基于BIM的裝配式建筑協(xié)同設計方法

(南京林業(yè)大學 土木工程學院，南京 210037)

引言

裝配式建筑因其效率高、對環(huán)境影響小，是我國建筑業(yè)轉型升級的最佳選擇。裝配式建筑不僅是一種建筑形式，更是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要用系統(tǒng)工程的方法和思想去解決實際問題[1]。就裝配式建筑設計而言，裝配式建筑設計不僅增加了構件拆分、深化設計等內容，從設計理念、流程、方法等也應有相應的改變。BIM技術的推廣和日漸成熟，為裝配式建筑協(xié)同設計的實現(xiàn)提供了新的方法和平臺。目前，BIM在裝配式建筑中的應用大都停留在施工和生產(chǎn)階段[2]，在設計階段的研究多局限于對結構設計[3-4]、構件連接[5-6]、構件拆分和深化設計[7-11]等某一方面的研究，對裝配式建筑的設計流程、設計內容，以及標準化、參數(shù)化設計缺乏系統(tǒng)性和完整性。本文基于建筑協(xié)同設計理論方法，建立了基于BIM的裝配式建筑PCP協(xié)同設計概念模型，確定了裝配式建筑設計的內容和流程，基于標準化、參數(shù)化設計要求，研究了預制構件拆分、設計優(yōu)化的具體方法。

1 BIM協(xié)同設計

1.1 協(xié)同設計概念

所謂協(xié)同工作，是指基于計算機支持的網(wǎng)絡環(huán)境，團隊通過信息共享、轉換和相互協(xié)作機制，有效地完成工作任務。建筑協(xié)同設計是協(xié)同工作在設計領域的分支，通過構建基于網(wǎng)絡的協(xié)同設計環(huán)境，利用統(tǒng)一專業(yè)標準和協(xié)同設計軟件，實現(xiàn)設計數(shù)據(jù)實時共享，以進一步提高設計效率[12]。建筑工程領域中，協(xié)同設計一般分為二維協(xié)同設計和三維協(xié)同設計。二維協(xié)同設計是以CAD軟件的外部參照為基礎的直線式、文件級協(xié)同，是基于二維圖紙的定期更新的階段性協(xié)同方式； BIM三維協(xié)同設計是一種新的設計范式，是在同一環(huán)境下，各專業(yè)人員基于三維模型進行的平行設計，通過信息共享、溝通協(xié)作完成同一項目設計工作的協(xié)同模式。BIM協(xié)同設計不再是設計外的加載技術，而是設計過程本身的一部分。BIM協(xié)同設計較二維協(xié)同設計其設計內容更加豐富、效率更高，更具有優(yōu)勢[13]。

1.2 BIM協(xié)同設計與傳統(tǒng)設計對比

傳統(tǒng)設計方法在項目設計中是階段性、單向的，缺乏交流，設計過程快速簡單，在過程組織、任務快速分配上有一定的優(yōu)勢，但項目各參與方之間缺乏交流，無法進行方案的最優(yōu)化配置[14]。同時，由于各專業(yè)設計工具不盡相同，信息缺乏統(tǒng)一性，導致各專業(yè)間的信息數(shù)據(jù)無法完全共享。BIM協(xié)同設計方法強調“設計迭代”，即建筑設計從初期的概念設計到最終的施工圖設計不斷迭代，在設計前期將所有關于設計問題的各方思想統(tǒng)籌考慮，建筑師不再是唯一決策者[15]。BIM 協(xié)同設計是基于同一個三維模型的“閉環(huán)”，各專業(yè)可以通過網(wǎng)絡服務器實現(xiàn)同步設計，信息可在上下游專業(yè)之間無縫傳遞共享，縮短了專業(yè)之間協(xié)調時間[16]。兩種設計方法的主要區(qū)別見表1。

