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新型建筑工业化与BIM技术的协同关系研究论文

发布时间:2018-12-21 13:23:23 来源:职称论 我要评论














职称论(zhichenglun.com):
 
摘 要:新型建筑工业化和建筑信息模型是建筑业升级换代中出现的两种完全不同的概念,找到两者的协同点并研究其协同作用有助于形成对两者交互关系的系统认识,为应用实践给出指导和建议。在分析现有文献的基础上,构建新型建筑工业化要求与 BIM 功能之间的协同关系矩阵,确定 26 个协同关系,对所有关系的分析都表明新型建筑工业化和 BIM 可以实现一定的正混杂效应(Positive Interaction),即实现两者协同比分别应用两种概念所产生的价值更大。研究协同关系为工程建设项目各参与方的新型建筑工业化和 BIM 实践提供了指导,有助于提高项目生产率和行业效率,促进建筑工业化与信息化的融合。

关键词:新型建筑工业化;BIM;协同关系矩阵;正混杂

A Study on the Interactions Between New-Type Construction Industrialization and BIM Technologies
JIN Xi-yue,YANG Xiao-lin

(School of Civil Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

Abstract:New-type construction industrialization and building information modeling(BIM)are two different concepts emerging during the updating of the construction industry. Identifying and analyzing the interactions between these two concepts can help achieve a systematic understanding on the relations between them. As a result, suggestions and guidance can be given for practical applications. On the basis of the existing literature,the interaction matrix between new-type construction industrialization requirements and BIM technologies has been constructed,and 26 types of interactions have been identified. All of these interactions show that positive interactions can be achieved by applying new-type construction industrialization and BIM simultaneously. Namely,the integration of these two technologies can produce more values than adopting them separately. Studying these interactions provides guidance for stakeholders that apply new-type construction industrialization and BIM. It helps increase the productivity of construction projects and promotes the fusion of industrialization and informatization in the construction industry.
Keywords:new-type construction industrialization;BIM;interaction matrix;positive interaction

建筑业是我国经济发展的支柱产业,但也是资源和能源消耗最大的产业,同时还存在着工程质量和安全保障程度低、生产效率低和污染环境等问题。建筑工业化和建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)是工程建设领域管理方式升级换代过程中出现的两个重要概念。建筑工业化由制造业的工业化概念发展而来,进入 21 世纪,我国提出了要“走新型工业化道路”。综合不同研究者[1~3] 对新型建筑工业化的理解,其特征可以概括为以下 6 个方面:设计标准化、构件部品生产自动化、构件部品商品化、施工装配化与机械化、全寿命周期信息化和统筹管理科学化。BIM 是一个高度自动化的公共信息管理平台。Eastman 等[4]用 BIM 一词来描述一项“最终关系着广泛设计、施工和设施管理变革的人类活动”,BIM 技术支持整个阶段的设计, 提供分析和控制,产生的数据可以支持施工、材料制造并模拟建筑的建造运营过程。

新型建筑工业化同 BIM 是相互独立的,但实现新型建筑工业化应借助于数字化信息控制的智能系统,以通过两者的协同作用实现正混杂效应,在工程项目建设中创造更大效益。BIM 作为建筑信息化的重要内涵,也十分适合应用于新型建筑工业化建造活动。区别于制造业产品,建筑产品有其特殊性。从建筑结构的规划设计到构件部品的工厂生产,再到现场施工装配,以及运营维护直至拆除, 整个过程中一般会有众多单位参与其中,同时还需满足新型建筑工业化的要求,故高效管理信息十分重要。BIM 技术的参数化建模与虚拟施工等相关功能有助于实现新型建筑工业化。

