BIM技術在裝配式建筑預制構件生產階段的應用

發布時間：2021-02-21所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘 要：為了能夠對 BIM 技術在裝配式建筑預制構件生產階段的應用研究現狀有較為系統清晰的掌握，在大量文獻閱讀的基礎上，對裝配式建筑預制構件生產過程及工藝流程進行梳理。首先結合文獻的統計分析，對 BIM 相關信息技術在預制構件生產階段的應用進行介紹，

　　摘 要：為了能夠對 BIM 技術在裝配式建筑預制構件生產階段的應用研究現狀有較為系統清晰的掌握，在大量文獻閱讀的基礎上，對裝配式建筑預制構件生產過程及工藝流程進行梳理。首先結合文獻的統計分析，對 BIM 相關信息技術在預制構件生產階段的應用進行介紹，并對預制構件生產階段信息交付研究現狀進行系統歸納。最后對國內外相關研究存在的差距進行總結，并提出相應研究建議。通過 BIM 為代表的信息技術在裝配式建筑構件生產階段的應用分析總結，明確目前預制構件生產階段信息化管理領域現存的挑戰和瓶頸，并針對性的提出 BIM 技術在這方面未來的發展方向。

　　關 鍵 詞：裝配式建筑;生產階段;構件;建筑信息模型;信息技術

　　裝配式建筑在構件層面可以拆分為梁、柱、樓板、窗體等部分，通過工廠預制、構件運輸和現場拼裝形成完整的裝配式結構。因此針對裝配式建筑的全過程控制中，預制構件生產階段的管理技術優化和工藝提升具有突出作用。目前以 BIM(building information modeling)為代表的信息技術與預制構件生產研究相結合是裝配式建筑相關研究領域的熱點之一，充分發揮 BIM 技術可視化、協同性、信息完備性等優勢，可以有效解決構件生產階段參與方多、信息量大、信息復雜等問題[1]。在預制構件的生產過程中使用 BIM 相關技術，能夠實現生產過程各利益相關方或參與方的有效協同工作，并在設計、施工、運維等工作階段達到更好的綜合效益。

　　BIM 技術在裝配式建筑預制構件生產階段的應用不僅指建立構件生產三維信息模型，更重要的是基于三維信息模型的生產過程協同管理[2]。以三維信息模型為載體，通過使用 BIM 相關信息技術實現信息的快速收集[3]，在實現信息有效交付的基礎上，對構件生產過程進行高效決策管理。

　　但現階段國內將 BIM 技術與裝配式建筑預制構件生產結合應用的研究較為分散，沒有形成較為系統、清晰的應用研究總結。因此本文對裝配式建筑預制構件生產過程及工藝流程進行梳理，結合相關文獻的統計分析，對 BIM 相關信息技術在預制構件生產階段的應用進行介紹，并對預制構件生產階段信息交付研究現狀進行系統歸納，最后對國內外相關研究存在的差距進行總結，并提出相應建議。

　　1 預制構件生產階段過程分析

　　1.1 預制構件生產過程

　　裝配式建筑相較于與傳統建筑項目工程主要增加了構件設計、構件工廠預制及構件現場吊裝等工序，其構件生產階段、設計施工階段與施工拼裝階段的工作關聯圖如圖 1 所示。

　　(1) 預制構件深化設計。為了讓構件模型所包含的生產相關信息，能夠較為有效在構件生產過程中使用，現階段裝配式建筑預制構件深化設計通常是以工廠為主體進行開展，在設計院形成的構件圖紙基礎上，結合工廠的實際生產工藝，運用 BIM 三維建模技術進行深化設計[4]。構件深化設計是在滿足結構力學設計的基礎上，根據多專業提出建筑需求，結合工廠自身構件生產工藝的需求以及施工吊裝過程的需求，對構件幾何尺寸及各項預埋件進行深化設計。

　　(2) 預制構件生產管理。預制構件的生產管理主要包括：構件生產計劃安排、構件生產過程中的人、材、機的管理和構件生產過程控制。構件生產計劃安排主要根據工廠實際生產能力與建筑項目構件的施工進度需求，制定科學有效的生產進度安排。根據構件生產計劃安排，對構件生產所需要的人工、材料、機械等進行管理，其次對構件生產過程進行控制，對構件生產過程中出現的問題及時調整。為了實現構件生產有效管理，信息化管理平臺逐漸應用到構件生產管理過程中，文獻[5-6]利用 BIM 技術設計預制構件生產管理系統，通過 BIM 數據支撐作用提升預制構件的質量水平和生產效率。其次針對預制構件生產信息的跟蹤過程研究，文獻[7-8]通過將射頻識別技術(radio frequency identification, RFID)標簽嵌入到預制構件中，并結合移動設備、互聯網和數據庫技術，實現信息采集、數據傳遞共享等功能，對構件生產進行全過程跟蹤和快速預警。

