基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑深化設(shè)計(jì)

李洪芳 宋 珺 殷 帥 常 帥 王梓健

裝配式建筑是一種建筑模式，是指將施工過(guò)程中使用的結(jié)構(gòu)部件在工廠生產(chǎn)，生產(chǎn)完成后，將部件運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。這種模式有效提升了建筑的施工效率及施工質(zhì)量，能夠有效緩解對(duì)環(huán)境帶來(lái)的污染。

裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑相比多了深化設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)之間具有起承轉(zhuǎn)合的作用。由于施工圖紙沒(méi)有相關(guān)構(gòu)件的具體尺寸，無(wú)法為構(gòu)件廠提供生產(chǎn)上的指導(dǎo)，所以需要對(duì)施工圖做進(jìn)一步的深化設(shè)計(jì)，以達(dá)到相關(guān)要求[1]。

BIM 技術(shù)是一種先進(jìn)技術(shù)，可以根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維模型，并通過(guò)數(shù)字信息模擬建筑物的真實(shí)數(shù)據(jù)。將BIM 技術(shù)運(yùn)用到裝配式建筑的設(shè)計(jì)中，可以有效提升裝配式設(shè)計(jì)的精確度，方便工廠制作構(gòu)件，減少材料浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目坐落于南京市雨花臺(tái)區(qū)的偉思醫(yī)療總部研發(fā)經(jīng)濟(jì)園，建筑面積約69140 m2，占地面積約24000 m2，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7 度，建筑高度為20.90 m。項(xiàng)目預(yù)制構(gòu)件包含疊合板、預(yù)制內(nèi)墻、預(yù)制外墻及預(yù)制樓梯等。運(yùn)用BIM 技術(shù)創(chuàng)建三維模型，本項(xiàng)目的三維實(shí)體模型圖如圖1 所示。在模型準(zhǔn)確無(wú)誤的情況下，軟件會(huì)自動(dòng)生成深化圖紙，如需對(duì)圖紙進(jìn)行修改，可以直接修改BIM 模型，深化圖紙即可相應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行修改。

圖1 三維實(shí)體模型圖（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

2 傳統(tǒng)裝配式建筑深化設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化程度較低

傳統(tǒng)深化設(shè)計(jì)一般是在施工圖完成后再進(jìn)行介入，導(dǎo)致相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)考慮不足，需要進(jìn)行專業(yè)性的修改，無(wú)形中增加了工作量。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)裝配式概念的理解不夠充分，沒(méi)有充分考慮裝配式構(gòu)件的預(yù)制條件，造成預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法達(dá)到相關(guān)的要求，影響工廠的生產(chǎn)效率。

2.2 圖紙傳遞信息不清晰

運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）制圖，只能繪制普通的二維圖紙，需要閱讀圖紙的工作人員結(jié)合想象理解信息，在進(jìn)行信息傳遞時(shí)，容易造成信息丟失或信息理解不暢，需要工作人員花費(fèi)大量的時(shí)間對(duì)圖紙信息進(jìn)行溝通，增加了參與方之間的溝通成本[2]。

2.3 易發(fā)現(xiàn)碰撞沖突

由于傳統(tǒng)方式的深化設(shè)計(jì)無(wú)法進(jìn)行預(yù)制件與現(xiàn)澆構(gòu)件的拼裝模擬，很多問(wèn)題無(wú)法發(fā)現(xiàn)。經(jīng)常出現(xiàn)當(dāng)預(yù)制件進(jìn)入吊裝拼裝環(huán)節(jié)才發(fā)現(xiàn)預(yù)制件與現(xiàn)澆部分出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致施工無(wú)法順利進(jìn)行。

3 裝配式建筑BIM 標(biāo)準(zhǔn)制定

3.1 模型拆分原則

受計(jì)算機(jī)的性能限制，模型涵蓋的信息隨著層數(shù)的增加而遞減，最下層是包含大量信息的Revit 模型，總體模型為輕量化模型。模型生成的具體方式為：將土建模型與機(jī)電模型進(jìn)行有效整合，導(dǎo)入預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)，形成標(biāo)準(zhǔn)層Revit 模型。將標(biāo)準(zhǔn)層模型進(jìn)行組裝，形成整樓總體Revit 模型。

