基于BIM的裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

顧云凡，陸志祥，劉揚(yáng)，陳強(qiáng)，楊思遠(yuǎn)

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 江蘇 南京 211167）

0 引言

目前，國(guó)家大力支持推動(dòng)建筑工業(yè)化的發(fā)展，BIM技術(shù)的詳細(xì)精確的建筑信息和裝配式建筑結(jié)構(gòu)可以很好地滿足建筑工業(yè)化的要求。裝配式結(jié)構(gòu)主要通過在預(yù)制構(gòu)件廠中制作預(yù)制構(gòu)件，然后在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝和構(gòu)件處理，具有施工高效、能耗低等特點(diǎn)，符合建筑工業(yè)化的要求。在我國(guó)，傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)勞動(dòng)力需求量大，因?yàn)閷?shí)際工藝水平的限制，導(dǎo)致建筑的裝配率與工業(yè)化水平都不是很高，信息化管理也不完善，各個(gè)部門的信息傳遞比較繁瑣。BIM，即建筑信息模型，將建筑成產(chǎn)的全部生命周期賦予信息模型，將各個(gè)環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)起來，以便于建筑的設(shè)計(jì)、規(guī)劃以及各個(gè)部門的信息管理和傳遞。將裝配式結(jié)構(gòu)與BIM結(jié)合起來，從而把預(yù)制的構(gòu)件信息化模型化，貫穿整個(gè)建筑的生命周期，可以避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、施工以及后期脫節(jié)。

1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的必要性

我國(guó)正大力推進(jìn)建筑的工業(yè)化進(jìn)程，而在此程中的一個(gè)原則就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。它的優(yōu)勢(shì)明顯，比如能夠使得建筑各個(gè)過程中提高一定的效率，進(jìn)而降低一定成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，有利于構(gòu)件的統(tǒng)一處理。通標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的構(gòu)件具有滿足要求的系列化和通用化等特點(diǎn)。

雖然已有一些預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)技術(shù)涌現(xiàn)，然而它的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的概念卻很薄弱。進(jìn)而導(dǎo)致建設(shè)成本大大增加。在整個(gè)裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)處于核心地位，因?yàn)樗霈F(xiàn)在各個(gè)過程當(dāng)中，比如設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝施工等。其中，模塊化設(shè)計(jì)又是必須遵循的前提。模塊化設(shè)計(jì)即是在設(shè)計(jì)時(shí)要尺寸符合建筑模數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。它有利于大規(guī)模生產(chǎn)，是建筑構(gòu)件具備一定的通用性。建筑模數(shù)包括兩種，一是基本模數(shù)M，二是導(dǎo)出模數(shù)，導(dǎo)出模數(shù)又有兩種，分為擴(kuò)大魔術(shù)與分模數(shù)。擴(kuò)大模數(shù)有3M、6M等，分模數(shù)有1/10M、1/5M等。當(dāng)然這兩種模數(shù)組合也能派生出一些新的尺寸，稱之為模數(shù)數(shù)列。一般來說，模數(shù)數(shù)列會(huì)在工業(yè)化建筑中大量體現(xiàn)。

一個(gè)裝配式結(jié)構(gòu)建筑包含成千上萬個(gè)部件，這些部件雖然是在時(shí)間場(chǎng)合條件都不同的情況下生產(chǎn)出來的，但是它們的標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，而它們之間的組合是靠模數(shù)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)，它使得那些部件的尺寸都要符合模數(shù)數(shù)列的原則，為此這些建筑的構(gòu)件、設(shè)備等不需修改直接安裝。

模數(shù)協(xié)調(diào)重要作用：

（1） 使得建筑物按照部位切割，大大提高模塊化。

（2） 可使構(gòu)件設(shè)備放線標(biāo)準(zhǔn)化，讓各個(gè)生產(chǎn)廠家更加自由，從而降低成本，使得利益最大化。

（3）增強(qiáng)設(shè)備構(gòu)件的互換性，使得它們的互換性與生產(chǎn)方式、生產(chǎn)廠家等獨(dú)立開來，

（4）適當(dāng)減少標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件的數(shù)量，加強(qiáng)建筑的多樣性程度。

