装配式工程总承包项目BIM技术成套应用

1.装配式工程总承包项目实施痛点分析

1.1 装配式建筑工程总承包模式阐述

装配式建筑区别于传统现浇建筑，具有精细化程度高、高协同要求、低容错率的特点。传统建筑多采用的平行发包模式，因各参建单位协同差、数据无法对接、设计施工脱节等缺陷给项目完工带来较大风险。为避免平行发包带来的系列问题，住建部要求政府投资的装配式工程应带头采用“设计-采购-施工”（EPC）或“设计-施工”（D-B）工程总承包模式。

以EPC（Engineering Procurement Construction）工程总承包为例，它是指公司受业主委托，按照合同约定对工程建设项目的设计、采购、施工、试运行等实行全过程或若干阶段的承包。在总价合同条件下，对其所承包工程的质量、安全、费用和进度进行负责。装配式建筑EPC工程总承包的实施流程、工作内容如图1所示。

1.2 装配式建筑EPC工程总承包实施环节的痛点分析

1.2.1 设计阶段

1.2.2 构件生产阶段

1.2.3 构件运输阶段

1.2.4 施工阶段

1.2.5 综述

从四个工作环节痛点分析得出，实施过程存在的问题主要集中在两方面，一是各单位、各部门之间缺少有效协同，数据共享不充分，问题层层传导，成本层层递增现象严重，例如构件设计的不合理，导致构件生产成本增加，又导致构件运输损坏率增高，进而导致现场施工推进困难；二是传统设计、培训方法工作有效性弱，各类情形难以考虑周全的缺陷。

基于现状，BIM技术非常适合当前我国装配式建筑项目发展需要。若是由总承包单位牵头，组织各参与单位围绕同一平台，共享同一建筑信息模型，结合BIM信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性的优势对整个项目进行总体设计，全面安排协调运营，就可解决绝大多数此类问题。

2.装配式建筑BIM技术应用体系分析比对

2.1 设计阶段装配式建筑BIM相关软件功能比对

2.2 构件生产阶段装配式建筑BIM相关软件功能比对

2.3 施工阶段装配式建筑BIM相关软件功能比对

2.4 装配式建筑BIM技术应用体系设计

在设计阶段需确保全专业BIM模型（包括钢筋模型）方便快捷的建立和便于进行综合深化设计，应综合比选BIM软件在标准结构构件建模、标准结构构件钢筋建模、预埋件建模、建筑装饰建模、管线及设备建模、与其他软件交互、构件碰撞检查、钢筋碰撞检查、出图等方面的能力；在构件生产阶段需确保能够根据构件模型设计模具模型，并可与工业设计软件实现交互，应综合比选BIM软件在模具建模、与工业设计软件的交互的能力；在构件运输阶段需确保模型信息的联动性和完备性，应综合比选BIM软件在信息完备性上的能力；在施工阶段需确保能够使用之前所完成的BIM模型，进行三维场地布置、施工方案模拟、施工进度4D模拟，应综合比选BIM软件在与其他软件交互、三维场布模拟、施工方案模拟方面的能力。考虑到我们硬件条件的有限性，选取Autodesk和Bentley双体系作为装配式建筑BIM技术应用体系的主要BIM软件，装配式建筑BIM技术应用体系如图2所示。

图2 装配式建筑BIM技术应用体系

3.应用实例

3.1 项目概况

该项目是装配式EPC工程总承包项目，总建筑面积263283.52平方米，地上建筑面积219575.96平方米，地下建筑面积43707.56平方米，由多层公共建筑和高层住宅组成，分为三个标段依次开工。其中高层住宅建筑三十二层，地下一层，建筑高度97.35米，结构形式为剪力墙结构；多层公共建筑层高不一，结构形式为框架结构。

3.2 项目装配式方案

项目整体预制率达30%，高层住宅采用装配整体式剪力墙结构，其中地下室及底部（大部分为1-3层）为现浇，以上为装配整体式剪力墙结构，预制构件种类包括预制外墙板、预制叠合板、预制楼梯板、预制隔墙板，如图3所示；多层公建采用装配整体式框架结构，其中地下室为现浇，以上为装配整体式框架结构，预制构件种类包括预制框架柱、预制框架梁、预制楼梯、预制叠合板、预制外墙板。

本项目构件拆分、深化设计、构件生产、构件运输、施工均不采用分包，为总承包单位自行实施。考虑到本工程工期要求紧，质量要求高，特别是构件拆分深化设计、构件生产尚为首次，为提高各单位之间的整体协作能力，减少因传统做法和信息不对称导致的各类问题，总承包单位决定在项目推进全过程采用上文所提及的装配式建筑BIM技术应用体系。