3.2 模型深度規(guī)定

在工程的不同階段，對(duì)模型深度的需求存在差異，需要對(duì)模型深度進(jìn)行積極調(diào)整，以滿足不同階段的使用需求。在裝配式建筑深化階段，需要綜合考慮建筑、結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，所以模型深度要高于施工圖設(shè)計(jì)的模型深度，要實(shí)時(shí)反映施工的信息[3]。深化設(shè)計(jì)模型深度如表1 所示。

表1 深化設(shè)計(jì)模型深度

由于缺乏預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)模型深度的依據(jù)，構(gòu)件模型的深度已按照實(shí)際項(xiàng)目要求達(dá)成一致，如表2 所示。

表2 預(yù)構(gòu)件深度

3.3 協(xié)同要點(diǎn)梳理

裝配式建筑的深化設(shè)計(jì)涉及多方協(xié)同設(shè)計(jì)。隨著信息的不斷輸入，可能會(huì)出現(xiàn)不同碰撞問(wèn)題：第1，在角落或高度變化的區(qū)域組裝時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件拼接不協(xié)調(diào)。第2，預(yù)制構(gòu)件中的埋入式結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)影響鋼筋的排列，需要調(diào)整鋼筋或埋入式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置，防止發(fā)生碰撞。第3，完成預(yù)制構(gòu)件的鋼筋排列后，在組裝過(guò)程中預(yù)制構(gòu)件外伸鋼筋之間可能存在碰撞問(wèn)題。

3.4 BIM深化設(shè)計(jì)出圖標(biāo)準(zhǔn)

在裝配式建筑深化設(shè)計(jì)中，預(yù)采購(gòu)件的深化設(shè)計(jì)是圖紙的主要內(nèi)容。預(yù)購(gòu)部件的設(shè)計(jì)范圍相對(duì)較小，復(fù)雜度較低，相對(duì)容易達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定及要求，制定BIM 深化設(shè)計(jì)出圖示意圖，確保圖紙深度達(dá)到規(guī)定要求[4]。

以預(yù)制外墻板為例，每個(gè)構(gòu)件需要3 張圖紙，分別為模板圖、配筋圖及保溫連接件圖。其中，模板圖主要包括預(yù)制件的尺寸、配件尺寸等信息，配筋圖主要包含預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)配筋相關(guān)信息，保溫連接件圖主要包含預(yù)制墻板保溫連接件的尺寸信息。

4 BIM 技術(shù)在深化設(shè)計(jì)階段的具體應(yīng)用

4.1 疊合板拆分和深化設(shè)計(jì)

疊合板可以分為現(xiàn)場(chǎng)澆筑預(yù)制部分和工廠預(yù)制部分，現(xiàn)場(chǎng)澆筑部分為70 mm，工廠預(yù)制部分為60 mm。根據(jù)板塊大小，重量在1.2 ～1.8 t。疊合板有單向板和雙向板。雙向板應(yīng)分為多個(gè)單向板進(jìn)行運(yùn)輸，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)進(jìn)行澆筑連接，形成雙向板。

在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，首先需要確定后澆帶的寬度，尺寸較小的板可以不拆分，尺寸較大的板進(jìn)行拆分時(shí)要以邊緣部分為主。根據(jù)相關(guān)要求對(duì)每塊疊合板進(jìn)行編號(hào)。

4.2 疊合梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

裝配式建筑結(jié)構(gòu)中，主次梁節(jié)點(diǎn)會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的抗震性。根據(jù)行業(yè)相關(guān)規(guī)范要求，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)抗震等級(jí)的裝配式框架要進(jìn)行梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗震受剪承載力驗(yàn)算。

持久設(shè)計(jì)狀況下接縫受剪承載力設(shè)計(jì)值的表達(dá)式為：

式中：fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ac1為疊合梁端截面后澆混凝疊合層面積；Ak為各鍵槽的根部截面積之和，取后澆鍵槽根部截面與預(yù)制鍵槽根部截面計(jì)算的最小值；Asd為垂直穿過(guò)結(jié)合面所有鋼筋的面積，包含疊合層內(nèi)的所有鋼筋；fy為普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

4.3 構(gòu)件拆分

在裝配式建筑設(shè)計(jì)深化的過(guò)程中，需要將模型構(gòu)件拆分成多個(gè)部件，進(jìn)行細(xì)致的檢查及設(shè)計(jì)。根據(jù)功能及受力的不同，構(gòu)件可以分為垂直構(gòu)件、水平構(gòu)件以及非受力構(gòu)件。裝配式建筑設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)是對(duì)構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)的拆分，構(gòu)件拆分對(duì)建筑功能、主體結(jié)構(gòu)受力及工程造價(jià)等方面具有重大的影響[5]。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)每個(gè)預(yù)制構(gòu)件的尺寸和分區(qū)位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得最佳施工方案。按照工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及甲方的要求，使用BIM 技術(shù)制作拆分設(shè)計(jì)圖紙，構(gòu)件拆分流程如圖2 所示。