表1 兩種設計方法的區(qū)別

區(qū)別傳統(tǒng)設計BIM協(xié)同設計設計理念以規(guī)劃和功能為重點,提供滿足使用要求的設計方案,外立面以造型的美觀作為判斷標準在滿足規(guī)劃和功能的前提下,將功能及平面模塊化,用模塊化的設計方式組織平面,在滿足工藝需求和造型美觀之間找到平衡點設計內容各專業(yè)設計內容符合相關規(guī)范要求除現(xiàn)澆設計內容外,需對構件節(jié)點、連接做法等細節(jié)進行深化設計,且將各專業(yè)設計內容整合在一起設計流程立項→設計→施工→使用立項→策劃→設計→生產(chǎn)→施工→裝修→使用→更新多專業(yè)協(xié)同方案設計以建筑布局、功能、形體為主,初步設計階段各專業(yè)介入,施工圖設計階段各專業(yè)密切配合后各自深化并出圖結構專業(yè)介入方案設計,確定結構體系和拆分平面后,建筑專業(yè)完善平面和立面; 初步設計階段各專業(yè)密切配合,在同一個模型中完善圖紙; 施工圖階段各專業(yè)在同一平臺上深化設計工作,出構件拆分大樣圖協(xié)同工具CAD、相關插件Revit+CAD+協(xié)同平臺圖紙表達二維表達二維+三維表達工地驗收施工現(xiàn)場驗收對構件廠和施工現(xiàn)場均進行驗收

2 基于BIM的裝配式建筑協(xié)同設計實現(xiàn)

BIM協(xié)同設計從協(xié)同的內容角度可以分為三個層面，即全過程協(xié)同、專業(yè)協(xié)同和構件協(xié)同。全過程包括方案設計到深化設計的四個設計階段，并考慮施工階段主要施工工藝； 專業(yè)協(xié)同是指建筑師、結構師、暖通水電、構件加工、施工安裝等不同專業(yè)工種的協(xié)同； 構件協(xié)同即指三維模型的設計精度和模型交付所需要的信息。以上三者的信息交互協(xié)同是基于BIM三維模型實現(xiàn)的，其中全過程協(xié)同是原則，專業(yè)協(xié)同是實現(xiàn)手段，構件協(xié)同是基礎。

2.1 PCP概念模型

基于BIM的協(xié)同設計PCP(Professional-Component-Process)模型系統(tǒng)表述了裝配式建筑構件設計、專業(yè)協(xié)同、構件生產(chǎn)等關鍵環(huán)節(jié)之間的關系，如圖1所示。圖中打“√”者為協(xié)同設計設計選項。

圖1 PCP集成設計概念三維模型

(1)構件設計與專業(yè)協(xié)同結合。構件設計即應用BIM建模軟件完成的包含圖形信息和非圖形信息的三維模型。預制構件(Component)設計應與專業(yè)(Professional)相關聯(lián)，根據(jù)不同專業(yè)分工要求，利用網(wǎng)絡平臺不斷補充完善模型信息。一般來說建筑師首先提出設計方案，其后結構、水暖電工程師、構件制造生產(chǎn)商等先后介入，這種次序是傳統(tǒng)設計的流程，但含有豐富信息的三維模型和高效的網(wǎng)絡協(xié)同平臺可以實現(xiàn)信息的及時共享，并且通過設定權限的方法對實現(xiàn)對三維模型的瀏覽、編輯下載、下載上傳，可以極大提高設計效率。

(2)構建設計與生產(chǎn)過程結合。預制構件(Component)設計應與實際生產(chǎn)過程(Process)相結合，因不同設計階段內容和深度各不相同，構件包含的信息各有差異，但具有迭代性，模型信息的精度和細度根據(jù)IDM信息交付標準規(guī)范來確定，以滿足使用要求為目標，盡量使模型輕量化，避免信息繁冗。

