基于Allplan軟件裝配式結構設計制造研究

1 裝配式技術發展概況

1.1 裝配式建筑特點分析

目前，針對裝配式結構，《裝配式混凝土結構技術規程》（JGJ1—2014）等相關規范中均有提及“等同現澆”的概念。事實上，傳統建筑與裝配式建筑從設計理念和施工流程上具有較大差異，尤其在節點連接方式及施工工藝等方面[1]。裝配式建筑相比傳統建筑而言，存在著巨大的經濟、技術和環境優勢[2]：①可大大提升建筑質量；②提升施工效率，縮短工期；③有效節約建筑材料，節能減排；④提高工人生命安全保障。

1.1.1 提升建筑質量

裝配式建筑不能簡單地理解為施工工藝的革新，它是整個設計流程、管理模式、運維方式等的改變。與傳統模式不同，裝配式深化設計必須高精度、高協同化，才能保證構件生產準確無誤。同時，構件采用機械化、自動化生產模式，大幅提升構件生產質量，進一步提升建筑整體品質。

1.1.2 提升施工效率，縮短工期

預制構件生產是一種集約式的管理模式，其機械化程度高，并全面實現自動化、智能化，極大地改善了以往粗放式的生產方式，進而提高生產效率[3]。此外，工廠生產不受外界環境的約束，大部分生產工作由傳統的室外轉向室內。

1.1.3 節約建材，節能減排

對比傳統建筑業，裝配式建筑可有效節約建筑材料，節能減排：①減少磨具材料消耗，可節約用量約50%；②可大幅避免工業垃圾的生成，減幅達50%～80%[4]；③通過合理設計和施工的裝配式混凝土結構比現澆混凝土結構節約55%的混凝土和40%的鋼筋用量，還可促進廢舊建筑原料的再利用[5]。

1.1.4 提高工人生命安全保障

由于裝配式建筑的工廠化生產，現場施工人員大幅減少，高空及外腳手架施工作業減少，使事故發生的概率大大降低，從而提高了對工人生命安全的保障；同時，工廠工人及現場工人更加穩定，提高了隊伍的專業素養，使得安全培訓的有效性更強[4]。

1.2 制約裝配式深化設計發展的關鍵因素

裝配式結構設計的精髓在于各專業間的協同設計。不同于傳統設計思路，裝配式設計要求各工種之間緊密配合，從方案階段到施工圖階段，再至構件生產加工階段，均需要專業設計人員的完美配合，才能保證裝配式工程的順利進行。但是目前，國內裝配式設計仍處于較為粗放的階段，主要集中在以下幾點。

（1）結構專業內部的相互碰撞以及與水、電、暖等其他專業之間的碰撞。常規的裝配式結構設計仍依賴于二維平臺設計，無法對構件實施三維模擬拼裝和各專業間的碰撞檢查，造成PC構件無法順利裝配，機電管線無法按設計要求布置，從而造成不必要的經濟損失及額外工作量。

（2）施工精度要求提高。傳統建筑施工工藝誤差往往以厘米計算，而裝配式工程以毫米精度控制。構件生產加工及現場吊裝施工均需要在高精度控制下完成，否則構件將無法順利拼裝。

（3）設計工作量成倍增長，校核工作繁瑣復雜。常規裝配式結構深化設計基于二維平臺，并根據施工圖對預制構件進行深化設計，致使該工作量往往是傳統施工圖設計的10倍左右，且帶來的施工圖校核工作量也同步大幅增加，造成設計效率較低。

（4）工程設計數據的傳遞相對落后。裝配式結構深化設計需注重各專業間的協同合作，只有專業間緊密配合，才能保證項目的順利開展。然而，常規的深化設計流程大多基于二維平臺，信息的傳遞主要依靠圖紙相互審閱，信息傳遞的工作效率較低，且無法保證信息的完整性。

（5）在預制構件的設計、生產、運輸及運維全過程中，合理的構件拆分是做好深化設計工作的關鍵。然而，傳統的二維設計平臺在深化階段無法充分考慮構件的可生產性、可運輸性、可吊裝性及可安裝性[6]。

1.3 基于Allplan的三維裝配式結構深化

針對傳統PC深化設計過程中專業協同難度大、工作效率低下、施工精度無法滿足要求等弊端[7]，內梅切克工程有限公司專門為裝配式結構深化設計研發了一款軟件——Allplan Precast。同時，該軟件又是一個開放的BIM平臺，可將設計、評估、構件的加工制作等階段中各類設計元素全部轉變為三維信息模型。在項目應用過程中，不僅可以克服上述常規裝配式結構深化設計流程中遇到的技術難點，還提升了上游設計與下游生產、施工之間的聯系緊密程度。Allplan在進行裝配式深化設計中，具有以下幾個特點。