目前已有关于 BIM 技术在建筑工业化中应用的研究,如纪颖波等[1]结合新型建筑工业化基本特征分析了 BIM 的应用,主要关注 BIM 技术的辅助作用;姜腾腾[5]构建了绿色建筑背景下基于 BIM 技术的建筑工业化发展模型,较少涉及 BIM 具体功能;孙钰钦[6]通过问卷调查和项目实践总结出了BIM 技术在 PC 住宅建筑中的应用框架,较少涉及其他建筑类型;Zhang 等[7]研究了 BIM 在模数化设计和装配建造方面的应用,主要从技术层面进行探讨;龚越等[8]从工业化项目设计、施工和运维 3 个阶段探讨了 BIM 集成系统在装配式建筑中的应用, 其重点在于对协同机制的分析;夏海兵等[9]、胡延红等[10]、田东等[11]基于具体项目阐述了 BIM 技术在设计、生产、建造等过程中的应用。

综合分析以上文献可以发现,以往研究中多将BIM 作为实现建筑工业化的一种具体技术手段,而缺少对两者之间交互关系的综合性探讨;现有 BIM 应用研究多针对装配式建筑,不能充分体现新型建筑工业化的特点和要求;这些文献多依托于具体的工程项目或围绕项目的不同阶段展开,缺乏新型建筑工业化与 BIM 技术之间协同关系的系统性研究。本文在文献分析的基础上,列出具体的新型建筑工业化要求与 BIM 功能,构建关系矩阵,对新型建筑工业化与 BIM 的协同关系进行系统性研究,寻找交互点,以便在实际应用中更好发挥两者的正混杂效应,为其在工程领域的推广和发展提供借鉴。

1新型建筑工业化相关要求

新型建筑工业化的建造方式虽有提高效率、节约成本、减少污染等诸多好处,但它同时也对设计施工等环节的技术和管理提出了更高要求。

(1)设计标准化。标准化是工业化的基础, 也是生产自动化和部品商品化的基础。是指在设计过程中采用标准化的设计方案、构件、部品和建筑体系。模数化是标准化当中的重要内容,它强调了部品的通用性。建筑设计与结构设计的标准化有助于在后续环节降低生产成本、缩短生产时间、提高效率、提高构件部品质量和利润率。
(2)构件部品生产自动化。构件部品自动化、工厂化的生产方式是新型建筑工业化的最直观体现。不同于传统的批量生产,新型建筑工业化强调的是在自动化生产环节实现大规模定制,在降低成本、提高质量和效率的同时尽可能满足建筑产品使用者的多样化需求。
(3)构件部品商品化。基于构件部品具有通用性的假定,构件部品商品化供应有助于减少库存和浪费,提高建筑行业的整体效率。在美国和日本等国家,构件部品的社会化生产和商品化供应都是其新型建筑工业化实践中的重要内容。
(4)施工装配化、机械化。在保证结构安全性和工程项目经济性的前提下,尽量减少湿作业, 应用专业设备进行现场装配;对于现浇结构采取机械化的施工形式,保证施工过程中的“四节一环保”。机械化施工更加高效,由此生产出的建筑产品也更加高质。
(5)全寿命周期信息化。在建筑的设计、生产、施工和运维过程中会产生大量的信息,涉及大量建筑体系、系统,包含众多参与方,因此必须保证信息完整、准确、前后一致、易于共享。
(6)统筹管理科学化。在实际工程项目中, 设计、生产、施工和运维几个环节由不同参与方负责完成,相对独立,即使是同一个环节中也可能会涉及到不同人员或不同部门。对于一个建筑来说, 除了 3D 空间坐标信息,还需包含进度成本等工程信息,内容十分庞杂。集成化的统筹管理有助于协调各环节,避免出现管理疏漏和低效率。