(3)專業(yè)設計與生產(chǎn)過程結合。不同生產(chǎn)階段對應不同的專業(yè)工作，但生產(chǎn)過程和專業(yè)工作的成果并非是線性的傳遞過程，可以利用BIM虛擬仿真工具，對后續(xù)工作進行模擬分析，在BIM模型中實現(xiàn)過程集成和專業(yè)集成，以提高設計質量和效率。如裝配式建筑方案設計階段，結構專業(yè)應提前介入，結構專業(yè)根據(jù)建筑專業(yè)確定的建筑布置形式初步確定結構形式，并做出結構方案，進行構件初步拆分和預拼裝模擬。

PCP概念模型從概念上解釋了裝配式建筑協(xié)同設計的內涵和內容。在實際應用時應從以下幾方面入手：其一，過程中應在原有設計流程中增加深化設計、生產(chǎn)加工和施工安裝環(huán)節(jié)。尤其是預制生產(chǎn)階段應與充分考慮項目總體設計和施工安裝； 其二，各專業(yè)協(xié)同設計工作應嚴格依照《建筑信息模型設計交付標準》(GB/T 51301-2018)，除滿足模型精細度和粒度要求之外，尤其要注意對象和參數(shù)及文件的命名規(guī)則； 其三，建立裝配式建筑的標準構件庫。裝配式建筑的特點是模塊化、標準化、參數(shù)化，豐富的構件庫可以極大提高設計效率。

表2 不同專業(yè)的模型精細度

LOD100LOD200LOD300LOD400LOD500建筑專業(yè)模型精度略略建筑外觀細節(jié):扶手、樓梯; 內墻、隔墻、管道井; 家具、衛(wèi)浴裝置建筑外觀細化; 預孔洞預留內部二次裝修、細節(jié)深化; 隱蔽工程典型用途概念設計方案設計初步設計、碰撞檢測施工圖設計、現(xiàn)場模擬施工和竣工模型結構專業(yè)模型精度主要預制構件:疊合梁、外墻板、柱、疊合板等次要構件:樓梯、洞口、空調板等節(jié)點鋼筋模型,所有未提及的結構設計、安裝加工模型施工支護、圍護結構、臨時支撐、預埋件典型用途結構概念結構布置方案結構初步設計、碰撞檢測深化設計、詳細碰撞檢測、結構展示施工模擬、施工碰撞檢測機電專業(yè)模型精度—主干管線、橋架分支管路、機房設備、線管、配電箱、控制柜毛細管路、管路末端設備、閥門、衛(wèi)浴裝置、燈具開關面板、支架、特殊三通/四通加工模型典型用途—方案設計初步設計、碰撞檢查、預留孔洞施工圖設計、碰撞檢查施工管理、細部表現(xiàn)

表3 預制構件拆分原則

2.2 BIM模型交付標準

協(xié)同設計的關鍵工作是各確定模型設計深度和精度。按《建筑信息模型設計交付標準》(GB/T 51301- 2018)裝配式建筑預制構件各專業(yè)BIM模型精細度如表2所示。裝配式建筑主設計主要分為4個階段：

(1)方案設計。結構工程師介入，模型精細度為LOD200。根據(jù)建筑布局初步確定結構形式，進行構件拆分、預拼裝模擬，配合業(yè)主和建筑設計師進行方案可行性評估；

(2)初步設計。暖通設備工程師介入，模型精細度為LOD300，完成構件的土建、鋼筋、設備、管線布設等信息；

(3)施工圖及深化設計。對節(jié)點連接等內容進行深化及補充建模，達到LOD400的要求，進行碰撞檢查、施工模擬、施工圖設計優(yōu)化；

(4)施工階段。模型精細度為LOD500，要求模型中包含以實際施工工藝為主的時間、成本、采購、加工及運輸?shù)裙こ坦芾韮热荨?/p>

2.3 構件參數(shù)化設計

裝配式建筑設計需要采用工業(yè)化建造的思維，要求標準化、參數(shù)化、精細化，以滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)的要求[17]。構件拆分、構件深化設計是裝配式建筑結構設計特有的內容。BIM協(xié)同設計為實現(xiàn)裝配式建筑的參數(shù)化設計提供了技術支撐，Autodesk公司提供的基于Revit建模工具的Dynamo和Structural Precast for Revit插件，可用于構件拆分和結構分析計算。

