基于BIM 的裝配式建筑深化設(shè)計與應(yīng)用分析

吳京戎，陳 菁

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068；2.湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，武漢 430068）

隨著建筑市場的日益完善、人力市場的調(diào)整，裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑模式的區(qū)別日趨增大，其設(shè)計方面的因素不僅包括工地，還涉及到工廠化設(shè)計。正是這許多相關(guān)因素的存在，使得如何有效解決在裝配式建筑設(shè)計流程中工作效率低等問題成為研究的一個重點。

近年來，許多專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如段羽等[1]在裝配式建筑中挖掘BIM 技術(shù)的應(yīng)用價值，歸納了不同專業(yè)與不同建造過程的BIM 協(xié)同設(shè)計在裝配式建筑中的應(yīng)用流程，從本質(zhì)上分析了裝配式建筑“設(shè)計—加工—裝配”過程的BIM 協(xié)同應(yīng)用問題及對策；吳金虎等[2]從設(shè)計、生產(chǎn)、施工及建設(shè)四大工程建設(shè)主體單位的角度展開論述，從裝配整體式混凝土在建筑設(shè)計階段所產(chǎn)生的BIM 技術(shù)相關(guān)問題展開研究，提出了BIM 技術(shù)在設(shè)計階段的應(yīng)用流程與核心應(yīng)用點，然后通過具體裝配式項目展示了部分核心應(yīng)用點的具體應(yīng)用及其價值；縱斌[3]認(rèn)為除了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中對設(shè)計細(xì)則的要求不夠完善，施工單位實踐經(jīng)驗不足、預(yù)制構(gòu)件加工精度欠缺等原因外，設(shè)計和深化設(shè)計是否合理也會造成非常重要的影響。王正凱[4]圍繞解決裝配式建筑構(gòu)件深化，結(jié)合BIM-PKPM 平臺對于裝配式PC構(gòu)件的分析，提出了疊合板和預(yù)制墻的自動配筋的設(shè)計方案，完成了BIM-PKPM 平臺裝配式PC 構(gòu)件的工況驗算流程及深化設(shè)計的數(shù)據(jù)研究。于超[5]以預(yù)制裝配式住宅為研究對象，在其設(shè)計和施工過程中引入BIM技術(shù)，通過探討B(tài)IM 在預(yù)制裝配式住宅設(shè)計施工全流程中的應(yīng)用，結(jié)合具體實例揭示了其為建筑行業(yè)帶來的數(shù)字化設(shè)計思維。任志平等[6]通過對裝配式疊合梁及疊合板進(jìn)行了深化設(shè)計，縮短了工期，確保了施工質(zhì)量。張賽[7]依據(jù)裝配式結(jié)構(gòu)體系選型及不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了科學(xué)拆分，在利用BIM 技術(shù)的模型計算和優(yōu)化設(shè)計對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)復(fù)核，確保結(jié)構(gòu)滿足現(xiàn)行裝配式建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范，總結(jié)裝配式建筑各個部分的設(shè)計要點和具體的操作流程?？傊?，眾多學(xué)者從不同維度對裝配式建筑做了相關(guān)的探討與研究，目前針對裝配式建筑深化設(shè)計中流程的優(yōu)化操作研究較少。隨著對裝配式建筑研究的逐漸深入，使得深化設(shè)計有了更多的解決方案。

文章結(jié)合實際項目工程，從優(yōu)化設(shè)計角度在技術(shù)層面上提出裝配式建筑深化流程。結(jié)合BIM 技術(shù)在工程中的相關(guān)應(yīng)用，通過初步的二維圖紙信息及工程數(shù)據(jù)的有效利用，在BIM 綜合系統(tǒng)上實施動態(tài)模擬，將碰撞模型后的結(jié)果進(jìn)行比對分析，調(diào)整初步設(shè)計的協(xié)調(diào)性，提高設(shè)計的精準(zhǔn)度，從而達(dá)到建筑深化設(shè)計準(zhǔn)確指導(dǎo)后續(xù)項目工作的目的。

1 BIM 技術(shù)的應(yīng)用

1.1 總體流程

根據(jù)設(shè)計圖紙創(chuàng)建BIM 模型，以解決設(shè)計問題。待所有設(shè)計問題解決后創(chuàng)建BIM 模型，利用BIM 過程模型的數(shù)據(jù)信息功能和可視化顯示，與制造和施工人員討論具體項目前期工作的實施并完成最終模型。

基于專業(yè)的BIM 相關(guān)軟件，可以按圖1 所示的程序執(zhí)行驗證和解決沖突。在所有部件和相關(guān)隱藏位置發(fā)生沖突之后，必須對業(yè)務(wù)沖突執(zhí)行控制及糾正，整合專業(yè)模型形成完整的BIM 模型。調(diào)查和處理校際碰撞的同時，BIM 三維模型在建設(shè)過程中，專家可以有效地找到設(shè)計中的不合理。例如，結(jié)構(gòu)防火門方向不正確，子結(jié)構(gòu)高于上柱部分，次梁部分大于主梁部分。

