BIM技術(shù)在輕型預(yù)制樓梯研究中的應(yīng)用

譚貽導(dǎo) 歐陽浩 楊博 劉幸 梁玉德

【摘要】BIM具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性的特點。輕型預(yù)制樓梯在設(shè)計階段可應(yīng)用BIM的可視化的特點，讓不同結(jié)構(gòu)尺寸的預(yù)制樓梯更加直觀的展示，通過對比分析確定預(yù)制樓梯的結(jié)構(gòu)尺寸;在預(yù)制樓梯生產(chǎn)階段可應(yīng)用BIM的協(xié)調(diào)性及模擬性，可協(xié)調(diào)預(yù)制樓梯的鋼筋與預(yù)埋件之間的位置關(guān)系，可模擬預(yù)制樓梯構(gòu)件的生產(chǎn)流程;在預(yù)制樓梯的吊裝階段可應(yīng)用BIM的模擬性，模擬預(yù)制樓梯在項目施工中的吊裝流程。

【關(guān)鍵詞】輕型預(yù)制樓梯;BIM;設(shè)計;模擬性

我國每年竣工的城鄉(xiāng)建筑總面積約20億m2，是全球第一大建筑市場，但是我國建筑業(yè)生產(chǎn)存在能耗大、質(zhì)量差、周期長、成本高、不環(huán)保等一系列問題，迫切需要采取現(xiàn)代化手段推進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級。近幾年來，國家大力推進裝配式建筑的建設(shè)，目標到 2020 年，全國裝配式建筑占新建建筑的比例達15%以上，其中重點推進地區(qū)達到 20%以上[1]?！逼淠康氖菫榱耸菇ㄖ袠I(yè)達到綠色，安全和高效的水準[2]。樓梯在建筑物中起到了垂直交通的作用，但當遇到如火災(zāi)地震等緊急情況時則起到疏散和逃生的重要作用，它也是結(jié)構(gòu)抗震的薄弱部位。傳統(tǒng)現(xiàn)澆樓梯需現(xiàn)場施工，大量使用模板、濕作業(yè)多，臟亂、工序繁多，成型質(zhì)量難以保證，并且需要現(xiàn)場養(yǎng)護，整體施工周期較長，難以適用現(xiàn)代建筑綠色施工及環(huán)保工藝要求。預(yù)制樓梯能較好的解決傳統(tǒng)現(xiàn)澆樓梯的困境，除了更加美觀之外，同時也能提升施工的效率、減少對環(huán)境的污染，采用蒸養(yǎng)的方式，保證了混凝土的強度，提升了工程的質(zhì)量度，能夠有效降低因為人工的素質(zhì)參差不齊而造成的質(zhì)量達不到標準等隱患。

BIM為建筑信息模型（Building Informati-

on Modeling）的簡稱，該模型的創(chuàng)建以建筑項目中的各類數(shù)據(jù)、信息為基礎(chǔ)[2]，再通過數(shù)字信息虛擬仿真建筑物的實際真實信息，呈現(xiàn)的方式是數(shù)據(jù)庫+三維模型，具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、可出圖性等特點。近些年，BIM在行業(yè)內(nèi)得到了長足發(fā)展，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、成本預(yù)算、進度管理、施工模擬、機電安裝等方面得到了有效應(yīng)用。BIM以三維建模軟件為工具，建立建筑信息模型，對模型的屬性、數(shù)量、方法、成本及進度等信息，盡可能準確有效地連結(jié)在一起，使該建筑物名副其實，且深具應(yīng)用價值與共享的信息模型。預(yù)制樓梯屬于建筑構(gòu)件中一個重要組成部分，其工業(yè)化程度高，而BIM技術(shù)在輕型預(yù)制樓梯的研究中，在設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、吊裝等環(huán)節(jié)起到很好的輔助作用。

1、BIM在設(shè)計階段的應(yīng)用

1.1輕型預(yù)制樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計

樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計師設(shè)計出一種肋梁折板式輕型預(yù)制樓梯，在最初的CAD設(shè)計圖的基礎(chǔ)上利用REVIT軟件建立輕型預(yù)制樓梯模型。這種輕型預(yù)制樓梯由梯梁、梯面板、踏步板、上下連接板組成。建模人員在同一類型的基礎(chǔ)上更改樓梯的梯梁高度、梯梁厚度、折板厚度建立多個輕型預(yù)制樓梯模型。利用Midas軟件對預(yù)制樓梯進行模擬受力分析，整理不同結(jié)構(gòu)尺寸的受力分析圖。預(yù)制樓梯一般采用鋼模具，模具設(shè)計師根據(jù)樓梯模型，分析模具制造難度、制造成本、脫模難易程度。結(jié)構(gòu)設(shè)計師結(jié)合三維模型圖、Midas受力分析報告、模具制造分析報告確定輕型預(yù)制樓梯的結(jié)構(gòu)尺寸。見圖1

