基于BIM的裝配式建筑設(shè)計(jì)軟件的研發(fā)

(建研科技股份有限公司，北京 100013)

1 前言

隨著建筑工業(yè)化的發(fā)展，裝配式建筑在全國(guó)范圍內(nèi)正在逐步廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51231-2016、國(guó)標(biāo)圖集、各地的地方標(biāo)準(zhǔn)圖集也紛紛編制與出版，裝配式建筑適應(yīng)工業(yè)化、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展要求，必將是未來(lái)建筑領(lǐng)域的發(fā)展方向[1-2]。

為了適應(yīng)裝配式的設(shè)計(jì)要求，PKPM編制了基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)軟件PKPM-PC，提供了預(yù)制混凝土構(gòu)件的脫模、運(yùn)輸、吊裝過(guò)程中的計(jì)算工具，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)分析及相關(guān)內(nèi)力調(diào)整、連接設(shè)計(jì)，在BIM平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件庫(kù)的建立、三維拆分與預(yù)拼裝、碰撞檢查、構(gòu)件詳圖、材料統(tǒng)計(jì)、BIM數(shù)據(jù)直接接力到生產(chǎn)加工設(shè)備。PKPM-PC為廣大設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)裝配式住宅提供設(shè)計(jì)工具，提高設(shè)計(jì)效率，減小設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，推動(dòng)了住宅產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程[1-4]。

2 軟件啟動(dòng)界面和主要功能

PKPM-PC軟件為廣大設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)裝配式建筑提供簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)工具，啟動(dòng)界面如圖1所示。

圖1 基于BIM平臺(tái)的裝配式建筑設(shè)計(jì)軟件PKPM-PC啟動(dòng)界面

軟件主要功能如下：(1)建筑裝配式模型； (2)裝配式方案設(shè)計(jì)； (3)裝配式結(jié)構(gòu)分析計(jì)算； (4)裝配式深化設(shè)計(jì)； (5)預(yù)制構(gòu)件庫(kù)建立和維護(hù)； (6)自動(dòng)生成構(gòu)件詳圖(7)導(dǎo)出加工數(shù)據(jù)(直接接力數(shù)控加工設(shè)計(jì)CAM)。

3 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑方案設(shè)計(jì)

3.1 裝配式BIM模型

BIM平臺(tái)提供多種裝配式建筑模型建立方式，可以采用BIM專(zhuān)業(yè)協(xié)同，從建筑模型轉(zhuǎn)換到結(jié)構(gòu)模型，或者從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建模軟件PMCAD中的模型導(dǎo)入，也可以直接進(jìn)行交互的模型搭建。

(1)導(dǎo)入建筑數(shù)據(jù)(建筑轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu))，如圖2所示。

圖2 模型轉(zhuǎn)換

(2)交互建模(現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)建模再拆分或構(gòu)件庫(kù)拼裝)，如圖3所示。

圖3 裝配式交互建模界面

(3)導(dǎo)入PM數(shù)據(jù)。

3.2 裝配式設(shè)計(jì)指標(biāo)及方案

(1)裝配式結(jié)構(gòu)整體分析設(shè)計(jì)；

(2)預(yù)制率計(jì)算(圖4)；

(3)拆分效果圖、爆炸圖(圖5)。

圖4 預(yù)制率計(jì)算結(jié)果

圖5 三維可視化拆分圖

4 裝配式結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：(1)現(xiàn)澆部分地震內(nèi)力放大； (2)現(xiàn)澆部分、預(yù)制部分承擔(dān)的規(guī)定水平力地震剪力百分比統(tǒng)計(jì)； (3)疊合梁縱向抗剪計(jì)算； (4)預(yù)制梁端豎向接縫的受剪承載力計(jì)算； (5)預(yù)制柱底水平連接縫的受剪承載力計(jì)算； (6)預(yù)制剪力墻水平接縫的受剪承載力計(jì)算[6-9]。

裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)規(guī)范：(1)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ1-2014； (2)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》GB 50666-2011； (3)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB 50204-2015； (4)《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ355-2015(圖6)。

4.2 結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)件驗(yàn)算

接力PKPM結(jié)構(gòu)分析模塊完成結(jié)構(gòu)整體分析和預(yù)制構(gòu)件受力、配筋驗(yàn)算(圖7)。

圖6 裝配式建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算界面

圖7 裝配式建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算分析界面

5 裝配式深化設(shè)計(jì)

(1)裝配式在模型中的三維預(yù)拼裝(包括圍護(hù)墻、設(shè)備管線等)

通過(guò)三維預(yù)拼裝，在設(shè)計(jì)階段就能避免沖突或安裝不上的問(wèn)題，模擬施工，確定施工安裝順序(圖8～9)。

圖8 三維模型與預(yù)拼裝

圖9 多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的BIM模型

(2)拆分工具

根據(jù)運(yùn)輸尺寸、吊裝重量、模數(shù)化要求，自動(dòng)完成構(gòu)件拆分； 能根據(jù)國(guó)際設(shè)計(jì)規(guī)范要求完成自動(dòng)設(shè)計(jì)(圖10)。

