装配式建筑中BIM技术应用效果的分析和评价

马学聪 （甘肃荣铖建设工程有限公司，甘肃 兰州 730300）

随着我国人口增多，社会经济的发展，近些年，国内建筑业发展迅速，并且由于建筑业有着产值高、收益显著、发展速度快等特点，行业从业者也呈现出爆发式的增长。由于施工过程的不规范、管理制度不健全，导致施工安全事故频频发生，且部分施工场地存在较多安全隐患，对我国建筑行业的发展造成了严重的影响，同时也阻碍了社会经济的前进。装配式建筑作为一种环境污染小、无须现场浇筑构件、施工速度快的施工方式，能够有效减少建筑物碳排放[1-3]。但装配式建筑也有着管理困难、各建造专业协调困难以及成本难以控制的缺点，限制了其进一步的发展。而随着科技的进步，BIM 技术应运而生[4-5]，此技术给建筑工程施工管理、前期规划等提供了技术支持，其贯穿项目的整个周期（设计图纸、组织施工、后期修改和运营等），可以将建筑物的配套设施、施工流程和结构体系直观清晰地展现出来，使施工管理过程更加容易，增强了项目的管理质量和效率，故相关学者对BIM 技术在建筑工程的应用展开了研究。兰登辉[6]针对装配式建筑中的诸多问题，分析了BIM 技术在装配式施工过程中的应用效果。李玉宏[7]根据BIM技术，分析了其在装配式建筑成本控制和计算中的效果，反响较好。

基于此，为了克服装配式建筑施工管理难，成本控制难、各参建专业协调沟通难等问题，将BIM技术和装配式建筑进行了结合。通过全周期评价法，对比了不同建造方式的节能减排效果，给相关工程提供了指导和借鉴。

1 项目概况

此次研究对4 个住宅BIM 技术节能减排应用效果进行了对比分析，项目概况分别为：项目A，装配式住宅，占地面积43602.8m2，总建筑面积145321.63m2，项目采用了BIM 技术，项目包括8 栋高层住宅，地下室结构类型为混凝土框架，扁钢管混凝土柱为其上部结构类型，楼梯、楼板等选择预制PC构件，装配率为61%。项目B，装配式住宅，占地面积73942.6m2，总建筑面积171862m2，项目没有采用BIM 技术，项目包括5 栋高层住宅，剪力墙结构为其结构类型，内墙版、楼梯等选择预制PC 构件，装配率为32%。项目C，现浇式住宅，占地面积56511m2，总建筑面积155641.26m2，项目采用了BIM 技术，项目包括7 栋高层住宅。项目D，现浇式住宅，总建筑面积149143.22m2，项目选择了传统建造方式，未采用BIM技术，包括5栋高层住宅。

减排评价指标选择了垃圾和污水，节能评价指标选择了电、混凝土量、木材、用水量和钢材量。表1为各建造方式的污染物排放情况和具体资源消耗情况。

表1 各项目的污染物排放情况和具体资源消耗情况

2 装配式住宅中BIM技术的应用效果

2.1 设计图纸及施工优化

分别对项目D 和项目C、项目B 和项目A 进行对比，建造方式相同时，选择BIM 技术的项目能耗较低。通过在Tekla软件构建BIM模型的构件信息库，能够深化设计二维图纸中的梁、板、柱等节点。同时优化工程所用的预制模板，合并预制构件的种类，以此增大模具的使用率。

在优化项目A和项目C的管线时，机电专业工作人员对BIM 模型开展碰撞检查，发现了220 个碰撞点，各个专业参考碰撞报告进行协调修改，解决了机电专业存在的157处问题，减少了121万元的工程成本。指导现场施工方面BIM 技术的表现同样出色，其能够避免很多因设计图纸相互矛盾、冲突而引起的签证改变、工程变更等问题，将一系列问题前置，同时能够建立详细索引图来协助施工安装，在很大程度上增加了出图质量和效率。项目A 的BIM 设计费为122 万元，而通过BIM技术减少的管理费和工程成本达到了434万元，其效果显然易见。

2.2 结合BIM技术的装配式住宅节能减排分析

从表1 中能够看出，对于消耗的木材，项目A 的消耗量为0.72m3/m2，项目C的消耗量为223.53m3/m2，可见前者木材消耗量远比后者小。这是因为项目A主体结构建造时无须支模浇筑混凝土，大大减少了木方和木模的使用量，降低了木材的消耗，使得造价减少了近60万元。对于消耗的钢材，对项目A 和项目C 进行比较，装配式结构和现浇钢混结构的钢材消耗量分别为149.46kg/m2和191.3kg/m2，能够看出前者远小于后者，这是因为薄壁钢管和热轧型钢为装配式结构的主要承重构件，其质量比钢筋混凝土结构小了近33%；除此之外，项目A 的大部分钢材均在厂内统一加工好后再运输到现场进行施工，很大程度上降低了钢筋在现场的损耗。对于消耗的混凝土，项目C和项目A的混凝土消耗量分别为538.3kg/m2和89.26kg/m2，项目A 混凝土用量如此之少的原因是，此项目结构体系减少了现场浇筑的工作量，通过BIM 技术对混凝土所用量进行了精确计算，降低了混凝土的浪费量，使混凝土成本减小近30万元。对于消耗的电量，和项目C相比，项目A用电量明显较少，这是因为大部分构件在工厂制成，使得现场制作构件的耗电量大大减少，并且整个项目工期缩短了近1/3，用电量节省了近23万kW·h，所耗电费降低了近14 万。对于节地情况，项目A 大部分构件的制作是在工厂内完成，减少了现场材料的储存和堆放用地，临时设施占用面积的有效利用率高达90%，用地节省效果较好。对于用水量消耗，项目A和项目C的水消耗量分别为0.9m3/m2和156.38m3/m2，能够看出项目C用水量约为项目A的160倍，这是因为项目A大部分构件的制作是在工厂内完成，无须进行混凝土浇筑和浇水养护，水资源投入降低了近5.6 万m3，所用水费减少了近16 万元。对于排污量，项目A 中84%的施工废物都能够进行回收利用，很大程度上降低了施工对附近环境的影响和污染。