圖1 設(shè)計流程圖

1.2 深化階段裝配式構(gòu)件設(shè)計

1）預(yù)制建筑結(jié)構(gòu)的部件在本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中是分開的，主要類型的結(jié)構(gòu)分為垂直剪力墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和垂直承重砌體結(jié)構(gòu)。對于組裝的墻壁和樓板，必須加深墻壁以完成房間之間的連接。關(guān)于部件組裝分區(qū)，BIM 技術(shù)可以通過創(chuàng)建部件系列庫項目來補(bǔ)充部件分區(qū)和詳細(xì)的結(jié)構(gòu)管理。創(chuàng)建部件的“族”，部件由BIM 軟件參數(shù)化，并且不兼容的部件要及時調(diào)整。BIM 軟件通過裝配來組裝模型的“族”，以便檢測部件之間的碰撞。

2）深化設(shè)計的部件主要依賴于建筑物前期結(jié)構(gòu)的劃分結(jié)果，例如，部件尺寸的優(yōu)化，信息優(yōu)化的控制等，工作量很大，有必要加強(qiáng)部件不同方面之間的碰撞等。在這個階段，建筑部件的優(yōu)化設(shè)計可以實現(xiàn)部件相應(yīng)程度的增強(qiáng)，由于建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量薄部件，BIM 技術(shù)結(jié)合了精細(xì)部件，減少了傳統(tǒng)的手動識別并優(yōu)化了某些操作錯誤。

3）裝配式建筑的碰撞檢測通常運(yùn)用BIM 技術(shù)進(jìn)行裝配式建筑設(shè)計成果的碰撞檢測，主要可以通過如下2 部分構(gòu)成。

第一部分主要是檢查部件設(shè)計中是否存在碰撞問題。例如，當(dāng)將絕緣板組裝到模板的中心部分，連接套管和剪力墻絕緣系統(tǒng)，凹槽和其他連接壁、柱、梁和層壓板時如何檢測部件，檢測過程中是否存在碰撞問題，部件之間的管道連接是否存在任何不一致，以及制造的建筑物外部裝飾部件的密封是否符合要求和規(guī)格。

第二部分制造部件的隱藏部分，例如在連接的拉桿和整體部件之間的碰撞問題及加強(qiáng)桿和整體部件之間的問題的情況下，需要調(diào)整水平桿與垂直桿之間的碰撞，并根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整桿和元件的整體部分的確認(rèn)配置。使用BIM 技術(shù)構(gòu)建的模型可用于改進(jìn)設(shè)計和檢查，最終建筑設(shè)計模型可直接從碰撞測試模型中導(dǎo)出。最終設(shè)計結(jié)果包括部件詳細(xì)信息尺寸、集成部件位置、工程材料清單和3D 圖紙等。

2 BIM 技術(shù)在工程的應(yīng)用

2.1 工程概況

該工程位于武漢東西湖區(qū)，是武漢市第一個裝配式商品樓盤，項目占地4 hm2，總建筑面積126 700.3 m2，商業(yè)6 921 m2，住宅89 381.3 m2；地下室采用雙層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，住宅4 棟（其中15 號樓地上27 層，16、19 號樓地上32 層，17 號樓地上33 層）。

2.2 BIM 技術(shù)分析實際問題

通過應(yīng)用BIM 組裝預(yù)制外墻板，發(fā)現(xiàn)干掛接頭連接器與梯柱碰撞。若設(shè)計階段沒有提前找到解決該碰撞問題的方案，則現(xiàn)場吊裝時應(yīng)該采取鉆孔、固定肋條、約束和模具支撐等措施，對梯柱需重新植筋、綁扎、支模和澆筑混凝土。這些二次加工不僅會增加工程成本，還會影響項目的質(zhì)量和美觀。

得益于BIM 技術(shù)，在設(shè)計階段提前闡明了管道碰撞問題，優(yōu)化了管道配置，無須返工，縮短工期。在懸架面板底部遇到的問題中，外掛墻板下部干掛節(jié)點的整體垂直位置是錯誤的。若在設(shè)計階段未發(fā)現(xiàn)，按錯誤深化圖紙進(jìn)行加工生產(chǎn)，則施工時所有墻板均無法正常安裝。對于部件制造項目，預(yù)制梁的肋條和預(yù)制板坯的底部被拉伸，這些問題不能在設(shè)計階段發(fā)生，會造成直接的經(jīng)濟(jì)損失。

