BIM技術在裝配式建筑深化設計中的應用

文/中建一局集團建設發(fā)展有限公司 李 貝 袁 齊 楊嘉偉

0 引言

隨著我國人口紅利逐漸消失，減少人工、節(jié)能減排、提高質量、加速建設等社會需求為裝配式建筑的發(fā)展創(chuàng)造條件。目前裝配式建筑在我國發(fā)展迅猛，并得到國家大力推動。因此對于裝配式建筑的設計需求大幅增加，有別于傳統(tǒng)建筑設計，其設計周期更長，準備工作更多、更復雜，要求設計人員在建筑方案階段便需思考裝配式建筑設計、生產、施工的種種要求和條件，盡可能為提高裝配式建筑的標準化程度而努力。而利用BIM技術的真實模擬、可視化、專業(yè)綜合、信息化、可模擬等特性完成裝配式建筑的設計工作，可為其標準化設計和信息化管理提供便利。

近年來BIM技術在建筑業(yè)的應用愈加廣泛，在復雜建筑中應用于提供3D建筑模型，協(xié)調各專業(yè)，解決建筑物復雜造型、管線綜合問題；在古建筑修繕中應用可將建筑物歷史信息模型及修繕數(shù)據(jù)記錄保存下來；在水電工程中涉及不同專業(yè)，包括地質、水工、建筑、機電等，以可視化、信息化整合平臺協(xié)同設計；在建筑的綠色設計中通過BIM技術分析采光、能源效率等建筑性能，通過控制通風、采光、氣流組織等實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保；在工程實施前期采用3D模型進行4D、5D模擬項目進度及成本造價控制。由此可見，在工程規(guī)劃設計階段、施工準備階段、施工階段均可應用BIM技術。

現(xiàn)階段，我國建筑產業(yè)化發(fā)展方興未艾，預制混凝土構件深化設計需協(xié)調建筑、結構、機電等多專業(yè)的預留預埋，并涉及生產、運輸、存放和施工等多個階段，深化設計圖紙內容繁雜。采用BIM技術可使預制混凝土構件深化設計更直觀，降低設計難度，并能自動統(tǒng)計材料用量，從而在構件生產準備階段的材料采購、構件生產階段的細節(jié)把控精度、構件存放運輸階段的合理堆放分類等方面均起到顯著作用。

1 裝配式結構深化設計

常見裝配式結構包括：裝配整體式框架結構、裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結構、裝配整體式剪力墻結構等。其中預制構件包括：預制框架柱、預制疊合梁、預制內墻板、預制外墻板、預制疊合板、預制陽臺、預制樓梯等。

預制構件生產前的深化設計工作尤為重要，建筑、結構、水、暖、電五大專業(yè)條件需在構件生產前全部確定，并保證各專業(yè)的位置信息不相互干涉，而深化設計將各專業(yè)信息進行匯總，通過BIM技術可視化特點，快速發(fā)現(xiàn)并解決相應問題，從而保證構件順利生產。預制外墻、預制內墻、預制疊合板等預制構件的位置及尺寸是否準確，也需利用BIM技術進行預拼裝驗證，確保現(xiàn)場順利安裝。

使用Revit軟件對預制構件進行深化設計，不僅可實現(xiàn)更便捷實用的深化設計操作流程，而且在深化設計圖中增加構件三維模型，為施工者提供直觀可視化的構件安裝形式交底。

2 BIM建模在深化設計中的應用

Revit族庫應用是以族為單位，將各種類型可編輯、可驅動的族文件載入項目組合成為理想模型。在預制構件深化設計過程中，將各種預制構件中不同構件外輪廓、埋件、鋼筋形式作為一種族文件進行繪制。其中，預制構件可按照外輪廓形式的不同進行分類，例如，預制墻板可分為3種形式：不帶洞口、帶窗洞口、帶門洞，邊線及洞口尺寸均為可編輯參數(shù)；標準埋件可按照通常在預制構件中的位置以基于面的公制常規(guī)模型繪制并保存族文件；鋼筋族文件的繪制則完全以鋼筋在構件中的存在形狀為依據(jù)，創(chuàng)建可編輯的鋼筋規(guī)格、彎折角度等參數(shù)，定義參照平面。以上各種族文件的組合應用即是以族為單位更高效地完成預制構件深化設計。

