻板之間硬碰撞、梁柱節點鋼筋軟碰撞，預制梁中鋼筋與預埋件之間硬碰撞等等。構建好所需集合，實施碰撞檢查，導出碰撞報告。

碰撞報告即為裝配式建筑預檢查的行為結果。根據導出的碰撞報告，與各專業參與人員溝通問題，可預見并且避免潛在的問題發生。為使裝配式建筑的施工模擬更真實，選用Fuzor2018對全過程模擬，直接導入P6中的進度計劃表，添加機械和人工，模擬場地布置及現場物流方案，提高了施工管理效率。

圖7 裝配式建筑應用BIM設計流程

3.1.3預制構件生產過程

為使構件模型所包含的生產相關信息，能夠更有效地指導構件生產過程，將裝配式建筑預制構件深化設計在生產階段進行。結合多專業對預制構件提出的建筑需求以及工廠自身構件的生產工藝的需求以及施工吊裝的需求，對預制構件進行深化設計。所有與生產相關的信息均可從BIM模型中提取，讓生產人員對生產信息進行直觀、快捷的管理。

3.2 協同度測度指標體系建立

為驗證該案例中BIM技術對裝配式建筑的協同效果，本文借用功效函數進行協同能力計算，選取具有代表性的指標作為序參量，以軟件協同、專業協同為一級指標，選取22個二級指標對裝配式建筑的設計階段的協同能力進行計算。

通過大量閱讀相關文獻，結合項目具體實施現場存在的問題，建立了基于BIM技術的裝配式建筑協同度測度的指標體系，具體見表2。表3進一步對指標進行了解釋說明。

表2 裝配式建筑設計階段協同度指標

3.3 設計階段協同度分析

為了將裝配式建筑設計階段的協同程度更清晰量化，將協同度等級劃分為5個等級，具體見表4所示。

基于BIM技術裝配式建筑設計階段的協同度分析，結合實際實施過程，以定性指標為主建立指標體系，并通過專家打分法獲取數據，其中，各序參量變量的效用值打分區間為(0，1)，具體見表5。并根據序參量數值計算出了該項目子系統的效用系數、有序度、綜合協同能力等參數，具體計算結果見表6～7。

表3 序參量分量指標解釋

表4 協同度等級劃分

表5 序參量數值分析結果

表6 子系統效用系數

表7 子系統其他相關參數

4 結 論

該案例協同度計算值為0.622，按照協同度等級劃分的原則，協同效果一般。雖BIM技術對裝配式建筑的設計階段有一定的促進作用，但無論是在軟件協同還是專業協同，協同能力都屬于一般狀態，與理想狀態還有一定的差距。整體來看，該項目運用BIM技術的協同能力還需要提高。主要結論如下：

(1)該案例應用的BIM軟件中，支持IFC標準數據格式的軟件太少，且IFC在信息傳遞過程中也會造成信息丟失，故BIM技術應加大對IFC格式文件的支持力度，完善軟件對IFC數據的輸入與輸出，降低信息丟失率。

(2)Revit協同主要是多專業在設計階段的集成，相比傳統的裝配式建筑的運營模式，BIM技術優化了裝配式建筑的設計流程，有一定效果，但不是特別突出。結合案例最終的協同效果，BIM技術也有待完善，BIM技術人員應開發針對裝配式建筑特性的BIM軟件，建設開放性BIM數據接口，增強信息共享與轉換的效率，以便更加高效地發揮BIM技術的協同優勢。