基于BIM的裝配式結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計特點分析

許浩，高超，劉宇，王躍，秦洛嶸

（中國建筑第二工程局有限公司華南分公司）

1 引言

裝配式結(jié)構(gòu)是指把建筑物的整體結(jié)構(gòu)分解為多個需要裝配的構(gòu)件，再由工廠統(tǒng)一進行制造，運輸至工地進行裝配。BIM技術(shù)是一種新的技術(shù)，它在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，對減少設(shè)計誤差、改善施工質(zhì)量具有重要作用。BIM技術(shù)由于其可視化、高效、碰撞分析、施工模擬等優(yōu)點，得到業(yè)界的普遍認同。

2 傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和不足

裝配式建筑是一種在工地組裝預(yù)制構(gòu)件的建筑，構(gòu)件數(shù)量眾多，這些構(gòu)件在不同的時間，不同的地方，用不同的生產(chǎn)方式統(tǒng)一生產(chǎn)，然后運送到工地，進行組裝。為確保工程的順利進行，從設(shè)計到施工，需要設(shè)計、施工、生產(chǎn)等多個環(huán)節(jié)、流程的密切合作。與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求更為細致，既要實現(xiàn)構(gòu)件的精細化、一體化設(shè)計，又要合理控制工程造價，需要施工方、設(shè)計方、預(yù)制工廠緊密配合，做好預(yù)制構(gòu)件的精準化設(shè)計[1]。

在設(shè)計時，設(shè)計者和施工單位需在充分了解工程的基本情況下，制定合理的技術(shù)方案。在滿足安全和使用功能的前提下，結(jié)合不同形式，進行建筑的平面設(shè)計。與其他專業(yè)協(xié)作，對預(yù)制構(gòu)件進行規(guī)范設(shè)計，制定安全、經(jīng)濟、合理的技術(shù)措施。在施工圖階段，考慮各專業(yè)的特點，制定預(yù)埋條件。目前，我國的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計方法多為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計，其設(shè)計內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)整體計算、預(yù)制構(gòu)件設(shè)計、構(gòu)件節(jié)點設(shè)計、構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計。

傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計方法還存在一定缺陷。①當前，在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計中，多是參照現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，先進行整體選型、分析、計算，再將構(gòu)件拆分、節(jié)點設(shè)計，然后再將構(gòu)件交付到現(xiàn)場進行組裝。這種設(shè)計思想造成零件的通用性不強，加工和裝配過程中存在很多問題，需要不斷地調(diào)整和修改設(shè)計方案，會提高施工費用，影響項目進度。②傳統(tǒng)的設(shè)計方法是將構(gòu)件從整體上分解，造成構(gòu)件種類繁多、大小不一，生產(chǎn)困難，生產(chǎn)出的構(gòu)件與設(shè)計構(gòu)件有很大偏差，嚴重影響設(shè)計和生產(chǎn)效率。③傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計是通過平面圖傳遞和展示相關(guān)成果信息的，在此過程中，設(shè)計者往往要花費大量的精力繪制和處理圖紙，對于一些特殊、復(fù)雜的構(gòu)件，可能會出現(xiàn)信息不清楚的情況，結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計都基于看圖、識圖，從而造成設(shè)計上的錯誤和問題[2]。因此，為了進一步改善裝配式建筑的施工質(zhì)量，必須引入新的技術(shù)。

3 BIM技術(shù)對裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計的價值

3.1 提高生產(chǎn)力

目前，在我國的建筑工程設(shè)計中，多數(shù)設(shè)計都采用的平面設(shè)計，缺少三維效果圖，不能確保各個環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)。若應(yīng)用BIM技術(shù)，可以對結(jié)構(gòu)模型中所需的構(gòu)件進行強化與優(yōu)化，并以協(xié)作方式完成設(shè)計與評審，最后完成工程造價的設(shè)計與分析。利用BIM系統(tǒng)中的三維、二維信息可直接生成相關(guān)構(gòu)件的平面圖，并將其發(fā)送到生產(chǎn)工廠用于制造。利用BIM技術(shù)進行圖紙的設(shè)計，可基于已建好的三維可視化模型進行修改和設(shè)計，并能從虛擬設(shè)計中直接生成所需的圖紙，從而大大提高了施工的工作效率。