（1）Allplan改變了傳統的二維設計思路，直接將設計結果以三維視角直觀地呈現在設計師、施工單位等各參與方眼前，在構件生產、吊裝前即可進行構件的實體預拼裝，方便設計師與施工人員及時針對施工現場可能會發生的技術難題進行商討解決，大大提高施工效率。

（2）在裝配式建筑中，Allplan為各專業設計人員提供有利的平臺，方便不同工種的協同合作；提高專業間的配合緊密度，進而保證構件生產與設計高度一致。

（3）在確保模型準確無誤的前提下，Allplan軟件可一鍵生成構件加工圖紙，大大減少設計師在后期繪圖的工作量，同時還可保證圖紙與模型、圖紙與構件的一一對應，確保構件生產的準確性，提高整個設計流程的工作效率。

2 深化軟件Allplan在“世界外國語學校宿舍樓”項目中的應用

2.1 項目概況

“世界外國語學校宿舍樓”項目（以下簡稱“宿舍樓”項目）位于上海市青浦區徐涇虹橋商務區核心區17-04地塊單元，總建筑面積約為48 000m2。其中，宿舍樓為地上6層的多層建筑，層高4.5m，建筑面積為9 516m2，采用裝配整體式框架結構體系。根據上海市相關政策要求，單體預制率不低于30%。結合建筑功能的需求與結構安全可靠性，將全樓結構構件拆分為預制框架梁、預制樓板、預制樓梯三類構件，經混凝土用量統計，單體預制率達到30%，滿足土地出讓要求。

2.2 基于Allplan軟件的PC構件深化設計

2.2.1 Allplan在處理專業間相互碰撞問題中的應用

（1）在裝配式結構深化過程中，最大的問題是構件深化統統都在二維平臺進行工作，無法展現出施工現場構件吊裝、拼裝的過程，繼而無法檢查出構件在節點區是否可以順利拼裝，是否存在鋼筋碰撞等問題。在“宿舍樓”項目中，利用Allplan軟件進行構件的三維實體建模，根據結構施工圖的配筋參數，按照相關圖集及規范，進行鋼筋的實體三維放樣，保證每一根構件、每一根鋼筋均與構件加工廠的生產標準一致。三維視圖中，可直觀地反映出節點區的三維碰撞，以便讓輔助設計師及時作出調整，避免碰撞，保證構件可以順利吊裝，梁柱節點區鋼筋亦可通過三維彎折進行有效避讓（圖1）。

（2）由于預制構件是由預制構件廠按照深化圖紙直接加工制作并運輸至現場進行吊裝，因而運送至現場的構件必須是包含各專業的。這就導致在深化設計階段必須考慮其他專業與結構專業的碰撞問題，否則構件一旦生產錯誤，將造成較大的經濟損失。在“宿舍樓”項目中，此類問題主要體現在預制疊合板上的管線走位及管道洞口預留方面。利用Allplan三維實體建模，將涉及到預制構件的機電管線、管道洞口等直接根據施工圖紙在三維模型中體現，直觀地反映出管線走位與結構梁板的相對位置關系，在模型中進行調整，避免專業間的碰撞，保證預制構件與非預制構件在機電等其他專業的整體一致性。根據給排水專業提供的資料，對于將洞口直接布置到預制板上這一要求，軟件不僅可實現對洞口是否與桁架筋相互碰撞的檢查，而且針對洞口對板底分布筋的影響，軟件亦可完成對結構是否需要采取相應補強措施的檢查任務（圖2）。

2.2.2 Allplan在參數化建模中的應用

在“宿舍樓”項目中，構件種類雖然不多，但是構件數量巨大。在深化設計過程中，除利用軟件進行建模并深化設計工作外，還嘗試了該軟件的SmartPart參數化建模模塊。該模塊的主要目的在于加快前期建模速率，提高建模的精確度，減少模型在調整修改時的工作量。不同于傳統意義上的參數化模塊，SmartPart不需要復雜的計算機語言，僅通過較為簡單的內部編程格式即可對較為復雜的三維模型進行參數化編輯。圖3為Allplan軟件中自帶的SmartPart參數化建模編輯器。

SmartPart模塊中，只需在“對話框”進行簡單的語言編程，即可完成對標準構件的參數化定義。在“宿舍樓”項目中，主要對預制疊合梁進行參數化建模。只需在“對話框”編寫一個標準的預制疊合梁參數，如梁的幾何尺寸、鋼筋信息、混凝土標號等，即可完成對預制疊合梁的參數化定義。如圖4所示，利用SmartPart模塊創建的標準預制疊合梁模型及對應的鋼筋模型。在建模過程中，可循環調用標準構件模塊，只需要修改其相關的參數，即可衍生出相應的預制構件，大大縮短了建模用時。此外，利用SmartPart參數化模塊不僅可以對框架結構中的梁、板及柱進行參數化設計，也可以對住宅外墻（開窗洞外墻、開門洞外墻）或實心剪力墻進行參數化設計，從而大幅提升在裝配式住宅中深化設計的工作效率。

