基于BIM的裝配式建筑協同設計方法

(南京林業大學 土木工程學院，南京 210037)

引言

裝配式建筑因其效率高、對環境影響小，是我國建筑業轉型升級的最佳選擇。裝配式建筑不僅是一種建筑形式，更是一個復雜的系統工程，需要用系統工程的方法和思想去解決實際問題[1]。就裝配式建筑設計而言，裝配式建筑設計不僅增加了構件拆分、深化設計等內容，從設計理念、流程、方法等也應有相應的改變。BIM技術的推廣和日漸成熟，為裝配式建筑協同設計的實現提供了新的方法和平臺。目前，BIM在裝配式建筑中的應用大都停留在施工和生產階段[2]，在設計階段的研究多局限于對結構設計[3-4]、構件連接[5-6]、構件拆分和深化設計[7-11]等某一方面的研究，對裝配式建筑的設計流程、設計內容，以及標準化、參數化設計缺乏系統性和完整性。本文基于建筑協同設計理論方法，建立了基于BIM的裝配式建筑PCP協同設計概念模型，確定了裝配式建筑設計的內容和流程，基于標準化、參數化設計要求，研究了預制構件拆分、設計優化的具體方法。

1 BIM協同設計

1.1 協同設計概念

所謂協同工作，是指基于計算機支持的網絡環境，團隊通過信息共享、轉換和相互協作機制，有效地完成工作任務。建筑協同設計是協同工作在設計領域的分支，通過構建基于網絡的協同設計環境，利用統一專業標準和協同設計軟件，實現設計數據實時共享，以進一步提高設計效率[12]。建筑工程領域中，協同設計一般分為二維協同設計和三維協同設計。二維協同設計是以CAD軟件的外部參照為基礎的直線式、文件級協同，是基于二維圖紙的定期更新的階段性協同方式； BIM三維協同設計是一種新的設計范式，是在同一環境下，各專業人員基于三維模型進行的平行設計，通過信息共享、溝通協作完成同一項目設計工作的協同模式。BIM協同設計不再是設計外的加載技術，而是設計過程本身的一部分。BIM協同設計較二維協同設計其設計內容更加豐富、效率更高，更具有優勢[13]。

1.2 BIM協同設計與傳統設計對比

傳統設計方法在項目設計中是階段性、單向的，缺乏交流，設計過程快速簡單，在過程組織、任務快速分配上有一定的優勢，但項目各參與方之間缺乏交流，無法進行方案的最優化配置[14]。同時，由于各專業設計工具不盡相同，信息缺乏統一性，導致各專業間的信息數據無法完全共享。BIM協同設計方法強調“設計迭代”，即建筑設計從初期的概念設計到最終的施工圖設計不斷迭代，在設計前期將所有關于設計問題的各方思想統籌考慮，建筑師不再是唯一決策者[15]。BIM 協同設計是基于同一個三維模型的“閉環”，各專業可以通過網絡服務器實現同步設計，信息可在上下游專業之間無縫傳遞共享，縮短了專業之間協調時間[16]。兩種設計方法的主要區別見表1。

表1 兩種設計方法的區別

區別傳統設計BIM協同設計設計理念以規劃和功能為重點,提供滿足使用要求的設計方案,外立面以造型的美觀作為判斷標準在滿足規劃和功能的前提下,將功能及平面模塊化,用模塊化的設計方式組織平面,在滿足工藝需求和造型美觀之間找到平衡點設計內容各專業設計內容符合相關規范要求除現澆設計內容外,需對構件節點、連接做法等細節進行深化設計,且將各專業設計內容整合在一起設計流程立項→設計→施工→使用立項→策劃→設計→生產→施工→裝修→使用→更新多專業協同方案設計以建筑布局、功能、形體為主,初步設計階段各專業介入,施工圖設計階段各專業密切配合后各自深化并出圖結構專業介入方案設計,確定結構體系和拆分平面后,建筑專業完善平面和立面; 初步設計階段各專業密切配合,在同一個模型中完善圖紙; 施工圖階段各專業在同一平臺上深化設計工作,出構件拆分大樣圖協同工具CAD、相關插件Revit+CAD+協同平臺圖紙表達二維表達二維+三維表達工地驗收施工現場驗收對構件廠和施工現場均進行驗收

