BIM技術(shù)在裝配式建筑深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

文/中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司 李 貝 袁 齊 楊嘉偉

0 引言

隨著我國人口紅利逐漸消失，減少人工、節(jié)能減排、提高質(zhì)量、加速建設(shè)等社會(huì)需求為裝配式建筑的發(fā)展創(chuàng)造條件。目前裝配式建筑在我國發(fā)展迅猛，并得到國家大力推動(dòng)。因此對(duì)于裝配式建筑的設(shè)計(jì)需求大幅增加，有別于傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)周期更長，準(zhǔn)備工作更多、更復(fù)雜，要求設(shè)計(jì)人員在建筑方案階段便需思考裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工的種種要求和條件，盡可能為提高裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化程度而努力。而利用BIM技術(shù)的真實(shí)模擬、可視化、專業(yè)綜合、信息化、可模擬等特性完成裝配式建筑的設(shè)計(jì)工作，可為其標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和信息化管理提供便利。

近年來BIM技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用愈加廣泛，在復(fù)雜建筑中應(yīng)用于提供3D建筑模型，協(xié)調(diào)各專業(yè)，解決建筑物復(fù)雜造型、管線綜合問題；在古建筑修繕中應(yīng)用可將建筑物歷史信息模型及修繕數(shù)據(jù)記錄保存下來；在水電工程中涉及不同專業(yè)，包括地質(zhì)、水工、建筑、機(jī)電等，以可視化、信息化整合平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)；在建筑的綠色設(shè)計(jì)中通過BIM技術(shù)分析采光、能源效率等建筑性能，通過控制通風(fēng)、采光、氣流組織等實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保；在工程實(shí)施前期采用3D模型進(jìn)行4D、5D模擬項(xiàng)目進(jìn)度及成本造價(jià)控制。由此可見，在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、施工準(zhǔn)備階段、施工階段均可應(yīng)用BIM技術(shù)。

現(xiàn)階段，我國建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方興未艾，預(yù)制混凝土構(gòu)件深化設(shè)計(jì)需協(xié)調(diào)建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等多專業(yè)的預(yù)留預(yù)埋，并涉及生產(chǎn)、運(yùn)輸、存放和施工等多個(gè)階段，深化設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)容繁雜。采用BIM技術(shù)可使預(yù)制混凝土構(gòu)件深化設(shè)計(jì)更直觀，降低設(shè)計(jì)難度，并能自動(dòng)統(tǒng)計(jì)材料用量，從而在構(gòu)件生產(chǎn)準(zhǔn)備階段的材料采購、構(gòu)件生產(chǎn)階段的細(xì)節(jié)把控精度、構(gòu)件存放運(yùn)輸階段的合理堆放分類等方面均起到顯著作用。

1 裝配式結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

常見裝配式結(jié)構(gòu)包括：裝配整體式框架結(jié)構(gòu)、裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)、裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)等。其中預(yù)制構(gòu)件包括：預(yù)制框架柱、預(yù)制疊合梁、預(yù)制內(nèi)墻板、預(yù)制外墻板、預(yù)制疊合板、預(yù)制陽臺(tái)、預(yù)制樓梯等。

預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)前的深化設(shè)計(jì)工作尤為重要，建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電五大專業(yè)條件需在構(gòu)件生產(chǎn)前全部確定，并保證各專業(yè)的位置信息不相互干涉，而深化設(shè)計(jì)將各專業(yè)信息進(jìn)行匯總，通過BIM技術(shù)可視化特點(diǎn)，快速發(fā)現(xiàn)并解決相應(yīng)問題，從而保證構(gòu)件順利生產(chǎn)。預(yù)制外墻、預(yù)制內(nèi)墻、預(yù)制疊合板等預(yù)制構(gòu)件的位置及尺寸是否準(zhǔn)確，也需利用BIM技術(shù)進(jìn)行預(yù)拼裝驗(yàn)證，確?，F(xiàn)場(chǎng)順利安裝。