3.2 降低建設(shè)成本

BIM技術(shù)在裝配式結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用能夠有效解決施工過程中遇到的問題，例如，可以節(jié)約資源、能源，減少對環(huán)境的破壞。同時，BIM技術(shù)也可以實現(xiàn)無紙化辦公，降低了人工、材料的浪費，避免了施工中由于施工人員的不當操作而造成的返工。

3.3 進行參數(shù)化設(shè)計

與傳統(tǒng)的平面繪圖方法相比，BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)三維繪圖，能夠清楚地顯示出每一個構(gòu)件，并且利用數(shù)據(jù)對其進行參數(shù)化設(shè)計。在施工過程中，參數(shù)化設(shè)計可幫助項目各參與方掌握建筑物的結(jié)構(gòu)。

3.4 提高了數(shù)據(jù)的完整性

在裝配式建筑施工中，圖紙起到了很大的導向作用，圖紙是施工的規(guī)范與標準。如果設(shè)計圖有問題，則施工方與業(yè)主需共同協(xié)商，將問題處理完畢，方能繼續(xù)施工。將BIM技術(shù)用于裝配式建筑的設(shè)計，可以解決裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些問題。

3.5 對建筑進行優(yōu)化設(shè)計

BIM技術(shù)具有很強的仿真能力，它既能對裝配式建筑進行仿真，又能對某些工程設(shè)計所不能實現(xiàn)的工程進行仿真，如，節(jié)能模擬、熱傳導模擬等。因此，將BIM技術(shù)引入裝配式建筑的設(shè)計中，可以使設(shè)計方案更完備、更科學、更合理。另外，在實際應(yīng)用中，利用BIM技術(shù)還可建立4D應(yīng)用模型，通過該模型可以分析當前設(shè)計中的缺陷，并根據(jù)分析進行調(diào)整，使其達到最優(yōu)的設(shè)計效果。

4 基于BIM技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)

在應(yīng)用BIM的基礎(chǔ)上，可按照構(gòu)件類型、荷載大小、層高等因素，對構(gòu)件進行預(yù)先劃分，并按照制造商的生產(chǎn)條件和設(shè)計需求，盡量減少構(gòu)件的類型，并對構(gòu)件進行安全性分析，然后將構(gòu)件歸類到構(gòu)件庫中，建立BIM模型進行分析，最終實現(xiàn)構(gòu)件的裝配。在進行三維建模之后，設(shè)計者必須結(jié)合建筑的特性，將裝配式結(jié)構(gòu)與BIM技術(shù)有機地結(jié)合起來，并充分考慮到其自身的特性，更好地適應(yīng)施工的需求[3]。

①對施工項目進行總體設(shè)計。根據(jù)裝配式建筑的規(guī)范、參數(shù)化，構(gòu)建包含預(yù)制外墻構(gòu)件、梁柱、樓梯等構(gòu)件（見圖1）的模型數(shù)據(jù)庫。

圖1 梁柱、樓梯等預(yù)制構(gòu)件

②執(zhí)行構(gòu)件的詳細設(shè)計。在建立好構(gòu)件庫后，工作人員可以根據(jù)需要，選取工程所需的構(gòu)件，進行相應(yīng)的裝配，形成立體的三維模型，提高工作效率。

③通過重新對建筑進行優(yōu)化設(shè)計，可以確保構(gòu)件結(jié)構(gòu)在總體設(shè)計中達到建筑的功能要求。通過對其進行設(shè)計和優(yōu)化，使其能更好地適應(yīng)居住要求，從而形成一套符合居住要求的構(gòu)件模型庫。

基于BIM技術(shù)，裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程分為兩種，一種是類似于傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計，兩者只是在零件的設(shè)計上稍有差異，這種方法首先要按照制造商的需求，建立一個構(gòu)件庫，然后在構(gòu)件庫中完成工程，再進行構(gòu)件的計算。另一種方案是進行全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計，把所有的預(yù)制構(gòu)件作為一個整體，再對構(gòu)件進行拼接，兩種方案均可在設(shè)計前期建庫，確保構(gòu)件的穩(wěn)定性，這為實現(xiàn)建設(shè)項目的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)[4]。

