基于BIM的裝配式高層住宅設計關鍵技術研究

(廣東省建筑設計研究院，廣州 510010)

1 前言

預制裝配式建筑是將建筑的部分或全部構件在工廠預制完成，然后運輸到施工現場將構件通過可靠的連接方式組裝而建成的建筑。我國裝配式建筑市場產值2011年約為43.2億元，到2015年已上升到約1 287億元[1]，裝配式建筑市場潛力巨大，發展迅速，然而目前建筑設計行業對裝配式建筑的設計方法研究尚不成熟，標準化體系尚不完備，嚴重制約裝配式建筑技術的發展。

裝配式建筑的核心是建筑工業化，需要結合完整的產業鏈，而近年來興起并正在蓬勃發展的BIM技術，為建筑工業化產業鏈搭建了一個實用的技術平臺。本文以高層住宅為載體，基于BIM技術研究裝配式建筑的設計方法，解決裝配式高層住宅設計過程中遇到的多方協同、標準化設計、正向BIM建模、部品庫建立與應用、經濟效益評估、輔助軟件開發與應用等關鍵問題。

2 基于BIM的協同設計

裝配式建筑協同的核心是“三個一體化”，即建筑、結構、機電、裝修一體化，設計、生產、裝配一體化，技術、管理、市場一體化。目前，在運用BIM進行裝配式建筑的協同設計過程中，仍存在下述幾個難點：多專業模型的架構形式、協同過程中的提資方法、不同流程的提資內容、項目過程中的信息傳遞等。本文主要針對這幾點內容進行闡述。

1.1 多專業模型的架構形式

在方案和初設階段，模型構件較為簡單，對各專業一致性要求也較低，可直接在對方模型內建工作集進行設計，或按單專業單模型進行協同，期間集中幾次對模型進行鏈接校核即可。如項目較復雜，前期各階段也可適當參考施工圖模型架構進行簡化組織。

在施工圖階段，為便于維護施工圖模型，需對模型按一定規則進行拆分。常見做法為：跨工作團隊、跨專業，按鏈接模型進行，同一工作團隊按工作集在同一模型中進行協同設計； 團隊劃分時，建筑、結構為土建團隊，暖通、水、電為機電團隊。

1.2 協同過程中的提資方法

裝配式建筑協同過程中的提資方法有以下5種：全過程鏈接模型、階段性同步模型、模型局部提資、CAD圖提資、部品提資。

全過程鏈接模型指項目過程中全過程都直接鏈接其他專業，每次打開本地模型或重載鏈接時，可實時更新看到其他專業的進程，若發現有對不上的地方可及時提出，但由于無法直接得知各部分是否定稿，如有修改仍需溝通確認。

圖1 典型的全專業BIM項目文件結構

階段性同步模型指在各階段，結構方案初步穩定或集中完成某關鍵部位后，把全模型進行一次整體提資。采用鏈接其他專業的本地模型放置在本專業目錄，只在提資時與中心文件同步一次，或按階段綁定一套獨立的模型，進行提資和歸檔。

模型局部提資與階段性同步模型類似，在完成一個時間階段后，綁定一套模型，并在提資單中注明，只對其中部分視圖和某個區域的構件進行提資。

CAD圖提資指對接收方無法應用BIM模型時，采用傳統的提CAD圖方式進行。

部品提資指對單個部品進行提資，其提資內容較為明確，但只適用于較小范圍的調整，以及在構件加工階段，設計單位對部分構件進行設計變更。

上述幾種方式應靈活結合應用，典型的協同項目的服務器文件結構見圖1。

1.3 多方協同

裝配式建筑項目進入到施工階段時，項目多方參與，有業主、勘察、設計(建筑、結構、設備、裝修)、土建施工、構件加工廠家、安裝施工、裝修等，各參與方之間如何有效地溝通是影響裝配式建筑建造效率的一個難題。

為解決多方協同難題，作者采用B/S模式構建基于互聯網的管理系統GDAD-PCMIS[2]，將BIM模型信息進行輕量化存儲，針對協同管理過程的相關需求進行系統開發，以使BIM的信息貫穿項目建設的全生命周期，并得以充分運用。平臺開發的主要技術路線見圖2，平臺的事項綜合瀏覽界面如圖3所示。

