BIM在新型建筑工業化全過程應用與展望

楊濱赫, 周慶旭, 吳金鈦, 周麗娜, 程 棟

(1. 中建二局安裝工程有限公司,北京 100038; 2. 中核工程咨詢有限公司,北京 100038; 3. 中央戲劇學院,北京 100010)

[通信作者]周慶旭(1993—),男,碩士,工程師,主要從事BIM技術和智慧建造應用研究工作。

0 引言

以裝配式建筑為代表的新型建筑工業化在建造周期、部品構件運輸、節能環保等方面具有明顯的優勢[1]。隨著物聯網、大數據、VR/AR等信息技術的發展,以信息技術為特征的新型工業化,通過工程全生命系統化集成設計、部件工廠化生產、精益化生產施工為手段,推動傳統建筑行業向信息化、數字化轉型升級,實現建筑行業的高質量發展,進而實現建筑產業現代化的發展目標[2]?！笆奈濉币巹澲?BIM技術與新型建筑工業化成為未來建筑行業的大力推廣方向。

目前,在政府政策引導,各個行業協會、團隊組織和企事業單位等相關方共同努力下,BIM技術在國內工程中的應用越來越多,尤其是在上海、深圳等地區。從水平上講,BIM技術在政策標準、落地應用、插件開發、協同管理等方面的應用環境日趨完善。從深度上講,BIM技術在項目管理、方案模擬、三維建模、管線綜合、性能分析、工程量計算、協同平臺等應用已經覆蓋項目全生命周期;從廣度上講,BIM技術已經覆蓋到設計、施工及運維的全鏈條中。

BIM技術與新型建筑工業化深度技術融合,充分發揮各自的技術優勢,實現工程建設領域向工業化、數字化、現代化轉型升級(圖1)?；诠こ添椖考苫瘮祿芾硪约靶畔⒒瘋鬟f方式,并結合三維化、可視化和信息化的優勢,BIM技術使裝配式建筑實現可視化設計、數字化生產、精細化施工、信息化運維和協同化管理,從而解決裝配式建筑在整個建設開發周期中全過程管理應用。

圖1 BIM技術與建筑工業化融合發展示意

目前,雖然專家學者對國內BIM技術與在建筑工業化應用中進行了相關研究,然而大多數研究仍然停留在BIM功能應用層面,例如各專業三維建模、管線綜合、凈高分析、工程算量等,對在“十四五”的新形勢下建筑工業化迅猛發展與BIM技術有機結合的問題分析和前景展望不夠深入。

在目前,完整的基于BIM技術的新型建筑工業化全過程應用體系實現路徑并不明確,本文將圍繞BIM關鍵技術在新形勢下建筑工業化的設計、生產、施工及運維全過程應用價值進行探討,從而實現設計優化、標準化生產、施工模擬及智能運維,整體過程見圖2。

圖2 BIM在新型建筑工業化一體化應用示意

1 BIM在新型建筑工業化中全過程應用

1.1 設計階段

建筑工業化的首要條件就是要實現項目設計的標準化。借助BIM技術,工程項目通過數字化方式將建筑、結構、機電、精裝等各專業有效整合集成分析,從而幫助設計師實現全專業協同設計,并優化機電管線布置方案,提高施工圖設計質量,避免由于設計源頭階段不合理導致設計變更,降低后續返工成本,從而提升項目設計效率和設計質量。

在項目設計階段,通過數字化設計手段推進建筑、結構、機電、精裝等多專業進行一體化設計,全盤綜合設計優化[3]。BIM技術可以實現不同專業設計工作在同一虛擬三維信息空間中完成,進而實現三維集成協作設計、空間優化、減少錯漏碰缺。

新型建筑工業化特征之一是部品構件的數字化、信息化、標準化。在項目設計階段,部品構件預留負責生產、施工、運維等后續階段添加信息的接口,方便隨著工程的進行,各種數據信息的及時添加。BIM可以針對項目建造中的構件建立參數化標準件族庫,標準化部品部件,能夠添加構件的材料信息、生產產地、尺寸信息、安裝位置等屬性信息,從而實現標準構件設計統一性。