2BIM 的主要功能

随着理论的发展和技术的革新,BIM 的功能日渐丰富。Sacks R 等[12]认为,BIM 的参数化功能是实现其他功能的基础。为便于分析 BIM 技术特点与新型建筑工业化的交互关系,本文仅对 BIM 所展示出的功能加以说明,不做技术层面的探讨。
(1)可视化。BIM 模型是在 3D 模型基础上添加多维信息构成的。3D 模型更加形象,可以多角度查看,有助于协同设计。进度等信息也可以进行可视化展示。运维阶段的故障排除,在空间可视化的视图中更容易发现设备间的关联。对于没有专业知识的相关各方也可以通过可视化模型来了解整个项目。
(2)参数化。BIM 模型中的一个构件通常包含有集合属性、物理属性和力学属性等固有属性, 以及规范规程、经济指标和法律法规等非固有属性信息[13]。由于其中的参数化信息可计算,故可通过计算机自动完成工程量统计、成本估算等工作。参数化建模也是自动变更的基础。当变更发生时,BIM模型的图纸以及工程量、材料用量和造价等信息都会及时更新、联动变更,效率大大提高。
(3)高级分析功能。基于 BIM 模型和项目管理软件等工具软件,可以快速生成大量统计表,如门窗列表,并计算出项目的工程量和各种成本等。此功能亦可用于防火安全检验、能量分析、规范检验、维护时的信息查询、抢修时的快速定位等[14]。
(4)虚拟施工。虚拟施工是基于计算机对施工中人员、材料、设备流动过程和施工装配过程的多维仿真模拟,可以提前解决施工中可能遇到的问题,优化施工组织,优化进度计划,减少返工和浪费,降低施工中的不确定性和后期的变更概率。
(5)计算机控制预制加工。由于 BIM 技术支持项目从其源头就开始使用数字化的控制方式,所以可以方便地通过数字格式文件指导工厂机械设备生产。在构件生产前的准备阶段,BIM 技术可用于制定生产计划、规划堆放场地等;构件生产过程中,构件的参数化信息可以被机械识别并实现自动化生产,由自动的监控系统进行实时监控。
(6)5D 可视化管理。通过项目管理软件与BIM 建模软件的数据互用,可以方便地统计造价信息、编制施工进度计划并进行优化。模拟施工排除进度计划中的问题,实现事前控制;施工安装阶段, 现场管理人员收集实时信息,形成施工进度监控报告,动态掌握工程在工期和造价上的偏差并及时纠偏。
(7)信息共享。基于一定的 BIM 标准,围绕建筑模型,各专业信息可以使用统一格式进行共享。各参与方可以对文件资料、设计信息等进行协同,并及时沟通。协同设计、协同作业和各方沟通都建立在此基础上。建筑的设计环节往往涉及多个专业,同一专业中还可能有多个设计师,在设计阶段进行协调综合可以有效减少变更。有效沟通对于工业化建造的顺利进行也有着重要意义。

3新型建筑工业化与 BIM 的交互关系

3.1构建关系矩阵
将 BIM 可实现的典型功能逐一列出,再将上文阐释的新型建筑工业化要求逐一列出,可构成新型建筑工业化要求与 BIM 功能关系矩阵的行列名称。通过翻阅并总结大量文献[1,3~11,15~19],可以发现新型建筑工业化要求同 BIM 功能之间存在一定的协同关系。在文献分析的基础上,通过定性的方法归纳得到 26 个协同点。为了便于后文逐一对协同关系进行说明,在关系矩阵中用数字对协同点进行编号,如表 1 所示。
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3.2交互关系释义
观察矩阵可以发现,BIM 的特定功能有助于实现新型建筑工业化的某项要求,在新型建筑工业化某项要求指导下 BIM 的某项功能可以实现更大效益,两者呈现出一种明显的正混杂效应。对每一个协同关系的解释如下:

关系 1(aA):为满足构件部品标准化的要求或达到一定的预制率,通常需要对新型建筑工业化建筑进行深化设计。在尺寸优化、构件深化和配筋等过程中,对设计精度和复杂度的要求大大提高, 借助 BIM 可视化技术进行辅助设计可以准确、高效地完成这些任务。通过对几何属性的可视化分析也可有效减少预制构件类型和数量[11]。

