基于BIM技术的装配式建筑全寿命周期安全管理研究

文/王宇佳 姚爽

一、引言

随着我国人才社区保障性住房建设速度加快，装配式建筑已经成为建筑工业化的主要发展方向。住建部在《“十四五”装配式建筑行动方案》中明确规定，到2025年装配式建筑在新建建筑面积中所占比例要达到30%。在这一目标基础上，住建部与发改委发布了《城乡建设领域碳达峰实施方案》，提出到2030年，装配式建筑在当年城镇新建建筑面积中所占比例要达到40%。装配式建筑存在构件生产、物流运输、现场装配等多种新型施工作业。相较于传统的建筑施工活动而言，其施工技术更复杂、工业化程度更高。然而，由于我国的装配式建筑发展相对缓慢，实际施工经验及实践技术研究相对缺乏，因此现阶段装配式建筑还存在较大的安全管理风险。《“十四五”装配式建筑行动方案》提出，要推进BIM技术在装配式建筑中的应用，通过建立模拟三维模型，将装配式建筑进行数字化表达。BIM技术作为数字化应用与信息化管理工具，其影响的不仅仅是工程人员的操作方法，还有整个企业的生产、经营、管理的方式，甚至可以优化行业产业链结构。因此，推进BIM技术在装配式建筑中的应用具有十分积极的作用。

二、装配式建筑施工危险源分析

装配式建筑已经逐渐成为我国建筑业发展的主要方向。不同于传统建筑业施工的程序进度，装配式建筑的构配件是在工厂内预制加工后运输到现场组装的。这种标准化预制构件的加工模式省略了现场浇筑、养护的时间，减少了扬尘及噪音的污染，符合新时代绿色低碳可持续的建造理念。在大力推进建筑工业化的同时，也要注意装配式建筑中的机械装拆、物料运输、构件吊装、人机协调等问题。

（一）施工方案编制模糊

在分部分项工程施工前，需要编制施工方案。施工方案可指导施工，是让各分部工程按施工工艺顺利完成的前提保证，对工程的进度、质量、成本、安全都有着较大的影响。然而，许多项目的施工方案编制不清晰、不明确，项目经理对此不够重视，导致各责任主体互相推脱，现场管理人员无法清晰传达工序内容，施工工人无法准确操作，可能埋下较大的安全隐患。

（二）吊装作业安全隐患

塔吊设备是装配式建筑最常见的施工器具，它承担了绝大部分的构件起吊工作。正因如此，吊装作业相较传统施工而言，存在更多的安全隐患，如吊臂机械故障、塔吊操作失误、塔吊指挥不当、吊钩与吊具滑脱等。这些问题都可能导致严重的安全事故，威胁现场人员生命及财产安全。

（三）场地布局不合理

施工现场的布局不仅关系到场地内原材料运输最优化，也关系到施工安全及吊装安全等。由于装配式建筑的特殊性，其构件统一由工厂预制后再运输到施工现场组装，场地布局不合理会导致生活区与施工区布置混乱，影响工人施工安全。

（四）预制工艺结构冲突

装配式建筑的工艺比较特殊，被称为预制工艺，即在施工前按照设计图纸预先制造构件，运输到现场后，按工序进行搭接组装。装配式建筑的难点在于安装的精确性及结构稳定性。然而，在安装过程中，可能会出现因结构尺寸上的误差导致安装冲突出现，甚至影响荷载能力；逐渐累加的结构误差或许会导致结构发生偏位移，从而影响整体的稳定性，甚至造成坍塌坠落，引发重大安全事故。

三、引入BIM技术管理装配式建筑的优势

（一）技术优势

装配式建筑的标准化设计围绕着“少规格、多组合”的目标，其设计基础是构件的模块化设计，模块则是由工厂批量化生产的柱梁墙板、水电管线、安装零件等组成的基本构件。基本构件具有通用性、搭接性等特点。BIM技术在装配式建筑中的应用主要有施工场地管理、动态成本管理及可视化交底。基于BIM技术的施工场地管理是在施工前通过计算机建模，仿真施工场地的布置。

（二）进度优势

BIM技术将各构配件模型数据集成在一个主模型上，配合可视化进度管理软件使用，使项目施工人员及现场管理人员通过三维可视化的方式掌握与控制项目各阶段的进度情况。通过模拟验证方案设计是否满足设计要求，达到优化方案设计的目的；通过对施工进度进行模拟，协调各构件安装之间的冲突，避免构件碰撞，使管理模式更加信息化与精细化；通过对数据信息的分析与处理，向管理者提供及时、准确、全面的数据信息支持，提高工作效率与管理水平，从而达到缩短施工工期的目的。