2 基于BIM的裝配式建筑協同設計實現

BIM協同設計從協同的內容角度可以分為三個層面，即全過程協同、專業協同和構件協同。全過程包括方案設計到深化設計的四個設計階段，并考慮施工階段主要施工工藝； 專業協同是指建筑師、結構師、暖通水電、構件加工、施工安裝等不同專業工種的協同； 構件協同即指三維模型的設計精度和模型交付所需要的信息。以上三者的信息交互協同是基于BIM三維模型實現的，其中全過程協同是原則，專業協同是實現手段，構件協同是基礎。

2.1 PCP概念模型

基于BIM的協同設計PCP(Professional-Component-Process)模型系統表述了裝配式建筑構件設計、專業協同、構件生產等關鍵環節之間的關系，如圖1所示。圖中打“√”者為協同設計設計選項。

圖1 PCP集成設計概念三維模型

(1)構件設計與專業協同結合。構件設計即應用BIM建模軟件完成的包含圖形信息和非圖形信息的三維模型。預制構件(Component)設計應與專業(Professional)相關聯，根據不同專業分工要求，利用網絡平臺不斷補充完善模型信息。一般來說建筑師首先提出設計方案，其后結構、水暖電工程師、構件制造生產商等先后介入，這種次序是傳統設計的流程，但含有豐富信息的三維模型和高效的網絡協同平臺可以實現信息的及時共享，并且通過設定權限的方法對實現對三維模型的瀏覽、編輯下載、下載上傳，可以極大提高設計效率。

(2)構建設計與生產過程結合。預制構件(Component)設計應與實際生產過程(Process)相結合，因不同設計階段內容和深度各不相同，構件包含的信息各有差異，但具有迭代性，模型信息的精度和細度根據IDM信息交付標準規范來確定，以滿足使用要求為目標，盡量使模型輕量化，避免信息繁冗。

(3)專業設計與生產過程結合。不同生產階段對應不同的專業工作，但生產過程和專業工作的成果并非是線性的傳遞過程，可以利用BIM虛擬仿真工具，對后續工作進行模擬分析，在BIM模型中實現過程集成和專業集成，以提高設計質量和效率。如裝配式建筑方案設計階段，結構專業應提前介入，結構專業根據建筑專業確定的建筑布置形式初步確定結構形式，并做出結構方案，進行構件初步拆分和預拼裝模擬。

PCP概念模型從概念上解釋了裝配式建筑協同設計的內涵和內容。在實際應用時應從以下幾方面入手：其一，過程中應在原有設計流程中增加深化設計、生產加工和施工安裝環節。尤其是預制生產階段應與充分考慮項目總體設計和施工安裝； 其二，各專業協同設計工作應嚴格依照《建筑信息模型設計交付標準》(GB/T 51301-2018)，除滿足模型精細度和粒度要求之外，尤其要注意對象和參數及文件的命名規則； 其三，建立裝配式建筑的標準構件庫。裝配式建筑的特點是模塊化、標準化、參數化，豐富的構件庫可以極大提高設計效率。

表2 不同專業的模型精細度

LOD100LOD200LOD300LOD400LOD500建筑專業模型精度略略建筑外觀細節:扶手、樓梯; 內墻、隔墻、管道井; 家具、衛浴裝置建筑外觀細化; 預孔洞預留內部二次裝修、細節深化; 隱蔽工程典型用途概念設計方案設計初步設計、碰撞檢測施工圖設計、現場模擬施工和竣工模型結構專業模型精度主要預制構件:疊合梁、外墻板、柱、疊合板等次要構件:樓梯、洞口、空調板等節點鋼筋模型,所有未提及的結構設計、安裝加工模型施工支護、圍護結構、臨時支撐、預埋件典型用途結構概念結構布置方案結構初步設計、碰撞檢測深化設計、詳細碰撞檢測、結構展示施工模擬、施工碰撞檢測機電專業模型精度—主干管線、橋架分支管路、機房設備、線管、配電箱、控制柜毛細管路、管路末端設備、閥門、衛浴裝置、燈具開關面板、支架、特殊三通/四通加工模型典型用途—方案設計初步設計、碰撞檢查、預留孔洞施工圖設計、碰撞檢查施工管理、細部表現