2 傳統(tǒng)裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1 裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

與國(guó)外比較完善的裝配式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比，國(guó)內(nèi)的裝配式建筑方面還存在許多問題。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是從2014年《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》開始成型，并于該年10月起實(shí)施[1]。該規(guī)程作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)、裝配式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼筋連接設(shè)計(jì)技術(shù)要求等多項(xiàng)重要技術(shù)提供了參照。以及裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工還應(yīng)嚴(yán)格參照以下4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

（1）國(guó)家工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)表；

（2） 協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)表；

（3） 地方的標(biāo)準(zhǔn)表；

（4） 圖集表。

2.2 裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括了結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、整體結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算、構(gòu)件設(shè)計(jì)的拆分與合并、構(gòu)件連接處節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以及進(jìn)一步的深化設(shè)計(jì)。

2.2.1結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)

按照《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ1-2014）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）里的規(guī)定等進(jìn)行構(gòu)件的設(shè)計(jì)[2]。若是高層建筑的話要另外符合相關(guān)要求。進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)不僅要將兩個(gè)階段—預(yù)制與吊裝的設(shè)計(jì)要求納入考慮范疇之內(nèi)，還有相關(guān)的計(jì)算規(guī)定。

2.2.2整體結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的是等同現(xiàn)澆設(shè)計(jì)方法，計(jì)算時(shí)要進(jìn)行豎向和水平荷載的受力分析，為保證設(shè)計(jì)合理還要進(jìn)行屈服和塑形的驗(yàn)算。在計(jì)算時(shí)需對(duì)參數(shù)根據(jù)具體情況進(jìn)行改動(dòng)與調(diào)整。

2.2.3構(gòu)件設(shè)計(jì)的拆分與歸并

預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)包含兩個(gè)方面：一是拆分另一個(gè)是歸并。先是拆分后是歸并，在進(jìn)行設(shè)計(jì)前，要想到施工方面的問題，考慮到施工的條件及施工的水平。此外拆分時(shí)盡量使得界面一樣，類別較少并且保證它的使用功能保持不變。

2.2.4構(gòu)件連接處節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

像梁柱連接中的牛腿連接這樣，通過節(jié)點(diǎn)的連接來使得等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)得到保證。在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，抗剪設(shè)計(jì)是要最先考慮的，在樓板的表面可以布置一些人工建造的粗糙面。

2.2.5構(gòu)件進(jìn)一步的深化設(shè)計(jì)

預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)要滿足專業(yè)和構(gòu)件的安裝、運(yùn)輸?shù)绕渌矫娴囊?。深化設(shè)計(jì)包括3個(gè)部分：模具圖的設(shè)計(jì)、鋼筋組裝圖的設(shè)計(jì)、吊裝圖的設(shè)計(jì)。深化設(shè)計(jì)需要技術(shù)人員根據(jù)具體的模具圖進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。鋼筋組裝圖要具體地描述配筋以便制作完成。設(shè)計(jì)吊裝圖時(shí)不僅要考慮到吊具的式樣不同，還包含吊具的承載能力。