圖2 構(gòu)件拆分流程（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

4.4 節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的性能取決于鋼筋混凝土柱與梁之間連接的強(qiáng)度，如果堅(jiān)固性較好，建筑整體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量就會(huì)較高。在深化節(jié)點(diǎn)時(shí)，要確保結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的安全，將節(jié)點(diǎn)的計(jì)算分析與實(shí)際約束相匹配，并考慮節(jié)點(diǎn)的功能性要求。

4.5 碰撞檢查

使用BIM 技術(shù)對(duì)裝配式建筑的三維實(shí)體模型進(jìn)行碰撞分析，分析過(guò)程中軟件會(huì)自動(dòng)標(biāo)記碰撞點(diǎn)。經(jīng)過(guò)逐個(gè)調(diào)試后，碰撞點(diǎn)的問(wèn)題得以解決。對(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的裝配式建筑，使用BIM 技術(shù)進(jìn)行碰撞檢查具有重要的意義，在碰撞檢查的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)初始設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。

5 對(duì)比分析

對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，由于建筑規(guī)模較大，如果使用常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑方法進(jìn)行施工，將增加工程成本，并導(dǎo)致工期延誤。因此，在與建筑商共同研究后，決定在設(shè)計(jì)階段使用預(yù)制結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)建筑梁，以降低成本。在設(shè)計(jì)中，疊合板與剪力墻一起使用后澆帶的形式澆筑成整體，充分利用了疊合板的性能。

將工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入Revit 模型，使用YJK 計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)主體建筑結(jié)構(gòu)的恒載和活載進(jìn)行定義，根據(jù)設(shè)計(jì)質(zhì)量要求確定相關(guān)參數(shù)。使用電氣計(jì)算軟件YJK 對(duì)建筑物上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性分析，控制碰撞過(guò)程中可能發(fā)生的位移和變形角度。

在明確比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)后，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維檢查，將設(shè)計(jì)結(jié)果導(dǎo)入GSRevit 工具，并提供相關(guān)信息，以便對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化驗(yàn)證。在驗(yàn)證過(guò)程中，在“檢查區(qū)域”對(duì)話框中輸入檢測(cè)的內(nèi)容，并在建筑結(jié)構(gòu)中選擇碰撞檢查區(qū)域。當(dāng)該區(qū)域發(fā)生碰撞時(shí)，將出現(xiàn)一個(gè)“紅色”標(biāo)記點(diǎn)。當(dāng)該區(qū)域沒(méi)有碰撞時(shí)，將出現(xiàn)一個(gè)“綠色”標(biāo)記點(diǎn)。

整個(gè)項(xiàng)目采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并遵循與上述相同的步驟。與傳統(tǒng)方法相比，碰撞檢測(cè)區(qū)域是從該方法的設(shè)計(jì)結(jié)果中隨機(jī)選擇，并對(duì)不同區(qū)域中不同顏色的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。裝配式建筑結(jié)構(gòu)碰撞測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3 可以得出，利用BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)的裝配式建筑結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行碰撞點(diǎn)個(gè)數(shù)測(cè)試時(shí)，只有1 處存在碰撞點(diǎn)。而使用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的裝配式建筑結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行碰撞點(diǎn)個(gè)數(shù)測(cè)試時(shí)，幾乎每處都存在碰撞點(diǎn)。

表3 裝配式建筑結(jié)構(gòu)碰撞測(cè)試結(jié)果

運(yùn)用BIM 技術(shù)進(jìn)行裝配式建筑深化設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的碰撞點(diǎn)，可以在BIM空間模型中直接手動(dòng)更改；而利用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)存在很多碰撞點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)人員重新對(duì)圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

6 結(jié)語(yǔ)

裝配式建筑模式逐漸成為工程項(xiàng)目建設(shè)的主流模式，BIM 技術(shù)在裝配式建筑深化設(shè)計(jì)中的運(yùn)用具有重要的意義。通過(guò)BIM 技術(shù)模擬建筑結(jié)構(gòu)情況，能夠使設(shè)計(jì)人員充分了解整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)情況，有效提升裝配式建筑的質(zhì)量及水平。