基于BIM技術的裝配式建筑可視化正向設計與施工

朱振鈞 戰美秋 崔新杰 許偉業 彭基娜

【摘? 要】裝配式建筑是一種節能、環保、高效的建造方式。目前國內裝配式建普遍存在現場施工管理水平不高、施工安裝效率不強、各專業協調性不夠等弊端。應用BIM技術進行裝配式建筑的設計與施工管理，可充分發揮BIM與裝配式建筑建造各自優勢，更好的促進我國裝配式建筑的快速發展，推動我國住宅產業化發展戰略的有效實施。

【關鍵詞】裝配式建筑;正向設計;BIM

引言

裝配式建筑建造與汽車生產制造過程有著相似之處，裝配式建筑建造過程是將房屋建筑構造組成拆分成墻體、梁、板、柱等PC構件及其部品，在工廠流水線預制好之后運輸到施工現場組裝成建筑整體，有著施工現場作業量少、工期短、施工機械化程度高等特點，是我國建筑業生產模式的轉型。

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）以工程項目中不同類型的信息數據作為模型的基礎，具有可視性、模擬性、優化性、可出圖性和協調性五大技術特點，其在裝配式建筑的建設工程的應用可顯著提高設計效率、提升建筑施工質量，對推進裝配式建筑的創新發展有著重大意義。

1.現階段裝配式建筑設計與施工的主要問題

1.1設計流程復雜

當前仍有大量建筑設計采用先整體設計再拆分的逆向設計傳統流程，設計效率低下，且難以達到施工設計一體化銜接，發揮不了裝配式建筑優勢特點。

1.2節點設計復雜、工藝操作難度大

節點設計不僅直接影響建筑結構整體的可靠性， 也直接影響建筑工程造價、工程進度及其整個工程的質量與后期使用，現階段我國裝配建筑體系設計處于初級階段，連接節點設計較復雜，構件校正、對接、固定等施工工序操作工效偏低。

1.3預制構件裝配率偏低、成本控制不力

預制構件的標準化程度、裝配率、預制率等對工程造價成本都有著重要的影響，構件的不合理拆分會使構件種類雜亂、規格種類增多，使得生產標準化達標受影響、建筑構件的組合不夠且重復利用率低，由于多種規格的預制構件模具需要高成本投入，因而顯著地增加了造價成本，使得資金投入過大造成一定浪費。

1.4預制構件施工質量受制約

裝配施工節點處理及配套部品節點處理重視普遍不夠，例如窗口沒有預先留置安裝口;預制剪力墻與隔墻之間的拼裝豎直平面存在高低差與縫隙;極大地增加了處理難度，接縫處理不當會引發后期返潮長毛等問題，很大程度地影響了住宅居住品質及施工企業的商譽。

2.BIM裝配一體化正向設計的必要性

2.1 BIM裝配一體化正向設計模式

BIM裝配一體化正向設計有“先建模，后出圖”，三維可視化全方位、全過程應用等優勢，主要以信息載體在同一平臺上實現結構體系安全分析，裝配式建筑模塊集成，配套完整的機電設施，施工過程一體化的協同設計模式，同時建立標準化的各模塊，使得各專業接口融合，避免在設計過程中由于信息不對稱產生的設計錯誤和設計返工。

2.2正向設計與配套裝配式建筑體系相契合

當下市場缺乏成套具有自主知識產權的裝配式設計體系，且國內從設計、生產、運輸、到施工全套體系的運用極少，而正向設計理念與裝配式建筑特點相契合，正是BIM裝配一體化正向設計與施工的迫切需求。采用正向設計服務于成套的裝配式建筑體系，把先進的裝配式技術實現出來，對突破裝配式建筑發展瓶頸，發揮裝配式建筑高效建造的優勢，驅動創新發展具有重要的含義。

3.BIM在裝配式建筑工程設計階段中的應用

從設計源頭開始，利用BIM的可視化特點進行裝配式可視化設計，為裝配式建筑全過程、全專業、全產業鏈、全方位的信息化高效、高質量建造奠定基礎。

3.1裝配式體系的拆分

運用ABAQUS對裝配式建筑在水平往復荷載作用下的受力性能進行有限元數值計算分析，在Ansys軟件中利用Revit模型信息從結構角度分析裝配體系拆分原則，結合實驗結果分析結構連接節點參數、配筋率、墻體配筋率對整個建筑體系的抗震性能影響。

3.2構建裝配式體系配套族庫

BIM Structure建模與Tekla Structure結合進行族庫模型建立，可先使用Revit軟件中5級分類構建裝配式結構體系構件、裝配細部節點及配套部品族庫，再利用Tekla Structure軟件對每個參數化節點配筋，將各個構件參數化，最終匯集形成標準化構件庫。設計師可以直接調用已有族庫建模，既可減少重復建模率，又能提高建模準確率。

3.3裝配式建筑構件設計

在裝配式建筑構件生產階段，BIM可視化設計起著重要的作用，傳統的裝配式建筑PC構件生產情況如下：預制構件廠通過設計院提供的各類PC構件的二維圖紙，進行人工“讀取”二維圖紙上的建筑信息并進行構件的生產，BIM可視化正向設計直接調取族庫進行設計，并可把裝配式建筑信息（材料、鋼筋水泥參數、尺寸型號）參數化編碼，預制構件廠的生產設備系統直接讀取構件的編碼信息，免除人工“讀取”二維圖紙過程，有效避免人工誤差。

4.BIM在裝配式建筑工程施工階段中的應用

4D施工虛擬仿真可對裝配式建筑體系的節點形式進行細致的表達，預先發現建筑施工方案可能存在的問題，進行施工方案間隙碰撞、時間碰撞等碰撞優化，降低返工、工程事故等的發生概率，同時通過復雜細部節點施工模擬仿真（可視化技術交底）幫助裝配施工工人準確的掌握裝配節點連接施工工序，提高裝配質效和安全性，降低施工風險。

基于BIM技術的施工全過程協同管理的特點，可通過電子信息表收集PC構件信息，同時依據施工進度計劃靈活調配現場資源，確保特定施工區域的PC構件數量滿足施工的要求，有效避免預制構件廠PC構件堆積過量或施工現場材料短缺的問題，減少構件管理與堆放時間與成本。此外，基于RFID識別技術通過移動設備，如手機、平板電腦等登陸云端平臺進行異地指導施工，也可對構件的完成質量指示、參數屬性等信息進行實時查看，實現動態檢測裝配施工與質量。

5.結語

發展裝配式建筑是我國建設行業轉型升級的必然之路，BIM技術與裝配式建筑建造的結合是促進裝配式建筑高效建造的有效手段，BIM技術在裝配式建筑中的應用可從設計源頭開始全方位的提升裝配式建筑建筑質量與效率，對促進我國裝配式建筑的快速發展有著重要意義。

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基金項目：2019年度吉林省大學生創新創業項目《裝配式混凝土剪力墻結構可視化正向設計與施工》（項目編號：202010191074）。