1.2 生產階段

建筑工業化的首要前提是部品構件生產標準化。在部品構件生產階段,質量控制的重點主要包括部品構件的數字化設計和規?；a。利用BIM技術,廠商能夠實現對預制構件快速拆分設計及編碼,隨時查看預制構件的位置、材料、尺寸等與生產相關的屬性信息,通過BIM平臺實現設計數據自動對接,可以實現構件信息準確輸入,從而實現構件的精準管控和生產,從而建立專業化、規?；?、信息化的部品部件生產體系。

基于BIM技術三維可視化優勢,廠商在模型中模擬構件的虛擬建造流程,針對發現的問題,對生產工藝、施工工序及計劃優化,提高人員、機器、材料的利用率并提高在生產中建造效率,從而進行生產指導和生產設備及模板設計,提高生產的準確性并減少加工制作的錯誤率,實現構件的數字化設計。

1.3 施工階段

在施工階段,質量控制主要體現在對部品部件的質量檢驗和構件裝配過程的精度控制。借助RFID芯片或二維碼等多種方式,廠商能夠在控制中心中實時呈現原材料的入庫檢驗、生產過程制造檢驗、部品倉儲入庫、部品運輸跟蹤、現場施工裝配全過程信息顯示,從而實現部品構件質量全過程可追溯[4]。

通過將編制好的施工進度輸入到BIM模型中,實現項目空間信息與時間信息有效整合,從而能夠直觀、精確地反映施工建造過程,提前暴露總體計劃、場地布置、施工工序等問題,并進行及時優化,從而實現虛擬建造、優化布置。

部品部件施工階段另一要點是對施工關鍵節點的質量控制。借助BIM技術,將裝配式施工技術方案梯級優化,裝配式單元模型逐個分解,在動畫模擬軟件中進行施工全過程的虛擬動畫預演,形成技術性的指導視頻,內容包含過程追蹤、生產運輸、吊裝步驟、安裝細節等,能夠很大程度上提高預制部品部件的驗收效率,降低項目成本損失。

1.4 運維階段

隨著時間推移,建筑運維文件管理繁瑣復雜,間接導致數據遺失或者缺漏,尤其對于眾多模塊化部品部件。將建筑信息集成到BIM模型中,構件建筑信息數據庫,能夠方便管理人員查閱、核實,同時對過往維修、事故點側重關注?；贐IM的三維可視化特點,管理人員能夠實現各種建筑資產的定位和相關參數精準定位、快速查閱、遠程控制[5]。

與設計和施工階段相比,運維階段更注重數據信息提取和管理。建筑中設備編號、安裝順序、關鍵部位等信息,添加到其相對應的BIM運維模型屬性中,甚至能夠將設計階段、施工階段及后續運營產生的一些信息整合分析,在BIM數據平臺進行綜合分析,從而實現數據共享、協同管理,提高工程項目的運維管理效率。

2 存在的問題

2.1 BIM發展理念有待轉變

新時代背景下,建筑工業化最重要的特征就是信息集成應用,通過BIM、物聯網、云計算、大數據、移動互聯等信息技術對建筑產業鏈上全要素信息進行采集匯聚和分析,促進智能建造與建筑工業化協同發展,也是中國建筑行業邁向“建造強國”的必經之路。

對于BIM的認識大多停留在機電深化設計、施工方案模擬、投標方案模擬和碰撞檢查等專項技術應用點,而忽略BIM技術本質是模型數據協同、共享。BIM軟件即建筑信息模型,具有仿真性、參數性和數據性的一個工具。國內企業設計理念仍然采用傳統的CAD進行設計,借助平面、立面、剖面及詳圖等二維圖紙進行工程表達。即便建立了相應的BIM模型,最終還需要導出二維圖紙交付施工,也很難將BIM模型中信息落到實處[6]。

2.2 BIM核心軟件安全性有待加強

集成建筑工程中各項信息數據的BIM模型必將是各類數據重要來源,涉及個人、企業和國家的諸多利益。目前就而言,BIM核心應用軟件主要集中在Autodesk、Bentley和Dassault三大平臺。國內BIM軟件廠商研發分布在結構分析、工程造價、規范驗算等專項領域,而在核心方面鮮有涉及。由于國際間局勢復雜多變,信息安全作為國家安全體系重要組成部分,過度依賴國外軟件對我國建筑信息安全帶來長期隱患。隨著城市建設數據和運維數據的日積月累,國產核心建筑信息軟件研發迫在眉睫。