3 建筑標準化設計

裝配式高層住宅的設計，從成本和建設周期角度考慮，應通過模數協調等手段，依照“多組合，少規格”的原則進行設計。

圖2 平臺主要技術路線

圖3 事項的綜合瀏覽界面

1.4 建筑設計

裝配式高層住宅的外立面設計應盡量做到造型簡單、立面簡潔、沒有復雜裝飾的建筑，符合現代主義建筑“少即是多”理念[3]。

裝配式高層住宅的平面設計可通過模塊化的方式，將建筑空間根據功能分為衛生間、廚房、臥室、書房、陽臺等模塊，通過這些模塊進行組合，形成基本套型模塊[4]，如圖4所示。

圖4 基本套型模塊

進行平面設計時，將套型模塊作為彈性模塊，公共空間部分作為固定模塊，固定模塊保持不變，通過變換彈性模塊就可以形成多種組合戶型，如圖5所示，形成的示例戶型如圖6～圖8所示。

圖5 固定與彈性模塊

圖6 示例組合戶型1

圖7 示例組合戶型2

圖8 示例組合戶型3

1.5 結構設計

裝配式高層住宅結構設計應考慮裝配式建筑與現澆建筑的不同之處，在保證結構安全的前提下盡量保證施工的方便性，盡量節省建造材料。

裝配式高層住宅若采用預制剪力墻，需考慮預制剪力墻水平接縫對結構受力性能的影響[5]。

裝配式高層住宅若采用了預制外墻，結構剛度受預制外墻的影響較大。計算中可通過周期折減系數考慮預制外墻對結構剛度的影響。本文通過高層住宅整體有限元分析，得到不同裝配式體系的周期折減系數建議值，如表1所示。

表1 周期折減系數建議值

對于全受力外墻裝配整體式混凝土剪力墻結構體系，由于預制外墻參與結構受力，因此結構剛度非常大，地震力也很大。針對這個問題，作者提出了一種用于裝配式剪力墻結構的預制雙連梁(如圖9所示，發明專利申請號201710981864.X)，通過設置雙連梁降低結構剛度，達到減少地震力、節省建造材料的目的，同一建筑采用單連梁和雙連梁的性能對比如表2所示。

圖9 預制雙連梁示意圖

對比項對比結果對比項對比結果周期增加約4%風位移減少約7%剪力減少約3%剛重比減少約7%地震位移減少約4%承載力比減少約1%位移比減少約1%

1.6 構件拆分

裝配式高層住宅結構構件拆分應從尺寸、重量、傳力路徑、選筋控制、運輸條件等角度進行分析，使得預制構件生產、運輸、吊裝的總成本達到最低。

對于疊合板，裝配式高層住宅的樓板跨度一般不大于6m，且大部分不大于3.2m(工程生產線模臺寬度限制值)，疊合板配筋一般由構造控制，且構件重量一般不會超過吊裝允許重量。因此，樓板拆分應盡量按單向板拆分，盡可能采用大板，減少吊裝次數。

對于預制剪力墻身，其數量由建筑布置確定，拆分時重點考慮減少構件規格數。可在滿足規范要求的前提下，通過調整(一般為加長)邊緣構件區的長度，使得預制剪力墻身構件的規格盡量少，方便生產。

對于疊合梁，其規格數主要受結構布置及底筋搭接長度的影響，規格一般較難統一。可通過使用對稱戶型、統一底筋布置等方法減少疊合梁規格數。

4 設計樣板及正向建模方法

4.1 設計樣板

設計樣板是BIM設計標準的重要組成部分，樣板設置的目的是進行設計成果的標準化表達，提高設計效率與圖面表達質量。一般來說，應在公司層面制作符合裝配式高層住宅BIM項目的基本樣板文件，并且持續積累完善。

對于裝配式BIM項目來說，除了需要設置裝配式全專業設計項目樣板(簡稱“項目樣板”)，還需要設置裝配式預制構件的設計樣板(簡稱“部品樣板”)。兩者不一致，但有共通之處。部品樣板可以在項目樣板的基礎上，進行優化調整。

項目樣板、部品樣板均主要由以下部分組成： (1)預設的構件族； (2)預設的工作視圖； (3)預設的圖紙布局； (4)預設的明細表。

項目樣板、部品樣板的不同之處在于：項目樣板的設置主要考慮進行各專業的區分(如工作視圖區分為：建筑專業工作視圖、結構專業工作視圖、機電專業工作視圖、裝修專業工作視圖)，部品樣板的設置主要考慮進行加工步驟的區分(如工作視圖區分為：深化設計工作視圖、配筋工作視圖、模板工作視圖、機電預埋工作視圖、安裝工作視圖)。