关系 2(xE):一个工程项目各阶段的信息可以储存在 BIM 平台及相应模型中,方便各参与方在各环节的信息共用,实现全寿命周期信息化。比如根据设计中定义的部品参数可进行自动化的工厂生产,BIM 软件自动生成的各种图纸和可视化 3D 模型可供机械化施工阶段使用,建筑各种设备的相关信息是之后维修的依据。BIM 是一种信息化手段,在建筑的各阶段应用 BIM 符合新型建筑工业化的全寿命周期信息化要求。

关系 3(bA):基于 BIM 模型所包含的参数化信息,BIM 软件可以很好地服务于新型建筑工业化建筑的标准化设计。比如当一个特定的定义或变化违反了构件加工的尺寸要求和可行性时可以立即被识别[4],这将会有效辅助建筑、结构设计师进行标准化设计。

关系 4(bB,hB1):参数化模型中包含的信息可以满足构件生产的精度要求,通过 BIM 技术将设计阶段的信息完整地传递到制造阶段中。将建筑模型中构件、部品的几何参数、材料信息等导入BIM 其他系统,制造企业便可以利用这些数据,借助数控制造机械进行工厂化制造,从而避免传统方式下信息传递中的错误、遗漏和偏差[1]。

关系 5(bC):实现构件、部品的商品化供应后,企业需要在种类繁多的产品中进行选择,构件的参数化信息可方便在市场上形成产品目录,提供相应数据。目前我国建筑工业化相关标准缺乏,模数化程度不高,商品通用性较低,BIM 技术的参数化功能为商品化提供技术支持,是有效的推动力。新型建筑工业化建筑设计的关键是构件、部品的设计和选择,因此在使用 BIM 建模时也应遵循“一次创建,多次使用”的原则[15]。在工业化原则的指导下,BIM 参数化建模的效率也将会大大提高。

关系 6(cA):在设计阶段,相较于传统建筑, 新型建筑工业化建筑往往涉及到更多专业和环节, 难度更大,要求更严格[8],比如装配式建筑涉及到预制构件的预留和预埋设计,因此更加需要众多设计人员实现协同设计。要实现协同,就要找到一个能对各类设计信息进行整合的平台,且这个平台所提供的接口可以实现信息及时和准确的共享,BIM 的云端集成平台可以满足这些要求[16]。

关系 7(cF):统一的集成平台在方便众多设计人员进行协同的同时也方便了设计方管理人员进行组织协调以及与设计相关的目标控制。

关系 8(dA):工程项目中发生变更不可避免, 标准化又对计划和设计环节提出了更高要求。应用BIM 技术,如果发现设计问题,可以仅改动模型, 多张图纸便可自动实现同步修改[17],进而保证信息的完整性和精确性,让变更过程更加高效。

关系 9(eA):一栋新型建筑工业化住宅的预制构件一般有数千个[1],需要保证构件之间以及与机电管道等系统之间不会在实际施工中发生冲突。相比于现浇混凝土结构,新型建筑工业化建筑预制构件中的预埋部分或钢筋的冲突更难处理,所以更需要进行碰撞检查[7]。在设计阶段基于 BIM 对多系统进行碰撞检查可以避免现场装配施工出现问题,进而避免因此造成施工阶段发生变更而带来浪费。关系 10(fB):由 BIM 高级分析功能根据模型自动统计显示和计算出的内容,如各种预制构件所需的混凝土标号和体积、构件清单、门窗及外墙等部品数量等[8],可以用于指导自动化工厂生产。 关系 11(fF):由 BIM 平台的项目管理软件生成的进度、成本等信息,比如项目工期,有助于实现施工前的进度计划编制,结合施工进行中收集到的实时信息对比进度等管理目标。借助于 BIM 技术可以轻松实现管理的集成,大大提高组织管理的效率。