2.3 碰撞綜合優(yōu)化

進(jìn)行土建專業(yè)的碰撞檢測時利用BIM 專業(yè)軟件，對比發(fā)現(xiàn)圖紙中是否存在穿梁或柱豎向標(biāo)高雜亂無章現(xiàn)象。一旦發(fā)現(xiàn)問題，凈高要求必須重新編排，同時對柱標(biāo)高進(jìn)行二次優(yōu)化調(diào)整，使其避開與梁及墻體的碰撞；將柱底標(biāo)高設(shè)置于同一水平面上，方便將來的管道施工，同時達(dá)到降低費(fèi)用和增加美感的目的（圖2）。

圖2 土建部分沖突報告

3 裝配式結(jié)構(gòu)整體設(shè)計

在整個設(shè)計過程中，BIM 深化設(shè)計作為結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個組成部分，對于項目的整體完成非常重要。由于原始結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計過程中出現(xiàn)的各種預(yù)制件出錯及精度問題，很難滿足現(xiàn)代制造結(jié)構(gòu)的工業(yè)化生產(chǎn)需求。因此，科學(xué)地轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，分解使用BIM 技術(shù)制造的部件及組合操作可以有效地減少不規(guī)則組件類型和規(guī)格，促進(jìn)裝配式建筑的自動化。

在預(yù)制施工過程中，BIM 技術(shù)自動化的應(yīng)用點主要有以下幾個方面：①BIM 技術(shù)優(yōu)勢；②BIM 組合工藝基礎(chǔ)技術(shù)流程；③裝配式建筑管理流程；④BIM 技術(shù)應(yīng)該解決這個問題。此外，分解制造工藝過程中，BIM 技術(shù)包括3 個主要階段。第一階段理論建模，主要包括繪圖建模階段，第二階段是結(jié)合3D 技術(shù)的實際建模階段以確定實際和理論之間的差異，并進(jìn)行調(diào)整。 第三是模擬安裝階段，進(jìn)行預(yù)制建筑物的安裝工作，以便進(jìn)一步開展工作。

4 在深化階段應(yīng)解決裝配式建筑的問題

4.1 現(xiàn)實情況和模型情況不一致

由于土建過程中的各種因素，理論模型與實際建筑的差異經(jīng)常導(dǎo)致現(xiàn)場的實際情況不能與模型一致。三維可視化可以反映模型中的實際情況，使現(xiàn)場的實際施工條件都反映在模型中（圖3—4）[8-10]。

圖3 BIM 模型圖

圖4 構(gòu)件單件圖

4.2 管線設(shè)計的問題

在傳統(tǒng)管線設(shè)計過程中，專家單獨(dú)設(shè)計各個部件及專業(yè)性的管線設(shè)計并進(jìn)行完整測試及優(yōu)化。使用BIM 技術(shù)深化設(shè)計，包括深化建筑圖紙和機(jī)電工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分[11]。通過三維剖面、模型演示與業(yè)主進(jìn)行溝通，有效地改進(jìn)建筑圖紙，以進(jìn)一步提高效率。這得益于BIM 技術(shù)的三維可視化功能，可以從中合理分配維護(hù)空間，并可以更好地解決后續(xù)維護(hù)的空間問題，同時檢查管線的碰撞情況，如圖5 所示。

圖5 管線可視化碰撞檢查

4.3 預(yù)留洞口等問題

在施工之前預(yù)留二次砌體墻管線洞口。根據(jù)施工圖中各個管道的位置，水管穿過墻壁，用于顯示電氣管道的位置，如圖6 所示。

圖6 局部電氣管道布置圖

利用BIM 可視化技術(shù)，查看下一個預(yù)留孔用于二次砌體中會產(chǎn)生什么問題。同時，根據(jù)BIM 模型中孔的位置，由設(shè)計單位在設(shè)備區(qū)墻上發(fā)布孔圖案并創(chuàng)建背景。另外，根據(jù)預(yù)留孔的圖，計算墻面覆蓋物的數(shù)量和尺寸，對墻面覆蓋物進(jìn)行預(yù)處理，并且墻面覆蓋物位于相應(yīng)的位置以完成預(yù)留涂層的建立。

5 結(jié)束語

在裝配式建筑工程的設(shè)計階段中，應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計，及時發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化工作效率，提高裝配式建筑管理的工作品質(zhì)，從而達(dá)到降低預(yù)制構(gòu)件返工率、縮減工期與成本、提升工程品質(zhì)的目的。以預(yù)制裝配式住宅為研究對象，在其設(shè)計和施工過程中引入BIM 技術(shù)，通過結(jié)合實例探討B(tài)IM 技術(shù)在預(yù)制裝配式住宅深化設(shè)計整個流程中的應(yīng)用，其為建筑行業(yè)帶來更加規(guī)范化、智能化的技術(shù)規(guī)程，為實現(xiàn)綠色建筑的發(fā)展提供更好的鋪墊。