4.2 正向建模方法

基于BIM的設計需要進行三維建模，對于裝配式高層住宅，需要進行土建模型建模(包括構件拆分)、機電模型建模、裝修模型建模，機電、裝修模型完成后，土建模型需要根據管線走向、插座位置等在預制構件上開洞。

建模方式上，可采用“三中心文件法”，根據項目的實施情況從淺到深的過度定義三個層次的中心文件，不同階段的模型針對不同的用途進行區分，并采用不同的文件命名進行識別。裝配式高層住宅大致上可分為：初步設計模型、施工圖設計模型和深化設計模型。不同模型的應用重點見表3。

圖10 部品的組成

5 基于Revit的部品庫

5.1 部品部件建模

裝配式部品部件的建模需滿足以下要求： 1)有精確的三維模型，深度達LOD400； 2)方便工程師選擇和切換； 3)三維模型與二維圖紙完全一致； 4)不同項目中能積累和重復使用。

表3 三中心文件法的應用重點

為滿足上述要求，部品部件的建模應采用“獨立Revit文件+鏈接”的方法：在一個獨立的Revit文件中進行構件的三維建模，通過剖切和注釋形成構件加工圖，構件的三維模型和加工圖形成一個部品，如圖10所示，多個部品文件組成部品庫； 使用時，通過鏈接的方式載入到項目中心文件中，如圖11所示。部品的具體使用方法詳第5節。

5.2 部品庫應用方式

5.2.1 部品鏈接

部品文件通過“鏈接”的方式載入到主體模型中，進行鏈接操作時，定位方式為“自動—原點到原點”。

鏈接后部品被放置在項目原點，在三維視圖中，通過修改面板中的“對齊”命令將鏈接文件移動至需要的標高，在平面視圖或三維視圖中將部品移動至需要的地方。若有多個地方用到同一個部品，使用復制的方法建模。

圖11 部品的使用

5.2.2 部品修改

由于項目是逐漸深入的，鏈接進去后的部品可能需要修改或深化(如修改配筋、開設備洞口等)，因為修改后的部品實際上是一個新的部品，必須繪制新的詳圖，因此，遇到原部品無法滿足設計要求而需要修改的情況，不能在原部品文件中進行修改，應該復制出一個新的部品文件，修改部品文件后重新鏈接到項目中。通常來說，部品的修改可以按如下步驟：

(1)打開部品庫所在的文件夾，選擇最相似的部品，復制出新的文件，按命名規則修改文件名；

(2)打開部品文件，修改主體構件的族類型名稱，修改成部品文件名(用于鏈接到項目后的注釋，后面詳講)；

(3)按需要修改部品文件；

(4)在項目文件中使用“鏈接”的方法載入該部品，載入后部品在項目原點，將之刪除；

(5)在項目中選擇需要修改的部品，在屬性欄中修改“鏈接的Revit模型”屬性，用此方法可避免鏈接后重新調整位置。

5.2.3 部品可見性控制與展示

如果在部品庫文件中預設好相應的視圖，Revit允許鏈接模型在平面或三維中顯示部品庫文件中預設好的視圖，從而實現部品的可見性控制。具體方法為：在可見性設置中將鏈接文件的“顯示設置”選為“按鏈接視圖”，在下拉菜單中選擇相應的視圖。通過該方法，部品庫鏈接到項目文件中之后，可由用戶自由選擇是否只顯示部品庫中某些構件，如鋼筋可選擇：全不顯示、只顯示某些構件的鋼筋、顯示全部構件的鋼筋。可見性控制方法可協助項目文件的BIM展示，如展示全部鋼筋(圖12)、展示預制件鋼筋(圖13)、展示某個預制構件內的鋼筋(圖14)或進行節點區鋼筋展示(圖15)。