以夾心外墻板為例，夾心外墻板由外葉板和內葉板組成，外葉板由裝飾面層、保溫保護層、保溫層組成。裝飾面層以單塊面磚（區(qū)分面磚顏色）作為一個族文件；保溫保護層以可參數(shù)化外輪廓邊線、板厚等幾何信息的實體模型為基礎，定義材質、定義參照平面作為一個族文件；保溫層族文件、內葉板族文件的繪制、創(chuàng)建原則同保溫保護層族文件。

BIM模型作為可共享的信息載體，項目不同專業(yè)可通過BIM模型插入、提取、更新和修改各種信息，以實現(xiàn)各專業(yè)間協(xié)同工作。BIM技術對于優(yōu)化施工圖設計具有重要意義，利用BIM技術可很好地保持平、立、剖及詳圖間數(shù)據(jù)的一致性，從而更好地解決施工圖設計過程中各專業(yè)間的信息沖突問題，保證深化設計能準確表達方案意圖并進行效果還原。

3 可視化在深化設計中的應用

BIM技術的可視化特點可提前解決鋼筋碰撞、埋件干涉等問題，使經過深化設計的圖紙更具可實施性，大大提高施工質量。可視化帶來的優(yōu)勢體現(xiàn)在2方面：①在數(shù)據(jù)之間創(chuàng)建實時、一致的關聯(lián)，對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的任何更改可馬上在其他關聯(lián)處反映出來；②在各構件實體間實現(xiàn)關聯(lián)顯示、智能互動。深化設計目的之一是保證每個構件到現(xiàn)場都能準確安裝，不發(fā)生錯漏碰缺。特別是針對鋼筋進行的碰撞檢查，可避免施工階段預制構件鋼筋碰撞引起的窩工、返工，保證工程順利進行。

3.1 夾心外墻板深化設計

預制夾心外墻板采用“三明治”結構，由保溫保護層+保溫層+結構層組成，墻體形狀越復雜，傳統(tǒng)的CAD二維設計就越容易使埋件、鋼筋發(fā)生碰撞干涉。通過建立預制夾心外墻板BIM模型（見圖1），優(yōu)化鋼筋位置（見圖2），通過信息同步，將模型參數(shù)信息直接反映在深化圖紙上，并實時、同步反映在其他相關聯(lián)的視圖或圖表上，保證BIM信息模型的完整性，在實際工作中大大提高了工作效率，同時消除傳統(tǒng)二維設計中由于設計人員的疏漏導致的不同視圖表達信息沖突的現(xiàn)象。

圖1 預制夾心外墻板BIM模型

3.2 預制剪刀梯深化設計

1）預制剪刀梯安裝 預制剪刀梯作為板類構件，采用銷鍵連接的方式與上下梯梁的預留鋼筋進行連接。在深化設計中需預留銷鍵連接的孔洞。應用Revit軟件核對預留孔洞位置的準確性，可在模型中拼裝預制剪刀梯，精確定位銷鍵孔洞在預制剪刀梯構件中的位置。

2）預制樓梯間隔板安裝 預制隔板采用置于其中一跑梯段上的安裝方式，即每層梯段承受該層隔板自重荷載。需在預制構件中預留的埋件包括隔板與上下層梯段的連接埋件、隔板之間的連接埋件及隔板上預留的樓梯間欄桿埋件等，以上埋件均需在預制剪刀梯及預制隔板的深化設計圖中體現(xiàn)。對于單個構件來說，在二維界面中繪制各種埋件無法保證埋件位置準確性。使用Revit軟件出圖可準確定位各種埋件在預制剪刀梯和預制隔板上的位置，并能很好地在三維視圖中體現(xiàn)出來（見圖3，4）。