图3 某单体高层整体BIM模型和预制构件BIM模型效果

3.3 设计阶段应用

3.3.1 施工图深化设计

根据本项目建模标准建立全专业BIM模型，通过BIM技术进行深化设计应用，使整个深化设计过程变得更为直观、精确。在深化设计过程中，查找施工图的“错、漏、碰、缺”等各类问题,进行图纸优化、施工协调和预算纠偏等工作。本项目共检查出土建设计问题76项，机电设计问题32项，部分如图4所示。

图4 施工图部分问题报告

3.3.2 拆分设计

（1）拆分原则

·安全性原则：建筑安全是建筑物最重要的要求，保证装配式建筑的结构安全是拆分过程中的基本原则。

·经济性原则：对构件的拆分要求尽量标准统一，增加模具的重复利用率，降低生产综合成本。同时，还要考虑构件运输，例如目前所采用的运输车辆大多为半挂车，其标准荷载吨位一般为30t，根据所拆分的构件，选择合适的车型，在运输过程中降低成本。

·可操作性原则：节点设计科学合理，构件大小重量适中，充分考虑施工现场施工的便易性。

（2）施工图BIM模型拆分标准

将施工图BIM模型按照楼栋-楼层-专业的方式进行层层拆分，如图5所示。考虑到计算机性能，模型所包含的信息，随着层级越往上越精简，最底一层的模型为包含大量信息的模型，总体模型则为仅包含各子项外形及关键信息的轻量化模型。具体模型生成方式如下：①底层模型：混凝土结构模型、施工措施模型、建筑模型、机电模型，格式为Revit，钢筋模型格式为ProStructures；②标准层/非标准层总体模型：将Revit模型导入ProStructures中整合，形成标准层/非标准层总体模型。③整栋总体模型：将标准层/非标准层模型进行拼装，形成整栋总体模型。④小区总体模型：将每栋的模型导成轻量化格式，组合成总体模型。

图5 装配式建筑BIM模型拆分

（3）拆分流程

图6 拆分流程与多层公建拆分模型展示图

3.3.3 构件深化设计

将PC构件和现浇结构导入ProStructures建立钢筋模型（如图7所示），模拟实际情况进行施工设计，主要应重点关注的问题包括：①预制构件是否能正常组装：预制构件外形设计完成后，在组装时可能会出现预制构件拼接冲突或不协调等问题，特别是在拐角、标高变化部位容易出现；②预制构件结构钢筋与埋件之间的碰撞（如图8）：加入预制构件的施工埋件影响钢筋布置，需要调整钢筋或施工埋件位置避免碰撞；③预制构件外伸钢筋之间的碰撞（如图9）：各预制构件完成钢筋布置后，在组装时可能会出现预制构件外伸钢筋之间的碰撞问题；④预制构件与机电机电管道及埋件是否遗漏错误（如图10）：需要考虑在预制构件上的预留预埋，避免现场开槽情况；⑤预制构件的钢筋是否能正常连接（如图11）：局部未钢筋连接问题或现浇层钢筋外露与灌浆套筒位置不对应；⑥预制构件与现浇构件接茬处的模板加工孔是否遗漏。

图7 PC构件与现浇结构钢筋模型展示

3.4 构件生产阶段应用

3.4.1 模具加工设计

传统模具加工一般参照预制构件加工平面图，使用法国达索公司工业设计软件Solidworks进行设计，本项目采用ProStructures，进行PC构件BIM模型与PC构件模具模型的一体化设计，确保模具与预制构件的一致性，如图12所示。

3.4.2 构件加工工艺模拟

采用BIM软件对构件加工工艺进行模拟，确认工序的正确和构件模具的精准度，也便于对构件加工厂职工进行有效培训。

（1）预制叠合板构件加工

预制叠合板构件加工工序为台模清洁、涂油→边模组装、固定→布置受力钢筋→布置桁架钢筋→布置预埋线盒→边模孔洞封堵→浇筑混凝土→振捣→粗糙面处理→蒸汽养护→脱模，如下所示。

（2）预制梁构件加工

预制梁构件加工工序为模板清洁、涂油→底模安装、固定→绑扎钢筋→侧模及端模安装→吊点预埋→吊模安装→端模孔洞封堵→浇筑混凝土→振捣→蒸汽养护→脱模，如下所示。

（3）预制柱构件加工

预制柱构件加工工序为模板清洁、涂油→底模及柱底端模安装→灌浆套筒安装→柱顶端板安装→纵筋安装→固定纵向受力筋→箍筋绑扎→组装侧模→出气口预埋→临时支撑点及吊点预埋→浇筑混凝土→振捣→蒸汽养护→脱模，如下所示。