　　(3) 預制構件檢查及修復。針對構件生產完成之后的構件質量檢查，理論上提出通過使用激光掃描技術，對構件成品進行掃描，形成三維模型與設計模型進行對比，從而對構件的生產質量進行判斷[9]。但現階段構件工廠針對質量檢查依舊采用人工檢查的方式進行。

　　1.2 預制構件生產工藝流程

　　預制構件生產工藝通常包括模具清潔、模具組裝、涂脫模劑、綁扎鋼筋骨架、安裝預埋件、混凝土澆筑振搗、拉毛、蒸養、拆模、檢驗修補及堆放等階段[10-11]。其中針對具體構件生產工藝會根據構件類型和構件廠生產能力有所調整。

　　現階段國內外關于構件生產工藝方面的研究重點主要側重于實現構件生產自動化，提高構件的生產效率。美國、日本和德國等發達國家的預制構件生產設備已經從單獨的工藝環節自動化逐步進入整體協調的高自動水平，構件生產設備集成化和機械化水平都較高。國內自動化生產線起步較晚，現階段還處于只能對單獨的工藝環節實現自動化，其中自動化工藝主要應用包括自動布置拆除模具、自動噴涂脫模劑、鋼筋網片加工、混凝土澆筑及振搗、自動蒸養、墻體自動翻轉等單獨的方面，在整個生產過程中仍舊需要依靠人工協助來完成構件生產[12-15]。圖 2 可較為直觀地展現現階段我國預制構件各生產工藝所處生產階段及自動化程度。

　　其中由于不同類型構件，形狀、預埋及受力等存在差異導致各種構件在實際生產中會存在差別。預制構件通常包括預制柱、預應力疊合梁、普通疊合梁、預應力疊合板、預應力空心板、預制剪力墻、預制隔墻板、預制外掛板、預制空調板、預制陽臺、預制飄窗、預制樓梯及其他造型構件等。以預應力疊合板為例，相較于普通疊合板增加預應力筋張拉過程。

　　2 BIM 相關信息技術應用分析

　　2.1 文獻統計分析

　　本文分別以“BIM”、“管理信息系統”、“RFID”、 “3D 掃描”與“裝配式建筑”或者“PC”進行組合，來源類別選擇“SCI 來源期刊”、“EI 來源期刊”、“核心期刊”，以此為條件對相關文章的摘要、關鍵詞等進行檢索，分別對 2007 年到 2017 年間發表的文章進行搜索，篩選與裝配式建筑預制構件生產相關的論文進行統計。其中共篩選出 50 篇文章，如圖 3 所示。分析發現國內關于相關信息技術的應用研究均起步較晚，近幾年隨著國家對裝配式建筑政策上大力支持，相關研究呈現逐漸上升的趨勢。其中 BIM 技術主要應用于設計方面，管理信息系統通常與 RFID 技術進行結合應用，而 3D 掃描技術在預制構件生產中的應用研究較少。

　　利用 Engineering Index(EI)數據庫進行國外文獻檢索，分別以“BIM”、“management information system”、“RFID”、“3D scanning”與“prefabricated construction”或者“PC”進行組合檢索。語言選擇 “English”，文獻類型選擇“Journal article”，分別對 2007 年–2017 年間發表的文章進行檢索，篩選與預制構件生產相關論文進行統計，其中共篩選出 153 篇文章(圖 3)。分析發現國外針對相關信息技術在生產階段的研究開始較早，相關的研究成果較多，且多偏向于智能化生產應用等方向，其中針對管理信息系統的研究側重與信息傳遞和優化算法等方面，而對于 RFID 技術在裝配式建筑生產階段研究則較少。

