基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計方法研究

覃 波

（中南建筑設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430071）

裝配式建筑是我國建筑領(lǐng)域與相關(guān)行業(yè)的關(guān)注與研究重點，相比常規(guī)的磚混類建筑，此類建筑具有施工過程中污染程度小、建筑垃圾少、人工作業(yè)環(huán)節(jié)簡化等優(yōu)勢[1]。但限制裝配式建筑在市場內(nèi)推廣使用的主要原因是此類建筑的設(shè)計經(jīng)驗較少，即設(shè)計的成果經(jīng)常在現(xiàn)場裝配施工時出現(xiàn)節(jié)點碰撞的問題，此種問題不僅對建筑整體設(shè)計質(zhì)量造成影響，還會對工程的后續(xù)裝配施工造成干預(yù)[2]。因此，有必要在現(xiàn)有工作技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合信息化技術(shù)，進行裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的全面深化。

1 裝配式建筑工程概況

以某建筑工程項目為例，設(shè)計基于BIM技術(shù)建筑設(shè)計方案，根據(jù)與工程方的交涉與對接，現(xiàn)已知此項目在地區(qū)編號HD-05-03-01A地塊開發(fā)，該項目的預(yù)期建設(shè)用地面積為52361.23m2，共由地上建筑與地下建筑構(gòu)成，其中地上建筑包括：排屋建筑、中層建筑、高層建筑、配套設(shè)施建筑等，結(jié)合項目業(yè)主方的要求，其中1#～7#中高層建筑按照裝配式建筑形式開發(fā)[3]。獲取1#～7#中高層建筑設(shè)計信息，見表1。

表1 1#～7#中高層建筑設(shè)計信息

在此基礎(chǔ)上，對建筑工程在設(shè)計中的要求進行分析?？紤]到此建筑工程項目結(jié)構(gòu)設(shè)計周期較長，因此，在設(shè)計中需要遵循結(jié)構(gòu)層次性、美觀性、環(huán)保性以及節(jié)約性原則[4]。其中結(jié)構(gòu)層次性設(shè)計原則主要體現(xiàn)在建筑工程項目結(jié)構(gòu)的整體層面，即工作人員在設(shè)計工程項目結(jié)構(gòu)時，需要綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)類型，提高對細節(jié)的重視程度，保障項目結(jié)構(gòu)的整體建設(shè)效果，充分體現(xiàn)項目的結(jié)構(gòu)特點與性能，使工程的實用價值發(fā)揮到極致。同時，要以客戶或業(yè)主的審美需求與功能需求為主要出發(fā)點，在建筑結(jié)構(gòu)的調(diào)配與控制方面，充分利用建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間與外部空間，突出建筑空間結(jié)構(gòu)的層次性。

2 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計方法

2.1 建立裝配式預(yù)制構(gòu)件BIM模型

在設(shè)計裝配式建筑時，利用BIM軟件具備的參數(shù)化模型處理能力優(yōu)勢，首先建立一個虛擬的裝配式預(yù)制構(gòu)件BIM模型。將模型作為設(shè)計環(huán)境和條件，開展后續(xù)詳細的設(shè)計研究[5]。將裝配式建筑圖集作為參考依據(jù)，將其相關(guān)資料數(shù)據(jù)導(dǎo)入到BIM模型當(dāng)中。在BIM當(dāng)中的所有模型都需要按照統(tǒng)一和合乎邏輯的方式命名，從而方便在構(gòu)件庫當(dāng)中對所需構(gòu)件結(jié)構(gòu)進行檢索[6]。以上述裝配式建筑工程中的預(yù)制混凝土外墻板構(gòu)件為例，其命名可按照圖1所示內(nèi)容完成。

圖1中I表示為外墻高窗臺；II表示為標(biāo)志寬度；III表示為樓層高度；IV表示為窗戶寬度；V表示為窗戶高度。在完成對各個構(gòu)件結(jié)構(gòu)的命名后，對裝配式建筑各個結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化設(shè)計及建模。仍然以上述裝配式建筑為例，針對其預(yù)制外墻結(jié)構(gòu)，在BIM軟件當(dāng)中確定各個參數(shù)/屬性數(shù)值，如表2所示。