（4）预制外墙板加工

预制外墙板加工工序为模板清洁、涂油→侧模及底模组装、固定→灌浆套筒安装→绑扎钢筋→布置预埋线盒→临时支撑点及吊点预埋→模具孔洞封堵→浇筑混凝土→振捣→蒸汽养护→脱模，如下所示。

3.4.3 构件检查与预验收

为确保PC构件的准确性，在每个PC构件第一块生产完成后，通过拍照或三维激光扫描，在实景建模软件内创建三维PC构件真实模型，将其导入装配式BIM设计软件中，进行一致性检查。

3.5 构件运输阶段应用

为了建立装配式构件的可追溯机制，在构件生产阶段为各类预制构件植入含有构件几何尺寸、材料种类、安装位置等信息（信息由PC构件BIM模型提供）的RFID芯片，通过RFID技术对预制构件进行物流管理，提高预制构件仓储和运输的效率，具体流程如下：

（1）加工厂制造构件，在构件中加入 RFID 芯片，加入相关信息，需加入出厂日期、构件尺寸、构件所安装位置、构件几何尺寸、材料种类、安装位置、责任人等信息；

（2）构件出场运输，进行实时跟踪；

（3）构件运至现场，进入预制构件堆场前进行入场前扫描，将构件中所包含的信息扫入数据库，同时添加入场时间、验收情况的信息、责任人；

（4）预制构件材料进入预制构件堆场；

（5）劳务职工领取材料进行扫描，同时数据库添加领料时间，领料人员、领取的构件、预计安装完成时间（需1-2人负责记录数据）；

（6）构件安装完后，由劳务职工确认将完成时间加入数据库（需1人记录、处理数据）。

3.6 施工阶段应用

3.6.1 场地布置

本项目分三期进行、受干扰因素多，且需随施工动态变化，依靠传统平面布置方法，很难对现场情况考虑周全，在综合考虑塔吊位置及选型、施工道路、现场出入口、临时堆放场地等因素的基础上，建立三维场地模型，并导入前期模型，进行场地布置。主要参考垂直运输要求和构件堆放顺序确定塔吊定位，再依据运输路线和吊装方案安排构件堆放，三维场地布置使得构件一次性堆放到位，减少运输费用，提高场地利用率。

（1）塔吊选型及放置模拟：根据预制构件重量及吊运位置，按塔吊吊运能力不小于构件重量的1.25倍确定塔吊型号，如图17所示；

（2）PC构件堆放场地模拟：塔吊有效吊运工作范围，避免二次搬运，交叉干扰，如图18所示；

（3）PC运输道路布置模拟：需满足PC构件运输车辆通行，道路宽度为5米，转弯半径为15米，道路承受运输车辆重量不小于45吨,如图19所示。

3.6.2 构件进场模拟

在场地布置确定后，利用场地模型模拟构件进场工序，确保能按设想卸车吊运构件。

（1）构件进场验收模拟：构件进场后应对构件的资料、观感、尺寸、预埋件位置及预留洞口位置组织验收，验收合格方可卸车，如图20所示；

（2）构件卸车吊运模拟，如图21所示；

（3）构件现场堆放模拟：①预制墙板应竖向堆放，卸钩前，构件放置处下方垫方木，用木塞固定构件，如图22所示；②叠合板水平码垛，每跺不超过四块，卸钩前，构件吊装点位置下放垫通长木方，层与层之间应垫平、垫实，各层垫木在一条垂直线上，如图23所示；③预制楼梯板水平码垛，每跺不超过四块，卸钩前，构件吊装点位置下放垫通长木方，层与层之间应垫平、垫实，各层垫木在一条垂直线上，并采用多层板制作保护壳防止踏面及两侧损坏。

3.6.3 吊装工艺模拟

在制定方案后，对施工方案进行模拟，一方面验证施工方案是否完备、可行，另一方面提升交底的有效性，吊装工艺模拟如下图所示。

4.总结与展望

装配式建筑作为绿色、环保、低碳和节能型建筑，是建筑行业由粗犷向精细，由独立向协作，由以人主向以机械设备为主，由纯露天作业向室内工业化生产转型的代表。与传统建筑方式相比，在协作方式、管理标准、生产工艺的要求上进一步提高。从以上分析可以看出，借助装配式建筑BIM技术应用体系，可以有效地提高装配式建筑的设计、生产、物流和施工水平，使装配式建筑从设计到运维的生产链条更加紧密、合理，充分挖掘装配式工程总承包项目的最大价值。不过，如何使BIM技术融入装配式工程总承包项目全生命周期应用，使得两者更加紧密结合，更加智能便捷，还要在实践中进一步地完善，这仍需广大建设行业从业者的共同努力。

（责任编辑:何雯丽）