裝配式建筑BIM正向一體化設(shè)計應(yīng)用研究

□ 梁承龍 劉 芳 彭 來

2020年12月，中央經(jīng)濟(jì)工作會議提出了“二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值，力爭2060年前實現(xiàn)碳中和”的清晰目標(biāo)。目前我國建筑業(yè)總產(chǎn)值約占GDP的25%，建筑業(yè)碳排放量約占全國總量的40%，未來可實現(xiàn)減排節(jié)能的綠色建筑大有可為，將帶來生產(chǎn)方式、業(yè)務(wù)模式革新。

2016年國務(wù)院頒布《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，提出“要因地制宜發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)等裝配式建筑，力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%”。裝配式建筑的發(fā)展已上升到國家戰(zhàn)略。裝配式建筑可通過工廠集約化生產(chǎn)、現(xiàn)場機(jī)械化安裝實現(xiàn)節(jié)約資源、降低能耗，明顯減少碳排放量，隨著碳減排政策持續(xù)推進(jìn)，預(yù)計裝配式建筑將成為節(jié)能減排的重要實施載體，中長期發(fā)展趨勢有望得到強(qiáng)化。

BIM技術(shù)（Building Information Modeling 建筑信息模型，簡稱BIM技術(shù)）通過多種計算機(jī)三維軟件模擬建筑物所具有的真實信息，并實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)流的傳遞和各種性能的模擬與優(yōu)化，得到眾多工程師和學(xué)者的青睞[1-4]。BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑正向設(shè)計，可實現(xiàn)對預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)化設(shè)計、模數(shù)化拆分、信息化出圖，可較大程度提高裝配式建筑的設(shè)計質(zhì)量，減少返工，提高施工管理效率。

正向設(shè)計，是以BIM模型作為出發(fā)點(diǎn)和數(shù)據(jù)源，其通常包含方案設(shè)計到施工圖紙設(shè)計全過程。同傳統(tǒng)的二維設(shè)計相比，BIM正向設(shè)計質(zhì)量相對比較高，非常強(qiáng)調(diào)專業(yè)的協(xié)調(diào)性，表達(dá)內(nèi)容也相對比較豐富，在各類工程中都有應(yīng)用。通過在建筑設(shè)計當(dāng)中開展正向設(shè)計，可以有效減少勞動力和信息交換。通過開展正向設(shè)計，還可以讓設(shè)計人員充分對自己的設(shè)計意圖進(jìn)行表達(dá)，避免在繪圖的過程中浪費(fèi)大量的時間[5]。

1 ??項目概況

1.1 工程項目概況

該項目地處南寧市興寧區(qū)昆侖大道東段，總投資1億元，總建筑面積63000m2。設(shè)計以“綠色職教”為理念，根據(jù)地形采用“U”型庭院建筑造型，外立面采用棕紅色飾面磚，使建筑在青山環(huán)抱中凸顯熱情暖意。主樓頂部設(shè)置全玻璃幕墻的大學(xué)生空中活動中心，增強(qiáng)遠(yuǎn)眺視野及通風(fēng)效果，起到頂層隔熱的作用。具體如圖1所示。

圖1 交通運(yùn)輸實訓(xùn)基地綜合實訓(xùn)大樓項目效果圖

為響應(yīng)國家號召，該項目采用了“三板體系”預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，運(yùn)用“BIM正向設(shè)計+信息化施工管理”的方式進(jìn)行項目的信息化管理。裝配率達(dá)到自治區(qū)要求的30%。

該實訓(xùn)大樓項目分為3個分區(qū)，主樓共6層。全樓采用框架結(jié)構(gòu)體系，每層設(shè)8個A類教室、2個B類教室，AB兩類教室均滿足3米的建筑模數(shù)。模數(shù)化的建筑設(shè)計，最大化地實現(xiàn)了裝配式構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化程度，也為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫的使用創(chuàng)造了基礎(chǔ)。