（三）经济优势

现阶段装配式建筑相比传统建筑造价较高，这是由于设计方案的改进导致构件尚不能批量工厂化生产。同时，运输路线、吊装过程中可能会由于外在因素而增加施工成本。随着建造技术信息智能化水平提升，在项目设计阶段初期引入BIM技术，可通过BIM技术设计构件的形状及尺寸，尽可能使之成为标准化构件以便工厂批量生产。同时，合理布置构件堆放库的位置，优化施工平面场地布置，减少二次运输及吊装，从而有效减少因碰撞造成的返工及构件浪费。

（四）安全优势

在装配式建筑建模初始，可通过BIM技术构建安全信息模型，对施工方案展开全方位模拟。在施工前，对预制构件从进场堆放到起吊安装的全过程进行仿真模拟，并在重点部位多次展开碰撞监测实验，使安全隐患在施工模拟中显现，从而为选择施工最优方案提供依据。之后，持续改进预制构件从设计到吊装的施工方案，使最终的施工方案具有最大的安全优势。在每个工序施工前，利用BIM技术进行可视化交底，结合现场施工实际情况，将各工序的施工工艺仿真展示，尤其是对施工的新工艺、新技术以及构件节点进行三维展示，防止个人主观因素造成的错误理解，使交底更直观、更通透，从而提升安全管理效率，减少安全事故。

四、将BIM技术应用于装配式建筑全寿命周期的安全管理

（一）设计阶段

1.创建预制构件库。创建预制构件库可以有效地提高建模效率。通过建筑数字建模化，协调预制构件之间的位置、尺寸，减少构件或组合件的尺寸类型，创建标准化构件，如图1所示。标准化构件不仅可以简化设计、生产环节，还可以降低安装环节的复杂程度。通过创建预制构件库，土建、机电、装修专业的构件基本可以实现工厂批量化制造，并能针对预制构件的基本组成要素计算合理布置数据，在完成各个专业的建模后，利用碰撞检测技术对各个模块进行优化，达到各模块之间的协调，从而完成多层模块最优化布置，最终实现整个建筑群的协调。针对装配式建筑的BIM构件进行标准化管理，需要分专业及时更新、收集与整理，由技术人员提交的构件需要经专业工程师审核后才能显示，然后才会出现在构件库中，供专业设计人员使用。

图1 创建预制构件库

图2 利用Planbar软件进行整体拼接

图3 智慧消防管理云平台

2.三维可视化协同设计。BIM的三维可视化技术在设计阶段可对预留洞、钢筋弯折搭接、设备位置结构冲突、管线排布空间碰撞、结构空间位置综合排布进行优化设计，从而在施工阶段减少因错误排布而导致的返工，避免工期延误与成本浪费。通过BIM技术模拟现场加工、运输、施工的全过程，可以审查施工计划布置及资源调用安排的合理性，对不合理的现场情况及时进行调整，提出解决预案，并依据解决预案在BIM中重新设置参数，模拟至问题消除为止。

3.预制构件深化设计。在深化设计阶段，存在图纸数量多、细节设计繁杂、钢筋绘制麻烦等情况，可利用装配式BIM协同系列软件Planbar，利用参数化的方式创建智能构件进行整体拼装，提高建模效率，保证二维图纸与三维模型的双向联动，提升深化设计工作的质量与效率。Planbar软件还可以进行钢筋与预埋件之间的碰撞检查，以发现设计中存在的问题并及时解决，最大限度避免项目的安全问题。

（二）施工阶段

1.预制构件的堆放及运输。在施工准备阶段，可以将预制构件等临时设施载入场地模型中进行动态模拟演示，使施工现场的平面布置达到最优使用状态。BIM技术三维可视化模拟构件堆放以及大型吊装机械设备、道路设施的布置，在运输线路上尽量避开吊装作业工作区，通过计算发现最优路径。

2.预制构件的吊装作业。传统装配式建筑施工难以对危险源作模拟分析。然而，利用BIM软件，可在施工前将项目进度、工艺流程输入系统并模拟吊装作业的进展情况，通过计算安全荷载及精确分析实际施工情况，对吊装作业的危险源进行及时预警、精准定位，并结合目前应用较广泛的RFID芯片技术，对每一重要构件进行编号，实时追踪，使现场工程师及时控制各设备及构件，防止在实际吊装作业中出现安全问题。此外，利用BIM软件还可三维可视化模拟现场施工条件，避免由于不了解项目当地气候而引发吊装事故，实现全方位动态监控。

3.三维场地模拟应用。将图纸中的地形标高尺寸导入EXCEL软件中，将其导至REVIT软件中，利用地形表面功能读取地形标高数据并生成原始地貌，这样可以更好地完成施工平面图的布置，提升场地利用率。同时，场地模拟还可以用于模拟安全疏散逃生路线，在危险发生时避免人员踩踏等次生事故，减少人员伤亡。此外，引入Pathfinder应急疏散模拟软件，导入建好的BIM模型，可以模拟施工现场的全景路线，计算人员的疏散路径、时间，对施工现场进行疏散场景的动态化模拟，对疏散路径、疏散点分布等进行直观观察，从而对已有的应急疏散方案展开有针对性的调整与改进，最终得出最优的应急疏散方案。