(1)構件拆分

首先根據(jù)各構件拆分原則進行拆分，拆分原則如表3所示。

(2)構件結構分析

1)設置鋼筋

構件進行拆分后，需要對拆分后的構件按設計規(guī)范配置鋼筋。以疊合梁鋼筋配置為例，基本過程如圖2所示：從結構模型中拾取已有的現(xiàn)澆構件鋼筋的相應尺寸、類型、直徑、鋼筋宿主ID等，在Dynamo中根據(jù)規(guī)定進行重編輯，通過中心線生成拆分后的構件的鋼筋，然后再給予位置、彎鉤、直徑等信息。

圖2 配筋流程圖

圖3 鋼筋的創(chuàng)建

Dynamo運行步驟： ①輸入鋼筋的相關參數(shù)，確定鋼筋距離，調取Rebar.FollowingSurface節(jié)點創(chuàng)建鋼筋曲線； ②利用Rebar.GetProperties確定梁的ID、鋼筋的類型、直徑及種類、起點和終點彎鉤方向和角度； ③調取Rebar．GetCenterlineCurve節(jié)點得到梁的縱筋線段(縱筋中心線即疊合梁中心線方向)； ④調用Curve.PlaneAtSegmentLength取得直線處垂直平面，該垂直平面首尾確定為后澆段的首尾； ⑤調用Geomentry.Intersect節(jié)點取得縱筋與垂直平面間的交點； ⑥根據(jù)已拆分的疊合ID、梁中線方向以及已獲取的鋼筋直徑、彎鉤和類別等信息，調用Rebar.ByCurve節(jié)點，繪制疊合梁縱筋[18]。Dynamo程序圖如圖3所示，創(chuàng)建完成的鋼筋如圖4所示。

圖4 鋼筋示意圖

2)結構分析

圖5 結構分析流程

圖6 基于Dynamo結構分析程序圖

結構分析利用Revit和Dynamo結構分析包(The Structural Analysis for Dynamo package)進行參數(shù)建模和結構分析，對Dynamo分析結果與設計標準比對。Dynamo參數(shù)化建模的優(yōu)勢在于結構荷載值與幾何尺寸的變化是同步的，可實時優(yōu)化設計方案。設計過程中需對單位面積重量、豎向位移、穩(wěn)定性、內力調整等指標進行與標準的比較。

Dynamo主要操作流程如圖5所示：Revit完成結構及建模后，在The Structural Analysis for Dynamo package結構分析包中調取Ananlysis.Calculate節(jié)點，對選中構件進行有限元結構分析； 調取節(jié)點analyticalBars、analyticalNodes、analyticalPanels分別對構件點、線、面分析，具體如圖6所示。分析結果主要包含單位重量、構件位移、內力和反力，并將分析結果與與裝配式建筑剪力墻結構整體設計控制指標比較，若有不符合標準要求的，重新調整結構模型并運行Dynamo，直至符合規(guī)范要求。

3 應用實例

3.1 項目概況

該項目為南京市保障性住房，位于江蘇省南京市秦淮區(qū)，周圍交通便捷。項目距離最近的裝配式構件廠50km，屬合理運輸范圍。項目綜合技術經(jīng)濟指標見表4。圖7、8為本項目的BIM三維模型和標準層平面圖。

表4 綜合技術經(jīng)濟指標

項目單位數(shù)值總建筑面積m21 583.85設計使用年限年50層高m8.7耐火等級二級屋面防水等級二級抗震設計七度目標裝配率不低于65%目標裝配式建筑等級A級及以上