3.3 其他類型預制構件安裝深化設計

1）預制墻板與疊合板安裝節(jié)點 上下層預制墻板與疊合板（含降板位置疊合板）的安裝節(jié)點，應用Revit軟件完成整塊墻板和疊合板的建模后進行預拼裝，檢查墻板與疊合板的相對關系，確定降板位置及墻板頂預留豁口尺寸；對墻板及疊合板上的斜支撐埋件預留位置進行核對，同時對墻板上其他線盒、線管、模板埋件等進行核對，并校核墻板鋼筋是否與疊合板鋼筋發(fā)生碰撞（見圖5）。

2）預制樓梯安裝節(jié)點 通過建立模型對預制剪刀梯及預制隔板進行拼裝，按照設計思路核對每種預留預埋的位置（見圖6）。

3）預制PCF板安裝節(jié)點 預制PCF板在施工過程中安裝工藝更為復雜，在無外防護架的情況下，吊裝PCF板與下層PCF板對齊調整垂直度，并與相鄰預制外墻板連接固定，綁扎現(xiàn)澆節(jié)點鋼筋后支設內側模板，使用螺栓將預制外墻內側預埋件與預制PCF板內側預埋件通過PCF板連接件進行機械連接，將預制PCF板與相鄰預制外墻板模型進行預拼裝，核對各埋件位置（見圖7）。

4）工字形外墻板施工安裝節(jié)點 此工字形外墻板立面為工字形，平面為T字形，因其復雜的構件形狀及陰角節(jié)點形式需在構件深化設計前確定其安裝方案，避免預埋件或墻板外邊線與實際施工發(fā)生沖突。通過安裝節(jié)點模型對工字形外墻板進行分析，可明確該陰角處預制墻板外葉板的合理長度，并模擬可行的施工方案（見圖8）。

圖2 利用BIM技術優(yōu)化鋼筋布置

圖3 預制剪刀梯、預制樓梯間隔板安裝模型

圖4 預制剪刀梯與現(xiàn)澆梯梁連接節(jié)點

圖5 預制外墻板與疊合板安裝節(jié)點

圖6 預制樓梯安裝節(jié)點

4 信息化在深化設計中的應用

Revit軟件統(tǒng)計功能強大，可按各種埋件或鋼筋分類型精確統(tǒng)計，提高深化設計效率，為預制構件生產前的準備工作提供備料依據(jù)等。在預制外墻板完成模型繪制工作后，在出圖（構件建筑圖）階段可根據(jù)實際完成模型中定義族文件的分類對各種原材料及埋件進行自動統(tǒng)計。

預制外墻板各類鋼筋分類別統(tǒng)計在繪制構件配筋圖時匯總完成。Revit軟件不僅可精確統(tǒng)計每種類型鋼筋規(guī)格、長度、重量，還可在出圖時自動識別定義在鋼筋族文件中的鋼筋編號，并在配筋圖中標識（見圖9）。

5 BIM技術在裝配式建筑領域中的應用前景

預制構件深化設計工作在整個工業(yè)化產業(yè)鏈中起著承上啟下的作用，應在設計初期深化設計思路階段介入，避免在構件生產時才發(fā)現(xiàn)設計未考慮施工階段構件之間連接出現(xiàn)問題。現(xiàn)階段從全產業(yè)鏈角度看，BIM技術在深化設計中的應用更好地整合了各專業(yè)、各階段對預制構件提出的要求，并可向前后端延伸，包含前期設計和后期施工、運營。目前，BIM技術在構件深化設計中的應用有效提高了設計工作效率，完善了設計工作整合的準確性，全方位立體式展現(xiàn)出預制構件在實際施工中的節(jié)點安裝方式，并且以Revit軟件直接出圖的工作方式擺脫了二維平面繪圖的弊端，更好地利用軟件功效實現(xiàn)高效快捷的深化設計工作。因此BIM技術在裝配式建筑領域中具有廣闊的應用前景。

圖7 預制PCF板安裝節(jié)點

圖8 預制工字形外墻板施工安裝節(jié)點

圖9 各類鋼筋統(tǒng)計