3 基于BIM的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

3.1 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的思想

如今的裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式是以現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)進(jìn)行的，第一步是根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算，然后進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)，先是把各個(gè)節(jié)點(diǎn)拆開，在進(jìn)行完進(jìn)一步的深化設(shè)計(jì)后，把構(gòu)件全部運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)然后建筑組裝。導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件的種類繁多，不利于其工廠化的生產(chǎn)，它與如今工業(yè)化的原則相矛盾。因此，要轉(zhuǎn)變過去傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，并且今后新的設(shè)計(jì)理念應(yīng)該考慮到預(yù)制構(gòu)件的通用性，進(jìn)而盡量使得構(gòu)件的種類較少但是產(chǎn)品確是呈現(xiàn)多種多樣化的趨勢(shì)。從而基于BIM的裝配式建筑結(jié)構(gòu)方式要把構(gòu)件與構(gòu)件間聯(lián)系起來，組合形成預(yù)制構(gòu)件的數(shù)據(jù)庫(kù)。進(jìn)行裝配式設(shè)計(jì)時(shí)，就可以直接從預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇構(gòu)件，這樣可以緩解設(shè)計(jì)者的壓力，進(jìn)而減少了時(shí)間降低了設(shè)計(jì)成本，達(dá)到總體上造價(jià)的部分降低。預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)是構(gòu)件設(shè)計(jì)方與構(gòu)件生產(chǎn)商共用的，設(shè)計(jì)尺寸時(shí)可以在數(shù)據(jù)庫(kù)的尺寸范圍中選擇，從而保證二者的協(xié)調(diào)性；預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠可以提前生產(chǎn)通用性能較強(qiáng)的預(yù)制構(gòu)件，保證預(yù)制構(gòu)件的及時(shí)供應(yīng)，使得工程建設(shè)的效率得到大大的提高。隨著裝配式建筑的發(fā)展，預(yù)制構(gòu)件庫(kù)也在不斷完善，并且需考慮一些相對(duì)特殊的預(yù)制構(gòu)件以便滿足特殊建筑的布設(shè)要求。

3.2 基于BIM的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程

與傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)相比，基于BIM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，預(yù)制構(gòu)件的尺寸類別過于繁多，這會(huì)對(duì)工業(yè)化的進(jìn)程造成一定的困難，更不利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化。因此，要改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是先是整體結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)進(jìn)而是構(gòu)件的拆分，如今要把它轉(zhuǎn)變?yōu)榛贐IM的裝配式設(shè)計(jì)，而它是面向著預(yù)制構(gòu)件。現(xiàn)在的設(shè)計(jì)方式分為4個(gè)步驟：預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和完善，BIM模型構(gòu)建，BIM模型的分析和優(yōu)化及BIM模型的建造應(yīng)用。

3.2.1預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和完善

預(yù)制構(gòu)件庫(kù)是BIM主導(dǎo)下裝配式建筑的關(guān)鍵部分，而在設(shè)計(jì)這部分時(shí)首先得從建立BIM模型和生產(chǎn)設(shè)計(jì)的預(yù)制構(gòu)件開始。為了使預(yù)制件能夠通用化和標(biāo)準(zhǔn)化也非常重要，使其通用化是為了能應(yīng)用于更多不同類型的建筑上，標(biāo)準(zhǔn)化是為了構(gòu)件廠能更加方便生產(chǎn)施工。此外，預(yù)制構(gòu)件庫(kù)還要具有各種類型的構(gòu)件，并能滿足多種或某種要求，當(dāng)建立較齊全時(shí)可開始對(duì)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)使其符合規(guī)定而進(jìn)行研究。

3.2.2BIM模型構(gòu)建

基于預(yù)制構(gòu)件庫(kù)的建立，設(shè)計(jì)者可根據(jù)設(shè)計(jì)中的需求在預(yù)制構(gòu)件庫(kù)中搜尋并選用合適的構(gòu)件，應(yīng)用于BIM模型的構(gòu)件之中。當(dāng)所需要的預(yù)制構(gòu)件找不到時(shí)，可以自己構(gòu)思設(shè)計(jì)所需的構(gòu)件，選中新構(gòu)件后可將其加進(jìn)預(yù)制件庫(kù)。構(gòu)建BIM模型是要去實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)裝配式結(jié)構(gòu)并且使其結(jié)構(gòu)更加可靠，還需要對(duì)BIM模型進(jìn)行分析復(fù)核，使得結(jié)構(gòu)能更加完善，仔細(xì)檢查過后可把BIM模型投入使用。