表3 預制構件拆分原則

2.2 BIM模型交付標準

協同設計的關鍵工作是各確定模型設計深度和精度。按《建筑信息模型設計交付標準》(GB/T 51301- 2018)裝配式建筑預制構件各專業BIM模型精細度如表2所示。裝配式建筑主設計主要分為4個階段：

(1)方案設計。結構工程師介入，模型精細度為LOD200。根據建筑布局初步確定結構形式，進行構件拆分、預拼裝模擬，配合業主和建筑設計師進行方案可行性評估；

(2)初步設計。暖通設備工程師介入，模型精細度為LOD300，完成構件的土建、鋼筋、設備、管線布設等信息；

(3)施工圖及深化設計。對節點連接等內容進行深化及補充建模，達到LOD400的要求，進行碰撞檢查、施工模擬、施工圖設計優化；

(4)施工階段。模型精細度為LOD500，要求模型中包含以實際施工工藝為主的時間、成本、采購、加工及運輸等工程管理內容。

2.3 構件參數化設計

裝配式建筑設計需要采用工業化建造的思維，要求標準化、參數化、精細化，以滿足工業化批量生產的要求[17]。構件拆分、構件深化設計是裝配式建筑結構設計特有的內容。BIM協同設計為實現裝配式建筑的參數化設計提供了技術支撐，Autodesk公司提供的基于Revit建模工具的Dynamo和Structural Precast for Revit插件，可用于構件拆分和結構分析計算。

(1)構件拆分

首先根據各構件拆分原則進行拆分，拆分原則如表3所示。

(2)構件結構分析

1)設置鋼筋

構件進行拆分后，需要對拆分后的構件按設計規范配置鋼筋。以疊合梁鋼筋配置為例，基本過程如圖2所示：從結構模型中拾取已有的現澆構件鋼筋的相應尺寸、類型、直徑、鋼筋宿主ID等，在Dynamo中根據規定進行重編輯，通過中心線生成拆分后的構件的鋼筋，然后再給予位置、彎鉤、直徑等信息。

圖2 配筋流程圖

圖3 鋼筋的創建

Dynamo運行步驟： ①輸入鋼筋的相關參數，確定鋼筋距離，調取Rebar.FollowingSurface節點創建鋼筋曲線； ②利用Rebar.GetProperties確定梁的ID、鋼筋的類型、直徑及種類、起點和終點彎鉤方向和角度； ③調取Rebar．GetCenterlineCurve節點得到梁的縱筋線段(縱筋中心線即疊合梁中心線方向)； ④調用Curve.PlaneAtSegmentLength取得直線處垂直平面，該垂直平面首尾確定為后澆段的首尾； ⑤調用Geomentry.Intersect節點取得縱筋與垂直平面間的交點； ⑥根據已拆分的疊合ID、梁中線方向以及已獲取的鋼筋直徑、彎鉤和類別等信息，調用Rebar.ByCurve節點，繪制疊合梁縱筋[18]。Dynamo程序圖如圖3所示，創建完成的鋼筋如圖4所示。

圖4 鋼筋示意圖

2)結構分析

圖5 結構分析流程

圖6 基于Dynamo結構分析程序圖

結構分析利用Revit和Dynamo結構分析包(The Structural Analysis for Dynamo package)進行參數建模和結構分析，對Dynamo分析結果與設計標準比對。Dynamo參數化建模的優勢在于結構荷載值與幾何尺寸的變化是同步的，可實時優化設計方案。設計過程中需對單位面積重量、豎向位移、穩定性、內力調整等指標進行與標準的比較。

Dynamo主要操作流程如圖5所示：Revit完成結構及建模后，在The Structural Analysis for Dynamo package結構分析包中調取Ananlysis.Calculate節點，對選中構件進行有限元結構分析； 調取節點analyticalBars、analyticalNodes、analyticalPanels分別對構件點、線、面分析，具體如圖6所示。分析結果主要包含單位重量、構件位移、內力和反力，并將分析結果與與裝配式建筑剪力墻結構整體設計控制指標比較，若有不符合標準要求的，重新調整結構模型并運行Dynamo，直至符合規范要求。