3 分析各建造方式的节能减排效果

3.1 评价节能减排的方法

此次研究选择生命周期法来对各建造方式节能减排效果进行评价，此评价方法包括了产品生命周期整个过程，比较客观和全面，其主要包括三个步骤，分别为：目标边界的认定、清单分析、评价结果。

3.2 认定目标边界

此次选择了四种代表性建造方式来对比分析节能减排效果，分别为传统建筑、装配式+BIM建筑、装配式建筑、传统现浇+BIM 建筑，对四种建造方式的生命周期进行划分，分别为设计、施工、运营以及回收阶段。

3.3 分析清单和评价矩阵

在设计阶段投入指标选择土地占用与可研设计；施工阶段投入指标有施工现场与构件厂生产形成的能耗排放；回收阶段投入指标和产出指标分别为处置和回收率；运维阶段的产出指标与投入指标分别为得房率和使用运维消耗。投入和产出分别为正向指标与负向指标，前者数值越大，节能减排效果就越好，后者数值越小就越好，在分析时统一将投入指标的量变换为1tce，百分率为产出指标的单位。通过上述分析构建各建造方式下的全生命周期节能减排效果评价矩阵，结合数据计算分析后得出具体结果见表2。

表2 各建造方式下的全生命周期节能减排效果

由表2可以看出，各项目的投入指标表现为线性趋势，在设计阶段的工作主要包括可研和设计，存在人力物力的消耗，但能耗排放比较低；施工阶段能耗排放最高，占比超过66%；其次是运营阶段。同时能够得出，传统现浇建造方式的能耗远远超过了装配式，这表示这装配式建造方式在节能减排方面效果较好。除此之外，能够看出不论是现浇+BIM还是装配式+BIM的施工方式，各阶段的投入量均小于单纯的现浇、装配式的施工方式，且各阶段的产出率也都大于单纯的现浇、装配式的施工方式，这表示通过BIM 技术能够明显降低施工过程中的各项能耗，增加项目的产出率，做到降本增效。装配式建筑主要通过工业化制造构件、使用节能环保设备和材料、模块化装配的方式来实现工程的节能减排。过去粗放式的现浇混凝土建筑建设方式通过工业化生产进行了升级优化，大大提高了生产资源的利用率。在施工现场进行模块化装配能够降低污水、建筑垃圾、粉尘的产生，能够高质量达到节地、节水、节材、节电的目的。

各建造方式的正向指标里最大的是装配式+BIM，这表示此建造方式的节能减排效益是最好的。通过引入BIM 技术，其出色的施工指导和装配方式在很大程度上降低了施工阶段的能耗，降低幅度远远超过了在设计阶段所增大的能耗，由此能够看出BIM 技术优秀的经济价值和社会价值。结合了BIM技术的建筑建造方式，将建筑模型进行了可视化，将其建造过程以三维的方式更加直观地展现在技术人员面前，提高了各专业间的协调效率和质量，在检查管线碰撞、深化结构设计等方面发挥了关键作用。也正是这样，通过BIM 技术能够达到精细化施工，最大限度降低了人力和材料的浪费，降低污水、粉尘的产生，增强工程的节能减排效果。在对项目负向指标、正向指标综合考虑分析后能够得出，在全生命周期情况下，在装配式建筑中引入BIM技术拥有显著的节能减排效果。

4 结语

为了对比分析BIM技术在装配式建筑中的应用效果，通过全生命周期法对比了各建造方式的节能减排效果，主要得出以下结论。

（1）装配式建筑与传统建筑相比，在木材消耗量、钢材消耗量、混凝土量、电量、节地情况、水量消耗量、排污量方面降低明显，且在分别对项目D 和项目C、项目B 和项目A 对比后发现，建造方式相同时，选择BIM技术的项目能耗较低；其中项目A的BIM设计费为122万元，而通过BIM 技术减少的管理费和工程成本达到了434万元，其效果显然易见。

（2）各项目的投入指标表现为线性趋势，施工阶段能耗排放最高；各建造方式中装配式+BIM的正向指标最高，这表示此建造方式的节能减排效益最好；结合了BIM技术的建筑建造方式将建筑模型进行了可视化，提高了各专业间的协调效率和质量，在检查管线碰撞、深化结构设计等方面发挥了关键作用。