BIM技術在裝配式建筑設計中的應用

唐洪剛 高云鵬 孔思達 馮嫻

摘要：裝配式建筑項目總承包讓設計、施工、構建生產有了深度的融合，依托BIM技術的設計范圍的延續(xù)與拓展成為裝配式建筑實施的必要條件。通過對當前裝配式建筑從設計到實施存在的問題分析，探討B(tài)IM技術在建筑設計、深化設計及建筑構件生產這三個核心階段的應用與優(yōu)化。

關鍵詞：裝配式建筑;BIM;正向設計;深化設計;構件生產

中圖分類號：TU-024

文獻標識碼： A

裝配式建筑的核心工藝為按照構件詳圖進行物料采購，在車間完成建筑構件的組裝澆筑養(yǎng)護后直接運至現場安裝，其對于圖紙精度和一致性的超高標準自然地產生了對于BIM技術的應用需求。當下各設計院對于BIM技術如何具體應用到裝配式項目的設計、深化和輔助生產中，尚未達成共識，而構件拆分模數化和精確化難度過大、深化設計周期過長等行業(yè)難題也有待解決，原因在于設計理念和深化分工還缺乏連續(xù)性和整體性。結合當前國家力推的裝配式建筑總承包項目管理的各項政策，從而讓設計、施工、構建生產有了深度的融合，依托BIM技術的設計范圍的延續(xù)與拓展成為裝配式建筑實施的必要條件。本文將從BIM技術在裝配式建筑設計的各階段應用層面分析入手，對BIM技術在裝配式項目中的深化分工提出探索性的解決方案。

1BIM技術在裝配式建筑設計中的應用分析

BIM（Building Information Modeling）是建筑信息模型的英文簡稱，通過含有建筑真實信息的三維模型實現工程設計、施工管理等功能，是一種分析及管理手段。是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎，進行建筑模型的建立，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有可視化、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點[1] 。裝配式建筑是將建筑的部分或全部構建在工廠預制完成，然后運輸到施工現場，將構件通過可靠的連接方式組裝而成，是具備“設計標準化、生產標準化、施工標準化、一體化裝修和信息化管理”的新型建筑工業(yè)化建筑[2]。BIM技術在裝配式建筑設計中的應用主要在三個階段：

1.1策劃與建筑正向設計

在裝配式建筑技術策劃階段，建筑師或者工程師不能夠準確針對項目定位、建筑規(guī)模、成本限額為投資建設方提供合理的可視化的產業(yè)化方案，后期設計依據不足。需以模數化設計為核心，以將尺寸協(xié)調的功能單元進行組裝的理念來指導設計思路，運用BIM技術來實現從方案一直到施工圖階段的正向設計，以不同階段、不同深度的整體裝配式BIM模型為典型成果。

1.2深化設計與構件拆分

裝配式建筑設計端手動拆分構件標準化程度低，專業(yè)內及專業(yè)間協(xié)同效率低，模型不共享。構件深化設計階段，鋼筋碰撞、預留預埋件與模具及鋼筋干涉問題嚴重等帶來后期構件制作節(jié)點變更頻繁等。需以深度建模為核心，運用BIM來實現深化設計，尤其是結構構件、功能構件和裝飾構件內部和構件間的碰撞協(xié)調。以項目BIM模型和可用于生產的加工圖紙為典型成果。

1.3設計輔助與構件制作

由于前期設計端考慮不周、信息化程度低、管理的粗放，導致構件廠異形構件數量多、模具周轉率低、生產效率低、資源浪費。施工企業(yè)不具備裝配式建筑施工組織經驗，軟件和硬件配置不充分，嚴重限制裝配式施工發(fā)揮其保質量、縮工期的優(yōu)勢。需以服務于裝配式構件制作車間和現場為中心，運用BIM技術來輔助制造和安裝，并擴展至模具設計制作和構件吊運等環(huán)節(jié)。以物料清單、模具圖紙和針對各施工環(huán)節(jié)的分析模擬報告與視頻為典型成果。

2 BIM技術在裝配式項目中各階段的應用方案

2.1理念層面下的裝配式建筑正向設計

2.1.1裝配式建筑的前期策劃

在傳統(tǒng)的設計模式里，各專業(yè)的深化設計呈線性關系， 上游完成了一個階段才會遞進到下游，出現問題時不能及時有效地反饋，各方信息相對閉塞。而各個牽涉到的專業(yè)不同側重點也不同，因此最后的落地成果往往也會出現偏差。這就需要在設計前期對整個建筑的設計做好前期統(tǒng)籌策劃，基于裝配式建筑的特點，為凸顯其模塊化特點，節(jié)省建造成本，前期項目策劃對預制裝配式建筑的實施起到十分重要的作用，設計單位應在充分了解項目定位、建設規(guī)模、產業(yè)化目標、成本限額、外部條件等影響因素的情況下，制定合理的技術路線，提高預制構件的標準化程度，并與建設單位共同確定技術實施方案，為后續(xù)的設計工作提供設計依據[3]。具體的策劃可以從以下三個角度展開：