　　對比國內外針對相關信息技術在裝配式建筑預制構件生產階段的應用，發現國內研究側重于 RFID 技術與管理信息系統結合，而國外側重于對自動化生產進行研究。由于我國現階段針對預制構件的實際生產施工過程中，構件生產施工管理較為粗放，進行構件管理是現階段重要問題之一，導致我國現階段研究側重于 RFID 技術和管理信息系統相結合。對于實現預制構件全自動化生產，需要在充分借鑒國外自動化、集成化生產經驗基礎上，研究適合我國的預制構件全自動生產線。

　　2.2 BIM 相關信息技術的應用

　　結合多維度可視化信息模型的生產管理平臺是實現高效管理的重要方式。使用 BIM 技術進行預制構件深化設計，形成構件生產信息模型，與管理系統進行鏈接形成構件生產基礎數據庫;使用 RFID 及 3D 掃描等技術，對構件生產過程中的信息進行實時跟蹤記錄，反饋到生產管理系統中，從而實現生產管理者對構件生產各方面進行科學有效控制。圖 4 為相關信息技術在預制構件生產階段應用關聯圖。

　　(1) 基于 BIM 技術建立構件生產工藝模型。充分發揮 BIM 技術的協同性和可視化等優勢進行預制構件初步設計和深化設計，將裝配式建筑構件生產信息以 BIM 模型為載體進行存儲。對生產過程中的信息進行可視化表達，支持各參與方信息共享。根據構件實際生產過程中的需求，對構件的幾何尺寸、鋼筋位置及預埋件進行深化設計，形成構件生產工藝模型。所有與生產相關的信息均可從 BIM 模型中提取，讓生產管理人員對生產信息進行直觀、快捷管理。其次在與 ERP 系統進行對接時，BIM 模型可作為生產管理計算交互基礎數據，顯著減少用戶在 ERP 管理系統中數據的錄入工作量[16]。

　　(2) 借助 RFID 技術對構件生產進行實時跟蹤。 RFID 技術的應用一般需要借助應答器、閱讀器、中間件和軟件系統等相關設備組件。在裝配式建筑領域，針對預制構件生產，主要用于預制構件來料檢查、生產過程跟蹤、質量檢查反饋及堆放管理等信息收集跟蹤方面[17-18]。相較于傳統質量管理，在自動化數據收集和信息管理方面效率更高，并且確保了整個生產環節信息的完整。

　　實際使用過程中存在的問題主要包括：①標簽的附著問題，采用直接粘貼容易損壞，采用預埋澆筑在構件里則存在讀取或者更換不方便;②標簽的識別問題，存在誤讀或者多讀。現階段實際生產過程中為了提高識別率，降低標簽成本，多采用二維碼的形式進行信息存儲。文獻[19]針對 RFID 與二維碼的作用條件及效率進行對比分析，二維碼使用成本更低，效率更高。

　　(3) 使用 3D 掃描技術對構件生產質量自動檢測。3D 掃描技術即通過掃描的形式，獲取實物對象的點云信息，使用算法實現去噪和模型表面快速重建。將構件 BIM 模型與構件重建模型進行匹配，依據對比檢查允許誤差，從而實現對構件生產質量的自動化檢查[9]。由于工廠生產自動化程度低，及應用掃描技術成本過高，現階段針對 3D 掃描技術在裝配式建筑預制構件生產階段的應用研究較少。

　　(4) 預制構件生產管理信息系統。通過 BIM 和 ERP 相結合，建立一體化數據化的裝配式建筑信息交互平臺，對預制構件生產過程進行信息化集成管理與預制構件跟蹤管理，提高管理效率和效益[20]。其中生產管理系統主要包括車間信息、訂單、生產進度、生產質量、庫存、車間報告和工序生產等管理模塊[16]。利用生產管理系統可以進行包括：構件生產計劃管理;構件生產人工、材料及機械管理;構件生產成本管理;構件生產進度管理;構件生產質量管理;構件庫存管理和構件出廠管理[5,21]。——論文作者：徐 照， 占鑫奎， 張 星

　　相關期刊推薦：《施工技術》創刊于1971年，是國家期刊獎提名獎期刊，中國建筑科學類核心期刊，中國建筑施工行業惟一的國家級核心期刊，由建設部主管，亞太建設科技信息研究院、中國建筑設計研究院、中國建筑工程總公司、中國土木工程學會聯合主辦。主要介紹國內工程建設施工方面的方針政策和技術法規，重大技術成就，傳播建筑領域采用的新體系、新技術、新工藝、新材料、新機具、新設備和施工管理經驗，以及國內外先進施工技術及其發展動態。