使用Revit軟件對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，不僅可實(shí)現(xiàn)更便捷實(shí)用的深化設(shè)計(jì)操作流程，而且在深化設(shè)計(jì)圖中增加構(gòu)件三維模型，為施工者提供直觀可視化的構(gòu)件安裝形式交底。

2 BIM建模在深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

Revit族庫應(yīng)用是以族為單位，將各種類型可編輯、可驅(qū)動(dòng)的族文件載入項(xiàng)目組合成為理想模型。在預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)過程中，將各種預(yù)制構(gòu)件中不同構(gòu)件外輪廓、埋件、鋼筋形式作為一種族文件進(jìn)行繪制。其中，預(yù)制構(gòu)件可按照外輪廓形式的不同進(jìn)行分類，例如，預(yù)制墻板可分為3種形式：不帶洞口、帶窗洞口、帶門洞，邊線及洞口尺寸均為可編輯參數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)埋件可按照通常在預(yù)制構(gòu)件中的位置以基于面的公制常規(guī)模型繪制并保存族文件；鋼筋族文件的繪制則完全以鋼筋在構(gòu)件中的存在形狀為依據(jù)，創(chuàng)建可編輯的鋼筋規(guī)格、彎折角度等參數(shù)，定義參照平面。以上各種族文件的組合應(yīng)用即是以族為單位更高效地完成預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)。

以夾心外墻板為例，夾心外墻板由外葉板和內(nèi)葉板組成，外葉板由裝飾面層、保溫保護(hù)層、保溫層組成。裝飾面層以單塊面磚（區(qū)分面磚顏色）作為一個(gè)族文件；保溫保護(hù)層以可參數(shù)化外輪廓邊線、板厚等幾何信息的實(shí)體模型為基礎(chǔ)，定義材質(zhì)、定義參照平面作為一個(gè)族文件；保溫層族文件、內(nèi)葉板族文件的繪制、創(chuàng)建原則同保溫保護(hù)層族文件。

BIM模型作為可共享的信息載體，項(xiàng)目不同專業(yè)可通過BIM模型插入、提取、更新和修改各種信息，以實(shí)現(xiàn)各專業(yè)間協(xié)同工作。BIM技術(shù)對(duì)于優(yōu)化施工圖設(shè)計(jì)具有重要意義，利用BIM技術(shù)可很好地保持平、立、剖及詳圖間數(shù)據(jù)的一致性，從而更好地解決施工圖設(shè)計(jì)過程中各專業(yè)間的信息沖突問題，保證深化設(shè)計(jì)能準(zhǔn)確表達(dá)方案意圖并進(jìn)行效果還原。

3 可視化在深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

BIM技術(shù)的可視化特點(diǎn)可提前解決鋼筋碰撞、埋件干涉等問題，使經(jīng)過深化設(shè)計(jì)的圖紙更具可實(shí)施性，大大提高施工質(zhì)量?？梢暬瘞淼膬?yōu)勢(shì)體現(xiàn)在2方面：①在數(shù)據(jù)之間創(chuàng)建實(shí)時(shí)、一致的關(guān)聯(lián)，對(duì)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的任何更改可馬上在其他關(guān)聯(lián)處反映出來；②在各構(gòu)件實(shí)體間實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)顯示、智能互動(dòng)。深化設(shè)計(jì)目的之一是保證每個(gè)構(gòu)件到現(xiàn)場(chǎng)都能準(zhǔn)確安裝，不發(fā)生錯(cuò)漏碰缺。特別是針對(duì)鋼筋進(jìn)行的碰撞檢查，可避免施工階段預(yù)制構(gòu)件鋼筋碰撞引起的窩工、返工，保證工程順利進(jìn)行。

3.1 夾心外墻板深化設(shè)計(jì)