圖12 展示全部鋼筋 圖13 只展示預制部分鋼筋

圖14 展示預制構件的鋼筋 圖15 節點區展示

5.3 部品庫優缺點

采用本文方法實現的部品庫主要有以下優點：

(1)實現模型輕量化

鏈接進來的模型不增加項目文件的大小。部品中雖然攜帶鋼筋，但可通過切換鏈接文件的視圖樣式自由切換每個部品的鋼筋顯示和消隱，因此不會影響圖形顯示速度。

(2)實現構件詳圖與三維模型統一

每個部品庫都是一個完整的項目文件，通過在項目文件中建立“圖紙”，直接將構件詳圖集成到部品庫中。二維的構件詳圖是通過三維模型剖切后添加注釋信息得到的，可以實現構件詳圖與三維模型統一。

(3)可積累性

每個部品庫文件其實就是一種類型的構件詳圖，擁有某個部品的完整信息，并且與具體工程項目相獨立，可隨工程實踐積累部品庫，前期工作可在后續的工程中繼續發揮價值。

采用本文方法實現的部品庫仍有以下待解決問題，需要通過后續開發和研究進行改進：

(1)部品庫管理和保密問題

部品庫文件為普通rvt格式文件，Revit本身沒有配套的文件管理系統，需要用戶自行管理部品庫文件，并且部品庫文件也沒有保密的機制。

(2)模型打開時速度慢

如果在項目中鏈接了大量的外部文件，打開模型時由于需要將鏈接文件載入，因此花的時間會比較長。

6 經濟效益分析

6.1 費用組成

建筑工程建安工程造價是由直接費、間接費、利潤、稅金組成，具體比例詳見圖16。間接費主要為企業管理費和規費。企業管理費和利潤根據企業自身情況而變化。規費和稅金是根據項目所在地的相關政策計算，為不可競爭費用。直接費是由人工費、材料費、機械費、措施費組成，具體比例詳見圖17。現澆混凝土結構工程，材料費約占土建建安工程造價的55%～60%。裝配式混凝土結構工程，其材料費占比更高。因此，影響裝配式建筑造價的主要因素是預制構件材料費。

圖16 建安費組成 圖17 直接費組成

預制構件材料費是由構件生產費、運輸費組成。構件生產費包含原材料費(水泥、石子、砂、鋼筋等)、建設工廠費、模具攤銷費、工廠設備攤銷費、生產人工費、生產使用水電費、廠商利潤及稅金等組成。運輸費包含預制構件從生產工廠運輸到項目工地現場的運輸費用。預制構件購買原材料費與現澆混凝土原材料費相同。為生產預制構件，工廠需要在前期投入大量資金建設工廠、制作模具、購買生產設備。因此，影響預制構件材料費的主要因素是建設工廠費、模具費和工廠設備費。一般預制廠按照產能需要先行投資500～1000元/m3，全部要攤銷在預制構件價格之中。

6.2 經濟效益分析

以廣州市某保障性住房項目(圖18)為例，通過計算標準層工程量，分析不同預制構件組合的造價差異。該項目為兩梯六戶住宅工程，標準層建筑面積452.26m2。當樓梯、陽臺板、空調板、樓板、內隔墻、梁、外墻、柱、剪力墻等構件分別采用預制構件的情況下，計算項目的預制率以及增加的單方造價，詳見表4。

圖18 廣州市某保障性住房標準層

序號預制構件名稱砼工程量(m3)預制率(%)增加造價(元/m2)1樓梯2.962.073.172陽臺板5.323.8019.103空調板0.590.422.124樓板45.15415.7968.275內隔墻41.67622.57311.586梁20.73814.5182.217外墻31.87618.23240.708剪力墻68.21647.71292.54合計216.527

表4為當僅僅是某一種構件采用預制的情況下，所對應的預制率及增加造價。如樓梯構件為預制構件時，則內外墻均按砌筑墻體考慮； 內隔墻為預制構件時，則內隔墻為預制砼構件。

對應某一個預制率，都可以有多種不同的預制構件組合形式，每種組合形式的造價不同。在目前的技術條件和技術成熟度下，先考慮結構安全性和施工方便性再考慮造價，則預制構件的選取順序應為：先選擇樓梯、陽臺板、空調板構件，然后選擇樓板和內隔墻構件，最后選擇梁和外墻板構件。結合上表，通過對15%、20%、30%、45%、60%五種預制率進行分析，得到不同組合下增加的造價(以下數據對應于圖18所示項目)。分析表明：