1.2 實施體系

為保障項目信息化工作的高效開展，該項目組建了BIM技術(shù)團(tuán)隊、編制了《裝配式交通實訓(xùn)基地大樓項目BIM實施標(biāo)準(zhǔn)》，綜合運(yùn)用revit、斯維爾、Pathfinder等一系列BIM軟件，使建筑信息數(shù)據(jù)在項目設(shè)計、生產(chǎn)、施工管理過程中得到充分應(yīng)用。該項目將“裝配式BIM數(shù)據(jù)集成應(yīng)用”作為信息化實施重點(diǎn)，開展了預(yù)制構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計、綠色建筑指標(biāo)分析、安全疏散設(shè)計等10余項BIM集成應(yīng)用。

2 ??實施過程

2.1 設(shè)計方案效果審核

利用lumion渲染引擎，導(dǎo)入實訓(xùn)大樓BIM模型，方便快捷地渲染效果圖及視頻動畫，從而進(jìn)行項目BIM模型的實時動態(tài)瀏覽，便于甲方進(jìn)行設(shè)計方案討論和設(shè)計效果檢查。同時配合VR眼鏡，在虛擬實訓(xùn)大樓廣場進(jìn)行沉浸式行人視角體驗，可身臨其境地體驗竣工效果，增強(qiáng)業(yè)主體驗，輔助進(jìn)行項目決策。體驗視角如圖2所示。

圖2 項目沉浸式體驗視角

經(jīng)測試3Dmax與lumion兩款渲染引擎，得到以下應(yīng)用結(jié)論：（1）兩種渲染引擎與revit模型的兼容性方面，lumion兼容性更高，模型不會出現(xiàn)缺少面、材質(zhì)重疊閃爍的情況。（2）渲染效果方面，3Dmax引擎燈光及場景效果更佳。（3）渲染速度方面，lumion完成渲染的速度更快，對硬件的要求更低。

2.2 綠色建筑分析

采用斯維爾綠色建筑分析軟件對該項目BIM模型進(jìn)行節(jié)能、日照、采光等建筑性能指標(biāo)分析，以達(dá)到人員舒適度分析、運(yùn)維管理分析、建筑可持續(xù)發(fā)展分析等目的，快速出具分析報告，輔助項目報建，如圖3、圖4所示。利用設(shè)計BIM模型直接進(jìn)行建筑性能分析，可使建筑性能分析更加準(zhǔn)確、高效。綠色建筑經(jīng)過十多年的發(fā)展，已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑設(shè)計必不可少的環(huán)節(jié)，綠色建筑分析軟件也趨于成熟。該項目采用的斯維爾體系綠色建筑分析軟件，能夠很好地滿足主管部門對綠色建筑計算的要求，實現(xiàn)設(shè)計模型的集成應(yīng)用。

圖3 日照環(huán)境分析

圖4 建筑采光分析

2.3 疏散方案設(shè)計

學(xué)校教學(xué)樓是人員密集場所，突發(fā)事件情況下的疏散速度直接關(guān)系到師生的生命安全。因此，安全疏散設(shè)計也是項目正向設(shè)計的重要內(nèi)容。項目采用Pathfinder軟件導(dǎo)入BIM模型，對不同人群逃生能力進(jìn)行預(yù)設(shè)，模擬整個教學(xué)樓在緊急情況下的人員疏散情況，也可以模擬各種預(yù)先設(shè)置的疏散路線，通過模擬結(jié)果分析應(yīng)急通道設(shè)計的合理性，得出最優(yōu)疏散方案。

傳統(tǒng)的人員疏散計算采用的是公式法，這種方法只能簡單地通過火災(zāi)探測時間、預(yù)動作時間、人員疏散運(yùn)動時間等，計算出安全疏散時間。但是這忽略了建筑空間設(shè)計對人員造成的阻塞因素、發(fā)生突發(fā)事件時人員逃生路線的個別隨機(jī)性等，這樣的計算對建筑設(shè)計未能起到直觀的指導(dǎo)作用。采用Agent-base模型的疏散模擬軟件，可更加真實地模擬出突發(fā)情況下的逃生數(shù)據(jù)，為建筑設(shè)計提供參考，如圖5所示。