4.1 對預(yù)制件的制造工藝要全面了解

①預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)商必須對預(yù)制件的標準、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)能力有明確的認識，并選擇最適合自己的生產(chǎn)方法；②在制造上不但要有數(shù)量，而且要有質(zhì)量；③要確保構(gòu)件庫內(nèi)的資料正確，預(yù)制件的鋼筋、類型要有清晰標志，以確保構(gòu)件的承載能力。

4.2 正確選取預(yù)制構(gòu)件的大小和型號，并完成設(shè)計

在設(shè)計階段，以前的設(shè)計都是先對整體構(gòu)件進行分析，然后對個別構(gòu)件進行單獨分析。而新的結(jié)構(gòu)設(shè)計則是先對個別構(gòu)件進行分析，然后對整體的承載力進行分析。這就要求設(shè)計者要有新的理念，要有更強的專業(yè)能力。

5 BIM技術(shù)在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用

5.1 項目信息

某商品房住宅建設(shè)項目，建筑總面積約為21萬m2，地下建筑面積5萬m2，總建筑面積為15萬m2，共9棟單獨住宅樓。基于BIM的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計具體應(yīng)用包括建立預(yù)制件庫、分析和復(fù)核BIM模型；模擬復(fù)雜節(jié)點；集成協(xié)同平臺；信息共享等。

5.2 BIM技術(shù)在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體分析

5.2.1 建立預(yù)制構(gòu)件庫

預(yù)制構(gòu)件庫是將BIM應(yīng)用到裝配管理中的核心，而后期的裝配式結(jié)構(gòu)BIM模型設(shè)計就是基于此，從而達到工業(yè)化生產(chǎn)的目的，提高產(chǎn)品的制造和設(shè)計效率。預(yù)制件庫的核心是實現(xiàn)預(yù)制件的標準化和通用性，標準化方便裝配工廠的生產(chǎn)，而通用化則可以滿足各種不同的功能要求，預(yù)制件庫中的構(gòu)件要進行鋼筋的實配、承載力、接縫和吊點的校核，利用BIM技術(shù)可以直接看到構(gòu)件的三維結(jié)構(gòu)[5]。

5.2.2 BIM模型分析與優(yōu)化

在結(jié)構(gòu)深化設(shè)計后，通過BIM碰撞（見圖2）、環(huán)境分析、結(jié)構(gòu)復(fù)查等手段，對結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化，直至符合設(shè)計規(guī)范及結(jié)構(gòu)的要求。

圖2 管線綜合BIM模型

5.2.3 BIM施工模擬

通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了施工過程的仿真、交底，并將BIM的數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)結(jié)合起來，指導施工，搭建一個完整的協(xié)作平臺，打通設(shè)計、生產(chǎn)、施工的障礙。

5.2.4 集成協(xié)同平臺

集成協(xié)同平臺是在BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過BIM技術(shù)，完成預(yù)制、土建、安裝、裝修、節(jié)點、細部、運輸、吊裝等各個環(huán)節(jié)的協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)了整個流程的可視化、透明化、信息共享，各個專業(yè)共享數(shù)據(jù)信息，無縫銜接，一鍵生成計算書與施工圖，效率大幅提高，可實現(xiàn)模塊化、參數(shù)化、標準化施工。

本項目將BIM技術(shù)應(yīng)用在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計中，取得了較好成效，各專業(yè)協(xié)同配合，縮短了工期，提高了建筑建造質(zhì)量。

6 結(jié)語

綜上，本文介紹了BIM技術(shù)特點對裝配式結(jié)構(gòu)的意義和價值，分析了基于BIM的裝配式結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計流程，并結(jié)合具體案例進行詳細闡述。通過分析可得，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，基于BIM的設(shè)計方法能夠提高裝配式結(jié)構(gòu)的精確度，使設(shè)計信息更完備、設(shè)計方案更優(yōu)化，施工現(xiàn)場更環(huán)保、更智能，可以實現(xiàn)建筑全生命周期的高質(zhì)量把控。