預制率15%情況下，最經濟方案為樓板采用預制構件，其余采用現場澆筑，每平方米造價增加68元。

預制率20%情況下，最經濟方案為樓板、空調板、陽臺板采用預制構件，其余采用現場澆筑，每平方米造價增加89元。

預制率30%情況下，最經濟方案為梁、樓板采用預制構件，其余采用現場澆筑，每平方米造價增加150元。但按照預制構件選取順序，則以樓板、空調板、陽臺板、內隔墻采用預制構件最為合適，每平方米造價將至少增加336元。

預制率45%情況下，最經濟方案為外墻、梁、樓板、空調板、樓梯采用預制構件，其余采用現場澆筑，每平方米造價增加394元。但按照預制構件選取順序，則以梁、樓板、內隔墻采用預制構件最為合適，則每平方米造價將至少增加462元。

為使預制率達到60%，則需要外墻、內隔墻、梁、樓板、空調板、陽臺板、樓梯均采用預制構件，剪力墻采用現場澆筑，每平方米造價增加727元。

7 輔助設計軟件開發

7.1 預制率和裝配率計算軟件

預制率和裝配率是影響裝配式建筑方案比選的一個重要指標。Revit可自動生成構件相關明細表，根據明細表工程量來編制預制率計算書。一般以標準層為單位，分層計算。圖19、圖20是Revit生成的疊合板混凝土量明細表和通過Excel制作的預制率計算表格。

圖19 疊合板混凝土量明細表

圖20 預制率計算表格

上述方法是常用的預制率計算方法，根據上述邏輯，作者開發了能簡便的計算出預制率的Revit插件：裝配式建筑預制率及裝配率計算模塊，可實現一鍵計算出預制率結果，特別適合方案階段的預制率計算。

預制率根據預制混凝土構件占所有混凝土構件的比例進行計算，裝配率根據《裝配式建筑評價標準》(GB/T51129-2017)進行計算，程序界面如圖21所示，預制率和裝配率計算結果顯示界面如圖22、圖23所示。

圖21 裝配式建筑預制率及裝配率計算軟件

7.2 裝配式建筑輔助設計軟件

為了解決裝配式建筑設計過程中遇到的實際問題，作者開發了裝配式建筑輔助設計軟件。軟件包含4個模塊：結構拆分輔助模塊、裝配式建筑構件深化設計輔助模塊、梁平法快速成圖模塊、裝配式建筑節點驗算模塊。

結構拆分輔助模塊可用于結構梁拆分、剪力墻拆分和結構板拆分。其中，梁拆分參數設置界面如圖24所示，生成拆分梁的效果圖如圖25所示。

圖22 預制率模塊一鍵計算結果

圖23 裝配率模塊計算結果

圖24 梁拆分參數設置界面

裝配式建筑節點驗算模塊用于裝配式建筑節點的力學驗算，分為“塑性板驗算”、“剪力墻接縫驗算”、“預制梁吊裝驗算”、“外掛墻板驗算”、“疊合梁端豎向接縫驗算”和“疊合板接縫驗算”等6個功能，程序界面如圖26、圖27所示。

裝配式建筑構件深化設計輔助模塊、梁平法快速成圖模塊詳見文獻[6]、文獻[7]。

圖25 生成拆分后的梁

圖26 節點驗算模塊界面

圖27 塑性板驗算界面

8 小結

本文根據實際工作需要，對裝配式高層住宅設計關鍵技術進行深入研究。通過對協同設計方法的研究，提出了多專業協同時模型的架構形式和協同過程中的提資方法，構建了基于互聯網的管理系統GDAD-PCMIS，解決多方協同的難題； 通過對裝配式建筑設計、結構設計和構件拆分中的關鍵點進行研究，為裝配式建筑標準化設計提供實用性建議； 通過對裝配式建筑基于BIM的設計樣板、建模方法進行研究，提出一套實用化的BIM正向設計方法，為讀者從事裝配式建筑設計提供參考； 通過對Revit功能的研究，提出一套基于Revit鏈接功能的部品建模及使用方法，實現構件詳圖與三維模型統一，并具有可積累性； 通過對裝配式建筑費用組成的分析，探討不同預制構件組合對經濟效益的影響； 通過二次開發技術結合實際需求，開發預制率和裝配率計算軟件等輔助軟件，提升裝配式高層住宅的設計效率。

鳴謝：廣東省建筑設計研究院賴鴻立、蔡鳳維、吳桂廣、張偉銳、陳少偉等工程師也參與了本文的研究工作，在此一并致以誠摯的謝意。

參考文獻

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