圖7 BIM三維圖

圖8 標準層平面圖

3.2 建筑設計

1)戶型設計

本項目共兩種戶型，面積在70～100m2。住宅空間需求傾向于經(jīng)濟、舒適、便利。套型平面圖如圖9、11所示，相對應三維圖如圖10、12所示。

圖9 套型①平面圖(74m2)

圖10 套型②平面圖(93m2)

圖11 套型①BIM三維效果

圖12 套型②BIM三維效果

2)裝配式設計要求

本項目為裝配式剪力墻結構，梁、預應力疊合板、女兒墻、樓梯、外墻板為預制，結構柱、非預應力樓板和部分板為現(xiàn)澆。采用集成式廚衛(wèi)，圍護墻與保溫、隔熱、裝飾一體化，內隔墻與管線裝修一體化，結果見表5。

3.3 結構設計

1)構件拆分

根據(jù)《裝配式混凝土結構住宅建筑設計示例(剪力墻結構)15J939-1，以板構件拆分為例，拆分過程為：首先對模型中的預制構件做預拆分處理，在拆分時需要對拆分參數(shù)進行控制。如，在4.1節(jié)所述樓板跨度應小于6m，樓板重量限制在6 000kg以內，且以大板和單向板優(yōu)先。拆分后的部分板如圖13所示。本項目中，疊合板的種類根據(jù)計算規(guī)則為單向疊合板，共計2種。本項目核心筒區(qū)域及部分衛(wèi)生間區(qū)域為現(xiàn)澆，在扣除該區(qū)域后，標準層疊合梁共計6個，其中框架梁4個，次梁1個，連梁1個。預制外墻為非承重混凝土墻9個，拆分結果見表6。

表7 結構整體控制指標結果

節(jié)點位移構件位移內力反力符號數(shù)值節(jié)點符號數(shù)值桿件符號數(shù)值桿件符號數(shù)值支撐Uxmin-0.01cm3Uxmin0.00cm7Nmin-19.48 kN1Rxmax2.25 kN34Uxmax0.00 cm9Uxmax0.00cm1Nmax9.74 kN1Rxmin0.00 kN1Uzmin0.00 cm7Uzmin-0.01cm12Qmin-8.83 kN13Rzmax123.31 kN46Uzmax0.00 cm1Uzmax0.01 cm3Qmax8.80 kN13Rzmin0.00 kN1Ufimin0.00°1撓度min-0.01cm12Mmin-9.40kN?m13Rmmax0.00kN?m1Ufimax0.00°9撓度max0.00 cm9Mmax4.48kN?m12Rmmin0.00kN?m1

表5 構件類型

類型結構柱梁樓板女兒墻樓梯墻板現(xiàn)澆√√√預制√√√√√

表6 拆分構件類別

類型類別共計預制墻板預制外墻(9)9個疊合梁框架梁(4)次梁(1)連梁(1)6個疊合樓板單向疊合板(2)2個

圖13 部分板的拆分結果

圖14 一榀框架示意圖

2)配筋及結構分析

將拆分后的構件進行配筋并進行結構分析。以柱梁組合為例，根據(jù)規(guī)范15J939-1及圖8所示Dynamo的計算程序進行配筋設計，進行結果如圖14所示； 并利用圖6所示的計算程序計算可得節(jié)點位移、構件位移、內力、反力如表7所示。經(jīng)比較，設計結果符合設計規(guī)范。

4 結論

裝配式建筑是建筑業(yè)轉型的方向，BIM技術是促進裝配式建筑實施的有效平臺和方法，基于BIM的參數(shù)化集成設計方法有助于裝配式建筑設計模塊化、標準化、通用化，參數(shù)化設計可以極大提高設計效率，有助于設計方案的優(yōu)化比選。本文采用的基于Dynamo的構件參數(shù)化設計方法，仍屬于弱參數(shù)化應用，如何在BIM平臺下以PCP概念模型為切入點，建立不同結構形式的裝配式建筑參數(shù)化設計平臺是未來研究的重點。