2.3 BIM在建筑工業化中現行標準和評價體系有待完善

當前,“十四五”規劃的發展方向和提綱明確把BIM技術和裝配式列為重點發展方向。而在此背景下,BIM技術在建筑工業化標準化生產中存在應用標準不統一、產品兼容性不強、實施標準和規范尚未健全等問題。因此,相關部門應盡快制定相關規范和標準,以應對BIM技術在新型建筑工業化過程中無法可依的局面。除此之外,提供一套完整的BIM在建筑工業化全生命周期應用的實施指南和合同范本是很有必要的,可為相關企業提供借鑒和指導。

3 前景展望

3.1 BIM+裝配式建筑+總承包模式成為趨勢

EPC(總承包模式),即“設計+采購+施工”模式,實現工程項目全過程管控,具有建設責任明確、工程建設效率高、建設投資少、現場管理壓力小等諸多優勢[7];而以裝配式建筑為代表的新型建筑工業化更是得到了政府和行業的大力推廣。以BIM技術集成協同管理為媒介,融合EPC模式全流程把控和裝配式建筑一體化建設優勢,BIM+裝配式建筑+EPC模式能夠最大化統籌裝配式建筑一體化建造全過程與工程總承包權流程管理,從而實現項目資源全過程的高效配置,實現我國新型建筑工業化和數字化的深度融合[6]。

3.2 BIM技術與其他信息技術融合發展

未來建筑實現信息化,多種技術間的集成與融合是必然之路。隨著大數據、VR、區塊鏈、云計算、物聯網等信息化技術的日趨成熟,BIM技術與時俱進,不斷與這些新信息技術深度融合和應用,從而助力整體建筑行業向信息化、智能化、數字化轉型升級。各技術的集成與融合,基于規范標準下的協同作業將完善建筑行業整體市場及BIM運維市場[8]。

充分發揮BIM與GIS、大數據、云計算、物聯網等數字技術的集成應用,構成以BIM模型為數據載體的城市數字建筑“細胞單元”。

3.3 BIM技術推進城市信息模型(CIM)基礎平臺建設

BIM技術不僅局限于原有專項應用,而是拓展到城市規劃、運行服務、應急防災等多個方面。隨著智慧城市建設成為政府一大工作要點,以BIM為核心的建筑業信息化技術的與時俱進,結合物聯網、大數據等新信息技術,將海量的城市信息數據與城市建筑模型融合,形成虛實結合、協同治理、迭代優化的新形態,開辟新型智慧城市治理新模式[9]。

目前,天津、沈陽、浙江、江蘇、河北、廣東、湖南、甘肅等地多個政府部門已明確表示大力推進CIM平臺建設。平臺以海量底層數據為基礎、以三維數字模型為核心,以模型軟件為工具,在真實城市地理信息模型基礎上建立地下建筑、地下管網、地面建筑、綜合管廊、路政設施等城市部件三維數字模型,構建數字表達、治理城市三維基礎空間數據,推動數字城市和物理城市同步規劃和建設。

3.4 搭建BIM智能建造平臺

智能建造平臺應用在節約成本、提高項目運行效率、協同管理等方面效果顯著,將是現階段乃至未來BIM發展的重要環節。借助BIM技術,實現信息化管理貫穿建筑工業化全過程,帶動裝配式建筑上下游企業有機結合,實現項目信息在建筑全生命期的高效傳遞、交互傳遞,從而聚合裝配式全產業資源,發揮建筑工業化的規模效應作用[10]。

4 結論

BIM技術由于其信息化、模塊化、可視化等特點必將在我國建筑工業化進程中發揮關鍵作用。BIM技術在新型建筑工業化全生命周期的集成應用,實現部品構件設計、生產、施工、運維等階段的信息互聯互通和協同共享。同時,BIM在建筑工業化應用過程中存在發展理念、軟件安全及標準不健全等問題。BIM+EPC模式、BIM+CIM、智慧建造平臺將成為BIM未來發展趨勢。

“十四五”背景下,BIM與建筑工業化的結合,在未來必將會有效提高建筑行業全產業鏈資源配置效率,加速中國建筑工業化模塊化、信息化、智能化進程。