关系 12(gD):新型建筑工业化建筑涉及到众多预制构件,为满足装配化与机械化要求又需要很多吊装设备和施工机械,施工组织难度大,施工工艺较为复杂。通过虚拟施工技术可在工程项目施工正式开始之前对现场施工进行模拟,以确保构件的搭接顺序和位置正确,从多种施工方案中选择最优,提前发现施工中可能出现的问题,提出解决方案。例如在装配式建筑施工中,构件与现浇结构的连接部位会出现一些不可预见的问题,如构件定位不准和钢筋难以绑扎等,基于 BIM 平台提前对这一过程进行模拟和展示可以有效解决问题[10]。

关系 13(gF):虚拟施工对现场施工过程的细致模拟可以保证工程的精细化管理。关联进度维和成本维,可以在虚拟施工的同时采集进度、成本信息,作为指导实际施工的标准和目标管理的依据。

关系 14(hB2):对于市场上没有的构件部品, 无法直接通过采购获得,需要进行工厂生产。计算机数控的方式进行预制加工,可以保证稳定的加工质量和较高的生产效率,能有效处理难以加工的复杂构件部品,应对新型建筑工业化建筑对预制构件的大量需求。BIM 技术下的高度自动化生产有望发展为可自律操作的智能生产,进而引发建筑工业化的第四次革命[18]。

关系 15(hC):对于符合标准化、模数化和通用性要求的构件、部品,可以采用计算机数控方式进行大规模生产。随着商品化程度的加深,除特定工程项目定制的个性化构件外,大部分通用零部件都可以按标准进行生产。计算机控制预制加工是商品化的基础。

关系 16(hF):一个新型建筑工业化建筑所需的工厂预制构件、部品数量多,生产前规划、生产过程中控制和生产后入库过程复杂,BIM 支持下的计算机数控加工可以有效实现物料堆放场地规划、构件质量控制等生产阶段的组织管理目标[6]。

关系 17(iC):通过 BIM 集成不同参与方与供货方之间的物流信息以及供货方的产品信息,可使参与方在单个项目之外形成长期合作伙伴关系, 这符合构件部品社会化生产和商品化供应的要求, 有助于建筑业逐渐过渡到社会化大生产的方式。

关系 18(iF):新型建筑工业化建筑的建造需要大批量的预制构件、部品以及吊装等机械化施工工具,材料设备的供应难度加大,物流系统与其他信息系统的集成更为重要。将材料设备供应商的数据库与 BIM 数据库集成,可以加强与供应商之间的沟通,保证材料设备及时供应,降低运输和构件存放成本。

关系 19(jD,jF):新型建筑工业化提出了施工装配化、机械化要求,这意味着施工现场物料和机械数量的增多,其组织规划的难度也随之加大。BIM 技术可用于对新型建筑工业化建筑施工现场平面布置的规划设计、施工场地内材料运输车辆和施工机械车辆的行驶模拟、塔吊及施工电梯的布置优化等。

关系 20(kD):BIM 现场施工可视化功能可以实现施工流程和工艺的形象化展示,可帮助现场人员准确理解预制构件的吊装过程和复杂的安装工艺。施工人员也可获知当下工作状态以及后续工作流程。

关系 21(kF):现场管理人员可以及时采集构件、人员、机械等的状态信息并更新,通过平台中的模型信息,管理人员可以对现场发生的问题了如指掌。一旦出现不按规范或设计进行施工的情况, 可以快速控制,以避免建筑质量造成影响。

关系 22(lB1):通过 BIM 信息化技术实时监控现场安装中出现的误差,自动采集、及时反馈给构件部品制造厂家,工厂将以此为依据调整后续加工,避免出现更多问题[18]。

关系 23(lB2,nF1):在构件的工厂加工过程中,可在构件中植入 RFID ( Radio Frequency Identification,无线射频识别)标签,每个构件有唯一代码标识,包含构件的各种信息,如此即可确保在生产、运输、制造和运维环节实现对构件的监控和信息的及时反馈[9]。可以在每一个环节随时添加、记录和读取信息,比如在工厂制造环节记录质量检查信息;通过射频扫描仪器随时提取所需的构件信息;通过手持扫描设备上传构件的即时状态,确保管理人员和业主方随时监控构件质量和工程进程, 快速做出反应[9]。