1.2樓梯鋼筋籠設(shè)計

由于輕型預(yù)制樓梯的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在滿足配筋率的情況下進行優(yōu)化。綜合考慮樓梯強度、鋼筋保護層、鋼筋間距等因素，設(shè)計者確定最初的鋼筋形狀及直徑。通過Revit建立每根鋼筋的族模型，然后根據(jù)圖紙樓梯鋼筋籠的幾何形狀，利用Revit嵌套族的方法，把所有鋼筋零部件組裝成鋼筋籠。經(jīng)過觀察和分析每個鋼筋零部件的形狀尺寸，鋼筋零部件之間的裝配銜接情況。分析樓梯鋼筋籠模型，提出存在不合理的地方，設(shè)計師可以進一步優(yōu)化鋼筋零部件的形狀尺寸及所有鋼筋零部件的相對位置關(guān)系。

1.3樓梯族庫

在裝配式預(yù)制樓梯BIM應(yīng)用中，模擬工廠加工的方式，以預(yù)制樓梯構(gòu)件的方式來進行系統(tǒng)集成和表達，這就需要建立裝配式預(yù)制樓梯構(gòu)件庫[3]。通過裝配式預(yù)制樓梯構(gòu)件庫的建立，可以不斷增加BIM虛擬預(yù)制樓梯構(gòu)件的數(shù)量、種類和規(guī)格，逐步建立標準化、參數(shù)化預(yù)制樓梯構(gòu)件庫[4]。當接到新的項目時，可在預(yù)制樓梯構(gòu)件庫中找到一樣或類似的預(yù)制樓梯模型。這樣對預(yù)制樓梯的優(yōu)化設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、吊裝、綜合成本等都起到了參照作用。一個標準化的預(yù)制樓梯配套相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方案、生產(chǎn)工藝及流程、生產(chǎn)管理、運輸管理、吊裝方案等。見圖2

1.4 樓梯優(yōu)化設(shè)計

利用樓梯模型的可視化，讓我們更加直觀的看到樓梯的外觀結(jié)構(gòu)、鋼筋籠、預(yù)埋件的位置。設(shè)計者利用其可視化從結(jié)構(gòu)、鋼筋加工綁扎工藝、模具制造等方面分析，從而優(yōu)化樓梯預(yù)制構(gòu)件。見圖3

1.5材料用量統(tǒng)計

輕型預(yù)制樓梯結(jié)構(gòu)模型及鋼筋零部件模型建好后，利用REVIT的明細表統(tǒng)計功能把樓梯的體積、鋼筋類型、材料生產(chǎn)廠家等信息進行統(tǒng)計，并導(dǎo)出excel表格。模型材料用量的統(tǒng)計減少了人工計算過程，也避免了計算產(chǎn)生的誤差。見圖4

1.6構(gòu)件出圖

樓梯模型優(yōu)化設(shè)計完成后，創(chuàng)建圖紙把樓梯構(gòu)件各視圖放入，生成樓梯深化設(shè)計圖紙。創(chuàng)建鋼筋籠圖紙，把鋼筋籠及各零部件放入圖紙中。創(chuàng)建的圖紙中含有三維結(jié)構(gòu)圖，車間生產(chǎn)技術(shù)人員能更快的讀懂圖紙，可以合理準確的布置樓梯生產(chǎn)流程。

2、BIM在預(yù)制樓梯構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用

輕型預(yù)制樓梯設(shè)計完成后，需要進行試生產(chǎn)。BIM在預(yù)制樓梯試生產(chǎn)中的應(yīng)用主要包括：構(gòu)件加工圖設(shè)計、構(gòu)件加工指導(dǎo)、通過CAM實現(xiàn)預(yù)制樓梯的數(shù)字化制造等方面。