1）美學理念，基于裝配式的工藝，構件單元將更復合化與專業(yè)化，結構功能、裝飾功能、使用功能得以有機統(tǒng)一。而裝配式建筑的設計美學更多地強調于功能單元的創(chuàng)意式尺寸參數設計和單元間的多樣組合。

2）經濟性思考，裝配式建筑施工的成本構成中，主要包含模具制作、車間加工和調運安裝。而在建筑設計中，細節(jié)尺寸的凌亂極易導致上述三項成本的大幅增加。而對于異型建筑，傳統(tǒng)施工方法極難達到理想效果，但運用裝配式技術就完全可以實現。因此，裝配式建筑在方案設計階段，就需要將裝配式建筑特有的模數化及模塊化理念納入設計前期策劃中。

3）專業(yè)協(xié)同，裝配式建筑的設計難點，在項目方案基本確定后耗時最長的各專業(yè)和各方深化設計的過程中，主要在于需要反復進行方案的調整。因為，裝配式建筑是集設計、生產、施工、裝修和管理為一體的集成化建筑，從設計到施工運營的各個階段都需要建筑結構、構件生產、暖通、給排水、機電和裝修等專業(yè)設計人員共同配合工作。

2.1.2策劃下的建筑正向設計

1）在方案初設階段，建筑的功能單元、結構體系、創(chuàng)意造型即結合裝配式建筑的工藝，運用BIM軟件進行輪廓建模，確定整體外觀。

2）確定項目裝配式工藝各功能區(qū)的構件模數，在進行主要尺寸設計時，由專門的結構工程師把控通用尺寸要求、鋼筋布置條件和節(jié)點做法，在BIM平臺端就將房屋構件單元的尺寸硬性約束為模數匹配，從源頭規(guī)避掉尺寸凌亂的問題。

3）在建筑設計和結構設計進行對接時，逐級將結構設計平臺和前述裝配式建筑構件設計平臺進行數據對接和功能對接，在結構設計人員的專業(yè)支持下，實現從裝配式方案到裝配式構件的自動拆分。

4）在其他各專業(yè)進行設計時，同樣充分考慮功能單元的組合，盡量保證構件輪廓和出筋定位的一致性，在和單一構件進行協(xié)調時，充分考慮水暖電設計方案的“模數化”、一致性，保證盡量減少構件開孔方案等的多樣。

5）將傳統(tǒng)建筑設計中的功能分析和方案展示工作，同樣轉移到裝配式BIM方案的設計體系內，根據裝配式建筑的設計初衷，從建筑美學、建筑功能和綠色環(huán)保等角度完成參數化分析體系的重新制定。

2.2深化設計階段裝配式構件的BIM運用

2.2.1BIM服務用于裝配式構件制造中的現存問題

當下裝配式建筑的工作方式大多是通過常規(guī)的設計工作出具二維圖紙，交付PC構件廠家后再由PC構件廠家進行二次翻模，進而訂制模具后在車間內完成所需構件的生產。其主要缺點在于設計單位所提交的裝配式訂單圖紙無法供構件加工車間使用，而多數PC構件廠家出具模具圖紙和加工圖紙的效率較低，且二維構件圖紙未經過預拼裝，在車間加工環(huán)節(jié)極易出現鋼筋碰撞情況，但模具改造和節(jié)點深化設計的綜合成本極高。

要解決上述問題，主要需通過精細的構件建模和基于參數化模型展開的各類深度應用來解決。因此，對于這一類BIM運用，主要從技術角度展開論述。

2.2.2技術層面下裝配式構件的BIM運用方案

1）將結構構件、功能構件和裝飾構件單元按造型、配筋原則、制作方法等指標進行劃分，在此基礎上制定針對裝配式建筑的BIM族庫架構（圖1）。

2）運用BIM技術將裝配式構件的二維草圖和三維模型中各處尺寸進行參數化管理，真正做到全參數化模型。

3）在真正進入建模環(huán)節(jié)中，重新梳理建筑中構件間的依附關系，保證各構件的獨立性，而僅保留構件間的參數聯動，將構件內部的模型樹結構進行扁平化改造，通過參數標簽的方式提高管理效率。

4）建立雙重可行性驗證制度。對于裝配式構件整體在組合嵌入整個建筑時，在BIM平臺上預先進行拼裝模擬，確認整體構件外部輪廓和單元劃分的準確性（圖2、圖3）。

其中，對于構件單元內部的支撐結構，以鋼筋網絡為典型，在BIM平臺上需進行全參數化異形鋼筋的深度建模和碰撞檢查。鋼筋網絡的深度編輯在行業(yè)領域內已經形成共識，“未來需要編寫相應的程序語句在參數化建立鋼筋的基礎上實現鋼筋對于不同洞口的避讓或者截斷并自動配置補強鋼筋，這樣可以在保證設計深度的前提下進一步提升工作效率”[4]。核心工作是為了保證鋼筋糾偏的自由，在鋼筋建模環(huán)節(jié)，同樣清除掉結構鋼筋和結構外輪廓見的依附關系，而僅保留參數聯動