圖1 裝配式預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)命名示意圖

表2 裝配式建筑預(yù)制外墻結(jié)構(gòu)參數(shù)/屬性及對應(yīng)數(shù)值定義

在上述數(shù)值及定義基礎(chǔ)上，按照構(gòu)架模型——空間模型——樓層模型——完整模型的順序，完成對整個裝配式建筑BIM模型的設(shè)計。同時，在BIM模型當(dāng)中，各個預(yù)制構(gòu)件可以重復(fù)利用，在日后針對相似裝配式建筑進行設(shè)計時，仍可選用符合建筑要求的構(gòu)件，將其直接導(dǎo)入到新的BIM模型當(dāng)中。

2.2 確定裝配式建筑PC結(jié)構(gòu)

在完成對裝配式預(yù)制構(gòu)件整體BIM模型的建立后，為進一步提升設(shè)計后得到的建筑適用性，確保設(shè)計結(jié)果能夠在正式投入中具備可行性，在結(jié)合業(yè)主方提出的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求下，對裝配式建筑PC結(jié)構(gòu)進行細部設(shè)計[7]。這一過程主要在Autodesk Revit軟件工具當(dāng)中完成，按照業(yè)主方提出的需求條件，針對不同構(gòu)件的尺寸、形狀、材質(zhì)等進行定義，并且在該軟件工具當(dāng)中完成對裝配式建筑內(nèi)建族、可編輯族、可載入族的建立，并將其作用到不同的位置結(jié)構(gòu)上。在這過程中，通過移動終端設(shè)備，對裝配式建筑結(jié)構(gòu)存儲信息進行調(diào)整，實現(xiàn)對建筑空間的重復(fù)使用[8]。除此之外，將PC技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計終端軟件當(dāng)中，以此使不同空間相互之間具備更好的匹配度優(yōu)勢，使最終設(shè)計成果能夠在PC終端顯示。

2.3 建立裝配式建筑構(gòu)件族

根據(jù)上述論述內(nèi)容，在完成對裝配式建筑PC結(jié)構(gòu)的設(shè)計后，還需要完成對裝配式建筑構(gòu)件族的建立。裝配式建筑構(gòu)件族基本架構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝配式建筑構(gòu)件族基本架構(gòu)示意圖

在終端上，每個構(gòu)件族文件都是獨立的，這就確保了編輯內(nèi)容能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)利用。將REX可伸縮編輯器安裝到設(shè)計終端，使用Revit工具提取建筑構(gòu)件，根據(jù)計算公式確定具體的結(jié)構(gòu)尺寸，將其放到PC機上，以驗證其與預(yù)制裝配式建筑的設(shè)計需求是否相符。

在檢測到詳細結(jié)構(gòu)后，將模板插入到對應(yīng)的家族檔案中，使其規(guī)范化，以rft格式顯示在終端上，并建立模組的數(shù)字模型，這樣就可以在PC終端上整合一個模塊。將此文件保存成rfa格式，并在后期的設(shè)計中使用抽取或調(diào)用文件對其進行修改，使其符合建筑的具體需求。

2.4 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑模擬施工

在完成對裝配式建筑構(gòu)件族的建立后，再應(yīng)用BIM技術(shù)，基于其對建筑外觀及結(jié)構(gòu)以三維方式呈現(xiàn)的優(yōu)勢，對裝配式建筑進行模擬施工，以此初步驗證設(shè)計方案的可行性，同時也能夠在這一過程中找出設(shè)計方案存在的不足。應(yīng)用Revit軟件建立了工程結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用BIM技術(shù)進行工程模擬。對項目的細節(jié)進行合理的設(shè)計，著重解決施工中的難點，強化項目施工的精細化管理，對施工數(shù)據(jù)進行有效的協(xié)調(diào)，避免出現(xiàn)問題。BIM技術(shù)在施工中的運用，可以有效地解決工程中的技術(shù)問題，從宏觀上調(diào)整施工方向，加快施工速度，強化各個環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)，根據(jù)模擬結(jié)果，對施工場地進行優(yōu)化管理，保證工程的實際施工質(zhì)量。同時，通過上述基于BIM技術(shù)的裝配式建筑模擬施工，能極大程度上減少深化設(shè)計的誤差，并為設(shè)計的各個階段提供信息共享功能。