2.1 樓梯構(gòu)件加工圖

通過BIM模型對建筑構(gòu)件的信息化表達，構(gòu)件加工圖在BIM模型上直接完成和生產(chǎn)，不僅能清楚表達傳統(tǒng)圖紙的二維關(guān)系，而且對于復(fù)雜空間剖面關(guān)系也可以清楚表達，同時還能將離散的二維圖紙信息集中在一個模型當中，這樣的模型能夠緊密的實現(xiàn)與預(yù)制構(gòu)件廠的協(xié)同與對接。

在生產(chǎn)加工過程中，BIM信息化技術(shù)可以直觀單位表達構(gòu)件空間關(guān)系和各項參數(shù)，能自動生成樓梯構(gòu)件下料單、派工單、模具規(guī)格參數(shù)等[5]，并通過可視化的直觀表達幫助工人理解設(shè)計意圖，可以形成BIM生成模擬動畫、流程圖、說明圖等輔助材料，有助于提高工人生產(chǎn)的準確性和質(zhì)量效率。

2.2 樓梯構(gòu)件生產(chǎn)指導(dǎo)

在生產(chǎn)加工過程中，BIM信息化技術(shù)可以直觀單位表達構(gòu)件空間關(guān)系和各項參數(shù)，能自動生成樓梯構(gòu)件下料單、派工單、模具規(guī)格參數(shù)等，并通過可視化的直觀表達幫助工人理解設(shè)計意圖，可以形成BIM生成模擬動畫、流程圖、說明圖等輔助材料，有助于提高工人生產(chǎn)的準確性和質(zhì)量效率。

2.3 RFID技術(shù)的應(yīng)用

在預(yù)制樓梯生產(chǎn)時放入RFID芯片，在對應(yīng)RFID芯片系統(tǒng)中輸入關(guān)于輕型預(yù)制樓梯的結(jié)構(gòu)尺寸、重量、生產(chǎn)日期、技術(shù)員、項目名稱等信息。樓梯構(gòu)件到達項目后通過RFID閱讀器識別出樓梯構(gòu)件的相關(guān)信息，信息上顯示樓梯構(gòu)件屬于哪個樓棟號及安裝樓層位置，這樣提高的吊裝施工的效率。預(yù)制樓梯吊裝完成后，在RFID芯片系統(tǒng)中添加吊裝施工完成時間，為項目在運維階段的運作提供依據(jù)。

3、BIM在樓梯吊裝中的應(yīng)用

輕型預(yù)制樓梯在構(gòu)件廠制造完成后運輸?shù)绞┕ろ椖浚珺IM工程師把輕型預(yù)制樓梯模型載入項目的建筑結(jié)構(gòu)模型中。并且添加吊具、螺栓、注漿工具等模型。Revit 和Fuzor兩款軟件可以實現(xiàn)模型共享。將施工進度計劃與預(yù)制樓梯進行關(guān)聯(lián)，將空間信息與時間信息整合在一個可視的 4D 模型中[6]，就可以直觀、準確的反映樓梯的吊裝過程，并利用Fuzor軟件進行輕型預(yù)制樓梯吊裝過程的模擬動畫。施工模擬動畫可以很好展示整個是施工流程，可以讓施工人員更加直觀的了解預(yù)制樓梯吊裝的關(guān)鍵節(jié)點注意事項及整個施工流程。

結(jié)語：

輕型預(yù)制樓梯的研究過程充分利用BIM技術(shù)的特性。在樓梯構(gòu)件設(shè)計階段利用BIM的可視化、協(xié)調(diào)性的特點，達到輔助設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計的效果;在樓梯構(gòu)件生產(chǎn)階段BIM技術(shù)可以指導(dǎo)構(gòu)件生產(chǎn)，創(chuàng)建一個生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng);在樓梯構(gòu)件吊裝階段利用BIM技術(shù)的模擬性，對樓梯構(gòu)件吊裝施工進行模擬仿真。

參考文獻：

[1]張紅.裝配式建筑的政策風(fēng)口呼嘯而來[J].混凝土世界，2017（4）：24-30

[2]劉晴 王建平.基于BIM技術(shù)的建設(shè)工程生命周期管理研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010（3）：40-45

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

[4]王東.探究住宅裝配式建筑設(shè)計的BIM方法[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2017（33）：534-534

[5]張雷華.裝配式建筑設(shè)計中的BIM方法研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2015（28）：472-472

[6]陳文濤.BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2017（12）：804-804