圖5 人員疏散分析

2.4 全專業(yè)協(xié)同設(shè)計

該項目通過建立中心文件的方式進(jìn)行全專業(yè)協(xié)同設(shè)計，一旦發(fā)現(xiàn)碰撞問題，各專業(yè)設(shè)計師能夠?qū)崟r對方案進(jìn)行討論和修正。在機(jī)電管線設(shè)計方面，該項目選擇適用于裝配式建筑的管線分離技術(shù)，嚴(yán)格按照管線綜合排布的基本原則，達(dá)到滿足規(guī)范、節(jié)約成本、排布美觀、使用方便的目標(biāo)。將配電橋架設(shè)置在入戶一側(cè)以減少橋架翻彎，并與消防及給水專用管線保持400mm的安全距離及檢修空間。按模數(shù)使用共用支吊架，最大限度節(jié)省材料成本。

該項目主要從業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)、文件格式標(biāo)準(zhǔn)、深化設(shè)計原則、存儲規(guī)則、出圖標(biāo)準(zhǔn)、成果同步規(guī)范等方面，深入研究了協(xié)同設(shè)計實施標(biāo)準(zhǔn)。測試后發(fā)現(xiàn)，設(shè)計人員素質(zhì)及激勵方式改革成為標(biāo)準(zhǔn)實施的關(guān)鍵，只有主觀因素與客觀因素協(xié)同發(fā)展，才能保證全專業(yè)協(xié)同設(shè)計的高效開展。而協(xié)同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的探索，將在人工智能設(shè)計領(lǐng)域起到關(guān)鍵性作用，如圖6所示。

圖6 全專業(yè)協(xié)同設(shè)計

2.5 預(yù)制構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計

依據(jù)裝配式建筑“通用化、模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、少規(guī)格、多組合”的原則，進(jìn)行裝配式構(gòu)件及鋁模體系深化設(shè)計。采用LOD400標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合規(guī)范圖集，創(chuàng)建參數(shù)化構(gòu)件庫，涵蓋疊合板、預(yù)制樓梯、輕質(zhì)隔墻、預(yù)埋件及模具等通用標(biāo)準(zhǔn)族庫，實現(xiàn)構(gòu)件的系列化、多樣化。同時，基于Revit平臺二次開發(fā)構(gòu)件庫管理插件，便于管理和查詢，如圖7所示。進(jìn)行裝配式項目深化設(shè)計時，充分利用參數(shù)化構(gòu)件庫，減少重復(fù)工作，高效生成該項目的構(gòu)件信息，進(jìn)行模型預(yù)處理、預(yù)留孔洞設(shè)計、構(gòu)件拆分、構(gòu)件編號、裝配單元參數(shù)化配置、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)鋼筋碰撞檢查、精細(xì)化模具設(shè)計、BIM出圖[6]。

圖7 參數(shù)化預(yù)制構(gòu)件管理插件

通過BIM正向一體化裝配式構(gòu)件預(yù)留預(yù)埋深化設(shè)計，做出了設(shè)計優(yōu)化6處，優(yōu)化內(nèi)容涉及疊合板遞料孔缺漏、止水節(jié)與鋼筋碰撞、胡子筋位置碰撞等。這些設(shè)計缺陷的發(fā)現(xiàn)，避免了預(yù)制構(gòu)件返廠處理的風(fēng)險，預(yù)計使項目節(jié)約工期10天，控制成本30萬元。

2.6 BeePC平臺裝配式深化設(shè)計

采用BeePC平臺開展“三板”構(gòu)件BIM深化設(shè)計，精確定義構(gòu)件尺寸、鋼筋位置、預(yù)留預(yù)埋信息。按照模數(shù)快速進(jìn)行建筑構(gòu)件的拆分設(shè)計，并按照規(guī)范生產(chǎn)構(gòu)件加工圖，導(dǎo)出構(gòu)件工程量信息，實現(xiàn)了基于BIM環(huán)境的裝配式構(gòu)件深化設(shè)計、出圖流程，如圖8所示。

圖8 BeePC裝配式深化設(shè)計平臺

該項目通過安排不同的深化設(shè)計人員，分別使用CAD平臺與BeePC平臺同時進(jìn)行裝配式構(gòu)件拆分設(shè)計，對設(shè)計時長、設(shè)計精度、出圖規(guī)范度、承載信息量等維度進(jìn)行了對比分析，對比結(jié)論如表1所示。