3 設(shè)計效果分析

遵循相關(guān)原則，結(jié)合本文提出的方法，對該建筑項目進行整體設(shè)計，設(shè)計過程中，將與此項目相關(guān)的參數(shù)與構(gòu)件信息錄入建筑結(jié)構(gòu)信息模型中，通過對建筑CAD圖紙的導(dǎo)入及其與建筑信息模型的適配，構(gòu)建一個針對此建筑的初步裝配式結(jié)構(gòu)模型。

根據(jù)初步結(jié)構(gòu)模型，進行裝配式建筑的模數(shù)化設(shè)計、重復(fù)單元的校準(zhǔn)、建筑中不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整與空間布局的設(shè)計等。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計建筑門窗表、單元面積統(tǒng)計表、墻體工程量統(tǒng)計表，將數(shù)據(jù)填充到表格中，生成基于BIM的模型清單列表。

使用BIM可視化界面中的3D渲染工具，布置針對此建筑的鳥瞰圖、人視圖、室內(nèi)圖，通過此種方式，實現(xiàn)對建筑整體設(shè)計內(nèi)容的渲染與優(yōu)化。為確保建筑結(jié)構(gòu)的可靠性，將建筑模型與結(jié)構(gòu)模型進行集成，將其錄入標(biāo)準(zhǔn)模型中，生成BIMC超級建筑模型。至此完成對此建筑項目的設(shè)計。

以6#建筑為例，對設(shè)計后建筑結(jié)構(gòu)不同層中的管線碰撞作為測試指標(biāo)，對設(shè)計成果進行評估。碰撞統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 6#建筑不同層碰撞次數(shù)

由表3可知，設(shè)計的裝配式圖紙只有在14層發(fā)生了一次碰撞，其他結(jié)構(gòu)層均未發(fā)生節(jié)點碰撞問題。對14層建筑管線進行綜合調(diào)整，調(diào)整后按照上述方式，進行建筑結(jié)構(gòu)的二次檢查，檢查后各個層數(shù)之間的節(jié)點碰撞數(shù)量為0。

在此基礎(chǔ)上，隨機1#～7#建筑中結(jié)構(gòu)層，按照下述計算公式，進行結(jié)構(gòu)層抗壓承載力的計算。

式中N-代表結(jié)構(gòu)層抗壓承載力；f-代表結(jié)構(gòu)層抗壓承載設(shè)計值，B-代表建筑核心結(jié)構(gòu)；s-代表核心結(jié)構(gòu)受壓面積。

按照上述方式，計算1#～7#建筑中結(jié)構(gòu)層的抗壓承載力，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4 1#～7#建筑中結(jié)構(gòu)層的抗壓承載力統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)上述實驗結(jié)果可知，設(shè)計的結(jié)構(gòu)層抗壓承載力符合要求，說明本文提出的建筑設(shè)計方法可行。

4 結(jié)語

本次研究根據(jù)建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢與未來發(fā)展要求，提出一種全新的建筑設(shè)計方法，此次設(shè)計的成果不僅可以為裝配式建筑在市場內(nèi)的推廣提供進一步的指導(dǎo)，還可以助力產(chǎn)業(yè)鏈的完善與優(yōu)化。在后續(xù)的工作中，將持續(xù)加大對裝配式建筑在設(shè)計中的投入，根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，拓寬裝配式建筑的認證內(nèi)容，深化建筑行業(yè)在市場內(nèi)的發(fā)展，通過對建筑的精細化設(shè)計與管理，保證建筑質(zhì)量的提升，實現(xiàn)建筑施工的低碳化。