5）在成果交付環(huán)節(jié)，通過族文件優(yōu)化，保證裝配式構件BIM模型可以直接出具滿足施工方和車間需求的二維圖紙。

2.3裝配式建筑構件生產過程中BIM技術的輔助設計

2.3.1裝配式建筑的執(zhí)行難點

裝配式建筑在制作和安裝階段，目前的管理重點主要有兩項：

1）構件模具多為一體式模具，材料成本高、制作周期長、模具加工圖出圖速度慢、容易出現偏差、模具復用率低下，造成極大浪費。

2）構件的調運安裝環(huán)節(jié)缺乏技術指導，也缺少直觀準確的技術交底措施，最終極易由于人員誤操作導致出現質量問題和進度滯后。

單純就模具建模和施工工藝仿真而言，實現手段和工具都有很多種，但要將具體項目的設計環(huán)節(jié)、模具制作環(huán)節(jié)和施工輔助管理環(huán)節(jié)進行打通則有較大技術障礙，對此的解決方案應從多樣化服務的BIM平臺著手。

2.3.2裝配式建筑設計成果的執(zhí)行

裝配式建筑設計成果的執(zhí)行主要包含兩大環(huán)節(jié)：

1）模具設計和制造環(huán)節(jié)

執(zhí)行方案為：設置能與構件設計進行無損數據對接和參數聯動的模具深化設計平臺。在構件建模階段，即同步完成外圍模具的建模，模具尺寸和構件尺寸參數設置聯動，即在構件族的基礎上附帶完成模具族的制作。進而，在匹配構件尺寸的整體模具模型的基礎上，通過數據接口，轉換到模具深化設計BIM平臺，同樣將模具進行模數化的拆分，并補充固定加強部分，保證力學性能。最終實現模具模型和構件模型一同生成，一同隨參數變化，同時保證模具深化設計平臺直接輸出的出圖標準滿足模具制造廠的需求（圖4～6）。

2）構件調運安裝環(huán)節(jié)

構件調運安裝環(huán)節(jié)執(zhí)行方案為：設置能與裝配式設計平臺進行直接數據對接的模擬仿真平臺。在裝配式項目BIM設計的基礎上，建立制造車間和安裝現場兩大場地BIM以及配套的措施項目、施工機具模型體系。要真正實現有效的技術交底和施工管理，核心即在于兩個平臺間數據對接的高效，模擬平臺端項目構件模型樹和設計端項目模型樹相一致，進而保證模擬展示平臺上可實現以準確資源管理為基礎的施工輔助管理。最終實現項目現場和模擬展示的高度一致（圖7～10）。

3結束語

裝配式建筑發(fā)展過程中的核心難題是建筑的標準化，而裝配式建筑的標準化決定了前期統(tǒng)籌、構件設計、構件生產等各項目階段應相互協(xié)調、相互配合、相互修正，利用好BIM技術則可以有效地解決這一難題。本文通過對BIM技術在裝配式建筑設計中的應用分析，對BIM技術在建筑設計、深化設計、以及建筑構件生產這三個核心階段進行了探討，為裝配式建筑設計的前期策劃進行了高效有序的步驟分解，從技術角度對裝配式構件制造中存在的問題提出了解決方案，最后對裝配式建筑設計成果執(zhí)行的兩大難點環(huán)節(jié)進行了方案推理演示?？傮w而言，裝配式技術和BIM技術的應用應該在一定原則的基礎上具有一定的靈活性。所謂原則，即通過新興技術的應用，解決問題、提高效率、創(chuàng)造價值;所謂靈活，即拋去既有思維定式和習慣，重新審視、選擇和建立切實可行的技術體系、總體理念和執(zhí)行平臺。在此基礎之上，對裝配式和BIM這兩大技術進行攻關、推廣和新技術執(zhí)行標準的落地，最終實現建筑工業(yè)化與信息化的良性發(fā)展。

參考文獻：

[1]

楊寶明. BIM改變建筑業(yè)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

[2]樊則森， 李新偉. 裝配式建筑設計的BIM方法[J]. 建筑技藝， 2014 （6）： 68-76.

[3]余騰飛. BIM技術在裝配式建筑設計階段中的應用研究[D].重慶：重慶大學，2018.

[4]潘敏華，張守峰，王旭松.BIM技術在裝配式建筑設計中的應用[J].建筑結構，2018，48（S1）：658-662.

（責任編輯：曾晶）