3 應用實例

3.1 項目概況

該項目為南京市保障性住房，位于江蘇省南京市秦淮區，周圍交通便捷。項目距離最近的裝配式構件廠50km，屬合理運輸范圍。項目綜合技術經濟指標見表4。圖7、8為本項目的BIM三維模型和標準層平面圖。

表4 綜合技術經濟指標

項目單位數值總建筑面積m21 583.85設計使用年限年50層高m8.7耐火等級二級屋面防水等級二級抗震設計七度目標裝配率不低于65%目標裝配式建筑等級A級及以上

圖7 BIM三維圖

圖8 標準層平面圖

3.2 建筑設計

1)戶型設計

本項目共兩種戶型，面積在70～100m2。住宅空間需求傾向于經濟、舒適、便利。套型平面圖如圖9、11所示，相對應三維圖如圖10、12所示。

圖9 套型①平面圖(74m2)

圖10 套型②平面圖(93m2)

圖11 套型①BIM三維效果

圖12 套型②BIM三維效果

2)裝配式設計要求

本項目為裝配式剪力墻結構，梁、預應力疊合板、女兒墻、樓梯、外墻板為預制，結構柱、非預應力樓板和部分板為現澆。采用集成式廚衛，圍護墻與保溫、隔熱、裝飾一體化，內隔墻與管線裝修一體化，結果見表5。

3.3 結構設計

1)構件拆分

根據《裝配式混凝土結構住宅建筑設計示例(剪力墻結構)15J939-1，以板構件拆分為例，拆分過程為：首先對模型中的預制構件做預拆分處理，在拆分時需要對拆分參數進行控制。如，在4.1節所述樓板跨度應小于6m，樓板重量限制在6 000kg以內，且以大板和單向板優先。拆分后的部分板如圖13所示。本項目中，疊合板的種類根據計算規則為單向疊合板，共計2種。本項目核心筒區域及部分衛生間區域為現澆，在扣除該區域后，標準層疊合梁共計6個，其中框架梁4個，次梁1個，連梁1個。預制外墻為非承重混凝土墻9個，拆分結果見表6。

表7 結構整體控制指標結果

節點位移構件位移內力反力符號數值節點符號數值桿件符號數值桿件符號數值支撐Uxmin-0.01cm3Uxmin0.00cm7Nmin-19.48 kN1Rxmax2.25 kN34Uxmax0.00 cm9Uxmax0.00cm1Nmax9.74 kN1Rxmin0.00 kN1Uzmin0.00 cm7Uzmin-0.01cm12Qmin-8.83 kN13Rzmax123.31 kN46Uzmax0.00 cm1Uzmax0.01 cm3Qmax8.80 kN13Rzmin0.00 kN1Ufimin0.00°1撓度min-0.01cm12Mmin-9.40kN?m13Rmmax0.00kN?m1Ufimax0.00°9撓度max0.00 cm9Mmax4.48kN?m12Rmmin0.00kN?m1

表5 構件類型

類型結構柱梁樓板女兒墻樓梯墻板現澆√√√預制√√√√√

表6 拆分構件類別

類型類別共計預制墻板預制外墻(9)9個疊合梁框架梁(4)次梁(1)連梁(1)6個疊合樓板單向疊合板(2)2個

圖13 部分板的拆分結果

圖14 一榀框架示意圖

2)配筋及結構分析

將拆分后的構件進行配筋并進行結構分析。以柱梁組合為例，根據規范15J939-1及圖8所示Dynamo的計算程序進行配筋設計，進行結果如圖14所示； 并利用圖6所示的計算程序計算可得節點位移、構件位移、內力、反力如表7所示。經比較，設計結果符合設計規范。

4 結論

裝配式建筑是建筑業轉型的方向，BIM技術是促進裝配式建筑實施的有效平臺和方法，基于BIM的參數化集成設計方法有助于裝配式建筑設計模塊化、標準化、通用化，參數化設計可以極大提高設計效率，有助于設計方案的優化比選。本文采用的基于Dynamo的構件參數化設計方法，仍屬于弱參數化應用，如何在BIM平臺下以PCP概念模型為切入點，建立不同結構形式的裝配式建筑參數化設計平臺是未來研究的重點。