（三）运维阶段

在施工阶段完成后，要进行后期运行维护。传统的建筑运维阶段需要维修工程师与业主方沟通后再进行，效率低下、流程繁杂、容易遗漏，而装配式建筑结合BIM软件，在设计、生产及施工阶段已经对各构配件、机械设备与生活空间进行了信息化处理，具备智能化建筑的基本功能，因此，在运维阶段可结合AI智能技术、可视化门禁实现PC端、移动端、监控端多屏协同控制，从而实时监测各楼层的使用情况，分析空间规划、人流分布及构件承重情况，对装配式建筑的运行维护实施动态监控。将物联网技术与存储的BIM信息相结合，可以实现设备监测与报修、网络自动诊断、消防安全管理、防盗自动报警及耗能数据统计等多项功能。同时，引入智慧消防管理云平台，可借助BIM软件中已搭建好的模型得到最优逃生路线，并通过对消防联动控制设备的识别、感知、定位实现智能预警，实现火灾风险多级自动报警功能。通过实时监测，多级提醒、跟踪处置，可及时消除消防安全隐患，减少火灾事故发生，实现“人防+技防+物防”多层次管理。

五、BIM技术应用案例分析

上海国际航运中心位于上海市黄浦江畔，是一个综合性商务区与金融中心。该项目采用了装配式建筑法，在其全寿命周期都应用了BIM技术进行安全管理。

（一）设计阶段

在项目初期，设计团队利用BIM软件创建了整个大楼的三维模型。借助BIM模型，设计团队能够更好地协调不同专业系统之间的关系，准确把握每个构件的位置、尺寸与功能要求，并利用BIM模型进行空间冲突检测，发现并解决不同系统之间的干涉问题，避免了后期施工过程中的冲突与延误，有效预防了因设计阶段盲目搭接及碰撞冲突而造成的安全问题。

（二）施工阶段

大楼的钢结构框架与预制混凝土构件采用了装配式建筑方法。基于BIM模型，制造商可以精确制作预制构件，并在工厂内进行组装与质量控制。这样可以提升施工速度与质量，减少现场加工的需求。BIM模型在施工过程中起到了重要的指导作用，施工人员可以使用移动设备加载BIM模型，并通过增强现实技术将虚拟的构件与实际场地进行对比。这有助于施工人员理解设计意图，准确安装每个构件，并及时发现与解决潜在的问题。

通过搭建BIM模型，项目团队可以制订详细的施工进度计划，并与实际施工情况进行对比。这有助于监控施工进展、识别延误因素，并可采取相应的调整措施。BIM技术还被用于项目管理与协调工作。借助BIM模型，各个参与方可以实时共享建筑信息，包括设计变更、进度计划、材料采购等。这有助于提高沟通效率，减少误解与错误，确保整个项目按时完成。

（三）运营阶段

在运营阶段，已搭建的BIM模型中包含了大楼内各设备的位置、型号、搭接方式等信息。这些信息可以帮助人们进行设备管理、维护与更新，从而及时、便捷地进行设备检修，提升设备的可靠性与效率，保证其运行的安全稳定。BIM模型还可以用于建筑主体的维护管理。通过添加设备传感器与数据连接，实现对建筑主体各个系统的远程监测与故障诊断，提高维护效率，加快响应速度。

总体而言，上海国际航运中心项目充分利用BIM技术，实现了从设计到运营的全寿命周期的数字化管理。这不仅提升了项目的协调性与效率，还为后续的运营与维护提供了便利。这一经验对于推动上海乃至全国范围内装配式建筑与数字化建造的发展具有十分重要的意义。

六、结论

装配式建筑作为国民经济中的一个新兴发展方向，能够带动许多上下游产业协调发展。BIM技术的引入为装配式建筑的发展提供了一种全新的思路。BIM数字化模型作为工程数据、信息的载体，可以对各个阶段的任务信息进行整合与传递，从而使各参建方之间的合作变得更加高效。BIM技术与各种技术的集成应用，为装配式建筑的发展提供了动力，既可以有效控制施工进度，减少成本损耗，又可以保证施工质量，保障施工安全水平，提升装配式建筑的经济性。同时，以BIM为基础构建的安全防范机制，可以更好地实现装配式建筑安全生产标准的制定，促进人、机、料、环的持续优化与最优运行，进而促进装配式建筑安全生产标准化。引入BIM技术使装配式建筑的安全管理不再是“纸上谈兵”，而是实际提升了安全管理的智能性，降低了安全风险事故的发生率，使装配式建筑的建设趋近于最优的管控模式。