預(yù)制夾心外墻板采用“三明治”結(jié)構(gòu)，由保溫保護(hù)層+保溫層+結(jié)構(gòu)層組成，墻體形狀越復(fù)雜，傳統(tǒng)的CAD二維設(shè)計(jì)就越容易使埋件、鋼筋發(fā)生碰撞干涉。通過建立預(yù)制夾心外墻板BIM模型（見圖1），優(yōu)化鋼筋位置（見圖2），通過信息同步，將模型參數(shù)信息直接反映在深化圖紙上，并實(shí)時(shí)、同步反映在其他相關(guān)聯(lián)的視圖或圖表上，保證BIM信息模型的完整性，在實(shí)際工作中大大提高了工作效率，同時(shí)消除傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中由于設(shè)計(jì)人員的疏漏導(dǎo)致的不同視圖表達(dá)信息沖突的現(xiàn)象。

圖1 預(yù)制夾心外墻板BIM模型

3.2 預(yù)制剪刀梯深化設(shè)計(jì)

1）預(yù)制剪刀梯安裝 預(yù)制剪刀梯作為板類構(gòu)件，采用銷鍵連接的方式與上下梯梁的預(yù)留鋼筋進(jìn)行連接。在深化設(shè)計(jì)中需預(yù)留銷鍵連接的孔洞。應(yīng)用Revit軟件核對(duì)預(yù)留孔洞位置的準(zhǔn)確性，可在模型中拼裝預(yù)制剪刀梯，精確定位銷鍵孔洞在預(yù)制剪刀梯構(gòu)件中的位置。

2）預(yù)制樓梯間隔板安裝 預(yù)制隔板采用置于其中一跑梯段上的安裝方式，即每層梯段承受該層隔板自重荷載。需在預(yù)制構(gòu)件中預(yù)留的埋件包括隔板與上下層梯段的連接埋件、隔板之間的連接埋件及隔板上預(yù)留的樓梯間欄桿埋件等，以上埋件均需在預(yù)制剪刀梯及預(yù)制隔板的深化設(shè)計(jì)圖中體現(xiàn)。對(duì)于單個(gè)構(gòu)件來說，在二維界面中繪制各種埋件無法保證埋件位置準(zhǔn)確性。使用Revit軟件出圖可準(zhǔn)確定位各種埋件在預(yù)制剪刀梯和預(yù)制隔板上的位置，并能很好地在三維視圖中體現(xiàn)出來（見圖3，4）。

3.3 其他類型預(yù)制構(gòu)件安裝深化設(shè)計(jì)

1）預(yù)制墻板與疊合板安裝節(jié)點(diǎn) 上下層預(yù)制墻板與疊合板（含降板位置疊合板）的安裝節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用Revit軟件完成整塊墻板和疊合板的建模后進(jìn)行預(yù)拼裝，檢查墻板與疊合板的相對(duì)關(guān)系，確定降板位置及墻板頂預(yù)留豁口尺寸；對(duì)墻板及疊合板上的斜支撐埋件預(yù)留位置進(jìn)行核對(duì)，同時(shí)對(duì)墻板上其他線盒、線管、模板埋件等進(jìn)行核對(duì)，并校核墻板鋼筋是否與疊合板鋼筋發(fā)生碰撞（見圖5）。

2）預(yù)制樓梯安裝節(jié)點(diǎn) 通過建立模型對(duì)預(yù)制剪刀梯及預(yù)制隔板進(jìn)行拼裝，按照設(shè)計(jì)思路核對(duì)每種預(yù)留預(yù)埋的位置（見圖6）。