表1 CAD、BeePC進(jìn)行裝配式深化設(shè)計對比情況表

通過兩個平臺的設(shè)計結(jié)果對比可知，傳統(tǒng)CAD平臺僅靠二維圖形對構(gòu)件進(jìn)行表達(dá)，缺乏直觀的三維演示，容易使設(shè)計人員對細(xì)節(jié)考慮不周，導(dǎo)致設(shè)計缺陷。BeePC平臺自帶的裝配式構(gòu)件庫、出圖模板，可快速生成預(yù)制構(gòu)件模型，自動進(jìn)行鋼筋布置及直觀三維調(diào)整，最終輸出PC構(gòu)件混凝土工程量、鋼筋下料單、構(gòu)件三維示意圖等?？傇O(shè)計時長方面，BeePC平臺比CAD平臺速度提升一倍。由此可見，利用BIM深化設(shè)計軟件進(jìn)行裝配式構(gòu)件拆分設(shè)計，能大幅度提高效率。

2.7 BIM工程量計算

項目組依托校企合作研發(fā)基礎(chǔ)，與廣西同澤工程項目管理股份有限公司、深圳市斯維爾科技有限公司組成聯(lián)合研究團(tuán)隊，共同開展BIM工程量計算的項目實戰(zhàn)研究。團(tuán)隊基于斯維爾BIM算量平臺，總結(jié)了能高效實現(xiàn)構(gòu)件映射的revit命名規(guī)則，并編制了建模標(biāo)準(zhǔn)，最終實現(xiàn)revit模型與斯維爾算量模塊數(shù)據(jù)的無縫對接，完成國標(biāo)算量，如圖9所示。

圖9 斯維爾BIM算量

該項目通過對斯維爾工程算量for revit和廣聯(lián)達(dá)BIM算量兩款軟件的測試，得到以下結(jié)論：（1）兩款軟件對常規(guī)形狀構(gòu)件的工程量計算結(jié)果基本一致，計算時間相差不大；（2）對于異性構(gòu)件，兩款軟件計算結(jié)果及手算結(jié)果都存在一定偏差；（3）使用revit插件的算量軟件，對構(gòu)件命名規(guī)則要求較為敏感，比如命名懸挑板時必須專門制定命名規(guī)則，否則會將工程量計算到普通有梁板中，而廣聯(lián)達(dá)軟件劃分了“懸挑板”類別，建模時選擇相應(yīng)類別創(chuàng)建模型即可。綜上所述，BIM工程量計算軟件的算法已經(jīng)取得了較好的發(fā)展，但是計算結(jié)果一般需根據(jù)行業(yè)及合同約定而定，計算規(guī)則也要隨著計算能力的提高而做出調(diào)整。這就需要各軟件平臺優(yōu)化用戶體驗，相關(guān)主管部門做好計算規(guī)則的更新，才能打通BIM一體化算量的“最后1公里”。

2.8 BIM5D

通過分析場地布置與施工進(jìn)度之間、各種施工設(shè)施之間、材料供給與需求之間等諸多復(fù)雜的依存關(guān)系，研究施工資源的“時間—空間—數(shù)量”關(guān)系，將reivt模型與施工進(jìn)度、工程量信息鏈接起來，建立項目5D模型，可動態(tài)模擬施工過程和任意時間的場地施工狀態(tài)。當(dāng)施工進(jìn)度發(fā)生變化，可自動計算出任意時間段、任意施工狀態(tài)的工程量和人力、材料、機(jī)械等資源需求以及場地空間狀況，為場地布置提供準(zhǔn)確、直觀的依據(jù)，如圖10所示。

圖10 裝配式施工場地布置

通過科學(xué)的施工流水設(shè)計及裝配式總裝優(yōu)化，采用斯維爾BIM5D軟件進(jìn)行項目施工進(jìn)度的優(yōu)化與管理，最終達(dá)到5天一層、31天封頂?shù)目偰繕?biāo)，如圖11所示。