2.2.3 Allplan在數據傳遞中的應用

基于BIM技術可視化、協同性、模擬性的特點，保證各專業設計人員在三維可視環境中協同工作，并通過真實的模擬施工來預先發現可能存在的問題。因此，數據化的BIM技術是實現裝配式建筑深化設計的關鍵[8]。

在“宿舍樓”項目中，其他專業及施工單位需要根據結構深化模型進行相應的調整，制定適宜的施工方案。利用IFC數據格式，可以將裝配式拆分模型從軟件中導出，轉變為IFC數據格式文件；其他專業設計師則可在外部BIM平臺中（如Autodesk Revit），進行查看和必要的深化設計。這一特點保證了原有數據的真實性和完整性。

圖1 鋼筋避讓

圖2 水專業在預制板上開洞

圖3 SmartPart編輯器界面

圖4 利用SmartPart模塊創建的標準預制疊合梁模型

Allplan軟件中，IFC數據格式打破了裝配式建筑設計中各專業間的隔閡，保證建筑與結構在裝配式建筑工程中的充分結合與協同。在協同的過程中，PC結構工程師可以充分與建筑師就模型的某一問題進行直觀討論，并制定相應處理方案，進而達到在方案設計階段PC深化介入，大幅提升后期工作效率。此外，IFC數據格式不局限于由建筑專業導入PC結構專業這一功能，也可將結構配筋模型轉換成IFC數據格式文件并導入建筑模型中，從而實現全專業信息化模型的有機融合，解決了各專業之間的相互碰撞等問題，進而保證構件制作的精度，避免不必要的經濟損失。

2.2.4 Allplan在構件后期制作中的應用

裝配式深化設計中，構件深化圖紙往往是常規工程的5～10倍之多，工作量巨大。如果每個預制構件都單獨進行出圖，不僅浪費人力物力，還無法保證圖紙的準確率。在深化設計階段的后期，Allplan軟件可根據帶有鋼筋的預制構件模型，通過模型間多次相互校對，一鍵生成構件加工圖紙。圖紙中不僅包含構件的物理幾何參數，同時給出與結構施工圖一致的構件配筋信息及詳細的鋼筋下料清單。此外，利用軟件導出的構件加工圖紙中，包含了水、電、暖各專業的設計信息。在后期構件制作過程中，構件廠根據導出的構件深化圖紙，可直接進行構件生產。Allplan的這一功能確保了構件信息的完整性，避免設計要素因變動而導致構件制作的返工等問題。圖5、6分別展示了設計師根據實際施工圖紙在Allplan軟件中創建包含各專業信息的三維構件實體模型及鋼筋模型，并以此模型為設計依據，利用軟件直接生成構件加工圖紙的過程。構件加工廠即可依據此加工圖對構件進行工廠化生產，并運輸至施工現場進行拼裝。圖7為各類構件（預制疊合板、預制疊合梁、預制樓梯及預制梁）制作完成后的構件實體在現場的吊裝情況。

圖5 預制構件模型

圖6 軟件生成構件加工圖紙

圖7 各類預制構件實體的現場吊裝

3 結語

Allplan三維結構深化軟件在“世界外國語學校宿舍樓”項目中的應用表明，Allplan在裝配式結構深化設計流程中具有極高的優越性，既可提高設計師的工作效率，又可確保設計師與生產廠之間的緊密聯系，保證構件的生產質量。但軟件自身依然存在不足，主要是在項目的管控運維方面：4D（3D+時間）/5D（3D+時間+成本）的模擬過程是一個動態的過程，可作為施工全過程動態控制的有效工具，進一步提高項目建設的效率和效益[9]，而軟件目前還無法在PC深化模型的基礎上開展動態管理，并提供相應的可視化管理平臺。

此外，在裝配式深化設計中，面對種類繁多、體型復雜、協同程度高的預制構件，運用BIM技術將構件轉變為操作性更靈活的參數化模型尤為重要[10]。Allplan軟件中的SmartPart模塊已初步驗證了這一觀點。希望在后期的項目開展中，可以得到更多的用戶體驗，更加完善Allplan在項目中的應用。

參考文獻：

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[10]鄭聰.基于BIM的建筑集成化設計研究[D].長沙:中南大學,2012.