关系 24(lF,mF):BIM 平台可以集成 3D 模型与进度、造价等信息形成 5D 模型,利用 BIM 模型采集到的即时数据,准确、快速地生成资源用量、工程进度等统计信息,及时纠偏,提高管理效率, 同时节省大量人力物力。信息化工具也可采集到现场装配施工进程,对构件运输和堆放方案进行及时调整,做出合理安排[18];比较现场采集信息与平台内存储的构件属性信息,确保构件进入预定的堆场位置并被吊装到正确位置[10]。

关系 25(nD,nF2):施工现场人员手持移动设备,借助云技术、RFID 技术,可以与技术人员和管理人员进行交流[6]。部分新型建筑工业化建筑的装配工艺复杂,实际工程中也常出现因构件安装错误而导致返工,造成严重浪费的情况,即时通讯功能可以有效避免此类状况的产生。

关系 26(oE2):新型建筑工业化建筑的全寿命周期往往产生大量文档,比如勘察报告、设计图纸、会议记录、造价资料等,传统方式下其运输和存储花费巨大,而且难以查找。基于 BIM 模型建立数据库,将各种电子文档同 BIM 模型的相应位置进行链接,可直观、高效地对文档进行定位和查阅, 为工程提供强有力的数据支撑。

4协同关系应用及建议

BIM 的参数化建模功能、高级分析功能和计算机控制预制加工功能有助于实现新型建筑工业化的多项要求,而 BIM 的可视化与数据库化功能则可以在特定环节创造较大价值。故在进行理论研究时应更加重视发掘和完善 BIM 的参数化、可视化与数据库功能,更好推动行业发展;在工程项目的实际管理过程中,也应当多考虑在这些方面应用 BIM 技术进行辅助,为新型建筑工业化建筑带来更大价值;从企业的角度来看,在 BIM 参数化、可视化功能的应用与数据库的构建方面应加大投入,比较容易对新型建筑工业化项目产生积极影响,从而提高企业的实力和价值。

从总体上看,BIM 技术可以在很多方面与新型建筑工业化进行协同,对于推动新型建筑工业化发展意义重大。应加快研发 BIM 软件、推动建立 BIM 标准对于推进我国建筑信息化和工业化发展都有重要意义。在此基础上充分发挥新型建筑工业化与BIM 技术之间的正混杂效应,创造更大效益。

我国目前的建筑工业化程度较低,模数化等相应标准还不完善,在这种环境下新型建筑工业化为BIM 应用带来的好处就极为有限,比如很难实现协同关系 5,BIM 工具的优势也因此被大大削弱。同样,由于我国新型建筑工业化构件、部品的商业化程度较低,没有完备且丰富的部品目录,BIM 的参数化建模、数控加工和数据库集成功能以及协同关系 15 和 17 就会受到限制,难以扩大其综合效益。故应积极制定和完善新型建筑工业化相关标准,促进市场化部品体系的形成,此类举措在推动我国建筑行业工业化发展的同时也会提升 BIM 技术效益。

5结语

新型建筑工业化与 BIM 技术的协同可以使两者实现正混杂效应,以实现提高行业效率、保证建筑质量、提升管理效果、减少环境污染等诸多价值。随着新型建筑工业化不断发展,建筑行业在标准化、机械化、集成信息化方面的要求也逐渐增加, BIM 作为一种技术手段可以很好地满足这些要求, 故新型建筑工业化作为一种拉动力可以促进 BIM 的发展,BIM 技术作为一种推动作用亦可反向促进建筑向工业化的方向前进。本文的交互作用分析只选取两种概念的典型特征之间的交叉,在实践中仍需反复寻找两者的协同点,更好发挥两者协同带来的效益,给工程项目和整个行业带来价值。

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