3）預(yù)制PCF板安裝節(jié)點(diǎn) 預(yù)制PCF板在施工過程中安裝工藝更為復(fù)雜，在無外防護(hù)架的情況下，吊裝PCF板與下層PCF板對(duì)齊調(diào)整垂直度，并與相鄰預(yù)制外墻板連接固定，綁扎現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)鋼筋后支設(shè)內(nèi)側(cè)模板，使用螺栓將預(yù)制外墻內(nèi)側(cè)預(yù)埋件與預(yù)制PCF板內(nèi)側(cè)預(yù)埋件通過PCF板連接件進(jìn)行機(jī)械連接，將預(yù)制PCF板與相鄰預(yù)制外墻板模型進(jìn)行預(yù)拼裝，核對(duì)各埋件位置（見圖7）。

4）工字形外墻板施工安裝節(jié)點(diǎn) 此工字形外墻板立面為工字形，平面為T字形，因其復(fù)雜的構(gòu)件形狀及陰角節(jié)點(diǎn)形式需在構(gòu)件深化設(shè)計(jì)前確定其安裝方案，避免預(yù)埋件或墻板外邊線與實(shí)際施工發(fā)生沖突。通過安裝節(jié)點(diǎn)模型對(duì)工字形外墻板進(jìn)行分析，可明確該陰角處預(yù)制墻板外葉板的合理長度，并模擬可行的施工方案（見圖8）。

圖2 利用BIM技術(shù)優(yōu)化鋼筋布置

圖3 預(yù)制剪刀梯、預(yù)制樓梯間隔板安裝模型

圖4 預(yù)制剪刀梯與現(xiàn)澆梯梁連接節(jié)點(diǎn)

圖5 預(yù)制外墻板與疊合板安裝節(jié)點(diǎn)

圖6 預(yù)制樓梯安裝節(jié)點(diǎn)

4 信息化在深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

Revit軟件統(tǒng)計(jì)功能強(qiáng)大，可按各種埋件或鋼筋分類型精確統(tǒng)計(jì)，提高深化設(shè)計(jì)效率，為預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作提供備料依據(jù)等。在預(yù)制外墻板完成模型繪制工作后，在出圖（構(gòu)件建筑圖）階段可根據(jù)實(shí)際完成模型中定義族文件的分類對(duì)各種原材料及埋件進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。

預(yù)制外墻板各類鋼筋分類別統(tǒng)計(jì)在繪制構(gòu)件配筋圖時(shí)匯總完成。Revit軟件不僅可精確統(tǒng)計(jì)每種類型鋼筋規(guī)格、長度、重量，還可在出圖時(shí)自動(dòng)識(shí)別定義在鋼筋族文件中的鋼筋編號(hào)，并在配筋圖中標(biāo)識(shí)（見圖9）。

5 BIM技術(shù)在裝配式建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用前景

預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)工作在整個(gè)工業(yè)化產(chǎn)業(yè)鏈中起著承上啟下的作用，應(yīng)在設(shè)計(jì)初期深化設(shè)計(jì)思路階段介入，避免在構(gòu)件生產(chǎn)時(shí)才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)未考慮施工階段構(gòu)件之間連接出現(xiàn)問題?，F(xiàn)階段從全產(chǎn)業(yè)鏈角度看，BIM技術(shù)在深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用更好地整合了各專業(yè)、各階段對(duì)預(yù)制構(gòu)件提出的要求，并可向前后端延伸，包含前期設(shè)計(jì)和后期施工、運(yùn)營。目前，BIM技術(shù)在構(gòu)件深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有效提高了設(shè)計(jì)工作效率，完善了設(shè)計(jì)工作整合的準(zhǔn)確性，全方位立體式展現(xiàn)出預(yù)制構(gòu)件在實(shí)際施工中的節(jié)點(diǎn)安裝方式，并且以Revit軟件直接出圖的工作方式擺脫了二維平面繪圖的弊端，更好地利用軟件功效實(shí)現(xiàn)高效快捷的深化設(shè)計(jì)工作。因此BIM技術(shù)在裝配式建筑領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 預(yù)制PCF板安裝節(jié)點(diǎn)

圖8 預(yù)制工字形外墻板施工安裝節(jié)點(diǎn)

圖9 各類鋼筋統(tǒng)計(jì)