圖11 BIM5D項目管理

施工項目管理，是一個復(fù)雜而動態(tài)的過程，采用現(xiàn)有的軟件平臺僅能從施工計劃和實施結(jié)果兩個維度判斷工期與成本的偏差度，并不能靈活地關(guān)聯(lián)所有事件變量，進(jìn)行綜合計算分析，得出最優(yōu)解決方案。但是通過施工過程關(guān)鍵因素的實踐積累，必將能夠逐步建立起一套數(shù)據(jù)采集要點(diǎn)及關(guān)聯(lián)的算法邏輯，相信在不遠(yuǎn)的將來，必將能夠通過AI排產(chǎn)，真正實現(xiàn)“智慧工地”。

3 ??應(yīng)用價值分析

該項目通過采用BIM技術(shù)進(jìn)行裝配式建筑的正向設(shè)計實施，從建筑性能分析、全專業(yè)協(xié)同設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件精細(xì)化設(shè)計、施工現(xiàn)場信息化管理的全過程開展BIM數(shù)據(jù)集成應(yīng)用，提高了設(shè)計質(zhì)量，提升了建造過程中的信息化水平，設(shè)計團(tuán)隊也進(jìn)一步提升了技術(shù)及管理水平，為智慧建造的實施打下了較好的基礎(chǔ)。該項目的實施具有一定的應(yīng)用成效，具體表現(xiàn)如下。

（1）通過該裝配式項目BIM正向設(shè)計的實施，培養(yǎng)了一支優(yōu)秀的BIM正向設(shè)計實施團(tuán)隊，為單位BIM發(fā)展奠定人才基礎(chǔ)。

（2）探索了利用BIM技術(shù)進(jìn)行裝配式項目建筑性能分析的解決方案，使設(shè)計信息能夠與綠色建筑分析集成應(yīng)用。助力實現(xiàn)建筑運(yùn)行階段的“碳峰值、碳中和”目標(biāo)。

（3）探索了全專業(yè)協(xié)同設(shè)計的正向一體化設(shè)計工作模式，使建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、電氣、給排水與智能化等專業(yè)高效聯(lián)動，最大限度提高設(shè)計質(zhì)量，減少生產(chǎn)過程中30%以上的設(shè)計變更。

（4）實施了基于BeePC平臺的裝配式深化設(shè)計技術(shù)路線，較傳統(tǒng)CAD平臺的裝配式深化設(shè)計效率提升50%，三維可視化的設(shè)計環(huán)境可最大限度表達(dá)各預(yù)制構(gòu)件空間關(guān)系，在深化設(shè)計過程盡可能避免構(gòu)件生產(chǎn)缺陷。

4 ??實施意見與項目展望

開展裝配式建筑正向設(shè)計，是建筑工業(yè)化發(fā)展的必由之路，通過該項目的探索，為正向設(shè)計模式的推廣提出以下建議：

（1）組建一支既熟悉傳統(tǒng)設(shè)計理念又精通BIM體系理論與技能的設(shè)計師團(tuán)隊，培養(yǎng)核心設(shè)計師正向設(shè)計的理念，提升設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化能力。

（2）建立正向一體化設(shè)計的實施流程標(biāo)準(zhǔn)，使各專業(yè)設(shè)計協(xié)同開展、有效穿插。

（3）創(chuàng)建“模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、少規(guī)格、多組合”的裝配式部品部件庫，通過參數(shù)化驅(qū)動，使正向設(shè)計更加高效。

（4）打通“設(shè)計—生產(chǎn)—施工”各環(huán)節(jié)建筑信息數(shù)據(jù)傳導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，使業(yè)務(wù)流程、生產(chǎn)設(shè)備、現(xiàn)場作業(yè)等各環(huán)節(jié)實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫傳導(dǎo)。

交通運(yùn)輸實訓(xùn)基地綜合教學(xué)大樓項目裝配式建筑BIM正向設(shè)計的綜合應(yīng)用，是BIM與裝配式技術(shù)深度融合的一次大膽嘗試，為裝配式建筑的發(fā)展提供了信息技術(shù)的支持，對促進(jìn)廣西建筑工業(yè)化的跨越式發(fā)展具有重要意義。