3.2.3BIM模型的分析和優(yōu)化

保證結(jié)構(gòu)安全性的措施是利用分析復(fù)合的方法來對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和模型進(jìn)行檢驗(yàn)，之后使得BIM模型符合設(shè)計(jì)要求，然后進(jìn)行不斷地檢查加以改善，得出最后的較為完備的整體設(shè)計(jì)。分析及復(fù)核不通過時(shí)，要對(duì)預(yù)制構(gòu)件及結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，可根據(jù)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，也可根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際連接情況進(jìn)行判斷分析。同樣，通過將得出的結(jié)果進(jìn)行查證，以此檢驗(yàn)結(jié)果所采用的方法的準(zhǔn)確性。

分析復(fù)核法是BIM模型需滿足的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的要求，要想滿足其他更加深層次的要求就需要通過碰撞檢查的方法來淘汰符合的構(gòu)件，并用其他構(gòu)件取代，再用分析復(fù)核的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，使得都符合規(guī)定。從而使構(gòu)件不用重新設(shè)計(jì)制作。

3.2.4BIM模型的建造應(yīng)用

滿足分析復(fù)核及碰撞檢查的BIM模型可交付使用，建造階段可通過利用BIM模型模擬施工進(jìn)度并且以此合理地規(guī)劃生產(chǎn)和運(yùn)輸所需的預(yù)制構(gòu)件以及施工現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制構(gòu)件的裝配及施工。預(yù)制構(gòu)件廠以預(yù)制構(gòu)件庫(kù)為依據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)。在施工階段，通過采集施工過程中的進(jìn)度，質(zhì)量，安全信息，并將所得信息導(dǎo)入BIM模型，從而實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的全壽命周期的工程管理。

4 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與基于BIM的設(shè)計(jì)方法對(duì)比

傳統(tǒng)的裝配式的設(shè)計(jì)方法也就是相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)澆注的設(shè)計(jì)工藝，由整體到局部進(jìn)行分析，一次做出節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以及構(gòu)建的設(shè)計(jì)。以上的使用方法固然能較好地可供設(shè)計(jì)師們?nèi)?gòu)思，但是構(gòu)件的種類是非常寬泛的，要想適應(yīng)工業(yè)化的流水線，必然要考慮到預(yù)制構(gòu)件廠的具體生產(chǎn)情況，此外設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)方面的信息的傳遞渠道不通暢，也是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大弊??；而基于BIM的設(shè)計(jì)方法與之相比，其設(shè)計(jì)思路與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同，基于BIM的設(shè)計(jì)方法使用了面向預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)方式，首先是進(jìn)行裝配式結(jié)構(gòu)的預(yù)先設(shè)計(jì)，然后通過分析計(jì)算對(duì)BIM模型進(jìn)行檢查，以便于發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)解決，另外通過對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行整理分類也有利于預(yù)制構(gòu)件庫(kù)的合理管理，此外這種方式也為程序的開發(fā)開辟了一條新的道路。

5 結(jié)語

隨著建筑工業(yè)化進(jìn)程的日益加快，傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)是以二維施工圖紙為交付結(jié)果，并且設(shè)計(jì)思路是先整體后拆分，而基于BIM的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確是以交付BIM模型為主，設(shè)計(jì)思路是以預(yù)制構(gòu)件庫(kù)為核心進(jìn)行，與傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)漸漸顯現(xiàn)出來，在這其中標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，它加強(qiáng)了建筑構(gòu)件的通用性與系列性，而基于BIM的裝配式建筑兼有BIM技術(shù)與裝配式建筑二者的特點(diǎn)，在深度了解這二者的特點(diǎn)之后，得到了一種基于BIM的裝配四結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，它一共分為以下部分：預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和完善、BIM模型的構(gòu)建、BIM模型的分析和優(yōu)化和BIM模型的建造應(yīng)用，它可以避免生產(chǎn)與設(shè)計(jì)間的沖突。