圖10 構(gòu)件庫(kù)智能拆分功能

(3)交互布置

能交互布置構(gòu)件、預(yù)埋件、預(yù)留孔洞等。

(4)框架結(jié)構(gòu)可自動(dòng)讀取Satwe計(jì)算結(jié)果，預(yù)制梁柱可根據(jù)計(jì)算結(jié)果配筋，并自動(dòng)進(jìn)行鋼筋避讓。

(5)現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件自動(dòng)配筋及出圖：現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件可根據(jù)Satwe計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)和配筋，并且可以生成現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)大樣圖。

(6)構(gòu)件、鋼筋碰撞檢查

可以實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)間碰撞檢查及預(yù)制構(gòu)件間的鋼筋碰撞檢查(圖11)。

(7)機(jī)電專(zhuān)業(yè)孔洞預(yù)留、管線預(yù)埋：通過(guò)提資機(jī)電專(zhuān)業(yè)模型，可以在預(yù)制構(gòu)件中自動(dòng)生成水暖孔洞及電氣預(yù)埋(圖12)。

圖11 碰撞檢查

圖12 機(jī)電專(zhuān)業(yè)孔洞預(yù)留

(8)預(yù)制率、算量統(tǒng)計(jì)

提供材料統(tǒng)計(jì)，并自動(dòng)計(jì)算預(yù)制率(圖13)。

圖13 構(gòu)件用量統(tǒng)計(jì)報(bào)表界面

(9)構(gòu)件計(jì)算工具

提供材料統(tǒng)計(jì)表，并且可以自動(dòng)計(jì)算預(yù)制率。

(10)自定義構(gòu)件：可以在自定義模塊，搭建異形構(gòu)件，并存儲(chǔ)入庫(kù)，方便復(fù)用。

(11)還包括構(gòu)件驗(yàn)算、規(guī)范構(gòu)造檢查、短暫工況驗(yàn)算校核等功能。

6 預(yù)制構(gòu)件庫(kù)建立和維護(hù)

PKPM-PC的預(yù)制構(gòu)件庫(kù)是開(kāi)放的參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)，構(gòu)件庫(kù)的數(shù)據(jù)是單獨(dú)存儲(chǔ)和管理的，可以是團(tuán)隊(duì)共享的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)，也可以交互自定義用戶庫(kù)、企業(yè)庫(kù)。在不同的工程中重復(fù)使用，減少重復(fù)工作，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化，確保工作質(zhì)量及設(shè)計(jì)的結(jié)果能滿足安裝、加工要求。通過(guò)不斷的工程實(shí)踐，可以逐步建立企業(yè)自己的標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)制構(gòu)件庫(kù)與設(shè)計(jì)緊密關(guān)聯(lián)，可以直接接力整體分析結(jié)果生成滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)化預(yù)制構(gòu)件[9](圖14)。

按國(guó)標(biāo)圖集設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制構(gòu)件可在拆分設(shè)計(jì)中直接調(diào)用。同時(shí)，自定義庫(kù)也滿足了異形預(yù)制構(gòu)件的項(xiàng)目需求。另外，用戶可以修改和擴(kuò)充預(yù)制構(gòu)件庫(kù)。

圖15 預(yù)制構(gòu)件詳圖

圖14 預(yù)制構(gòu)件模型

7 自動(dòng)生成構(gòu)件詳圖

基于BIM平臺(tái)的預(yù)制構(gòu)件詳圖自動(dòng)化生成研發(fā)，裝配式結(jié)構(gòu)圖要細(xì)化到每個(gè)構(gòu)件的詳圖，詳圖工作量很大，BIM平臺(tái)下的詳圖自動(dòng)化生成，保證模型與圖紙的一致性，即能夠增加設(shè)計(jì)效率，又能提高構(gòu)件詳圖圖紙的精度，減少錯(cuò)誤(圖15)。

8 BIM模型數(shù)據(jù)直接接力數(shù)控加工設(shè)計(jì)CAM

裝配式結(jié)構(gòu)的BIM模型數(shù)據(jù)直接接力裝配式智慧工廠管理平臺(tái)，預(yù)制構(gòu)件模型信息直接接力數(shù)控加工設(shè)備，自動(dòng)化進(jìn)行鋼筋分類(lèi)、鋼筋機(jī)械加工、構(gòu)件邊摸自動(dòng)擺放、管線開(kāi)孔信息的自動(dòng)化畫(huà)線定位、澆筑混凝土的自動(dòng)計(jì)算與智能化澆筑，達(dá)到無(wú)紙化加工，也避免了加工時(shí)人工二次錄入可能帶來(lái)的錯(cuò)誤，大大提高了工廠生產(chǎn)的效率。數(shù)據(jù)直接傳給生產(chǎn)廠家用于預(yù)制構(gòu)件的數(shù)控加工，使得設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工一體化，助力建筑產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

圖16 BIM模型直接接力數(shù)據(jù)加工設(shè)備圖

圖17 裝配式智慧工廠管理平臺(tái)

9 結(jié)論

通過(guò)基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)軟件的研發(fā)，可供設(shè)計(jì)軟件直接應(yīng)用的開(kāi)放的參數(shù)化預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，滿足建筑工業(yè)化、信息化所亟需的多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)要求，簡(jiǎn)化裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高效率，推動(dòng)面向建筑產(chǎn)業(yè)化的新型建筑設(shè)計(jì)方法[2， 9-12]。

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