BIM技術在低層輕鋼夾芯板裝配式房屋的應用

趙浩宇 劉志威

摘 要以某裝配式輕鋼結構項目為例，著重闡述了BIM技術在裝配式構件選型、節點連接設計的應用。模型建立后，通過BIM技術對房屋裝配方案進行施工模擬，得出各構件集的施工順序，繼而進行裝配流程的優化，最終實現輕鋼房屋的精細化設計和施工方案優化，減少設計缺陷、提高建造效率。

關鍵詞輕鋼房屋;BIM技術;優化

在住宅產業化、裝配綠色化的背景下，輕鋼結構以其構件預制程度高、施工周期短、重復利用率高等優勢作為一種新興產業進入房地產市場。但輕鋼住宅體系在我國尚處于初級發展階段，其在應用和推廣還有很多不足[1]。此外，關于輕鋼房屋的技術規范和體系不完善，建筑安全、綠色評價體系不成熟，設計階段中構件尺寸的設計、房屋結構的優化;施工階段中不同類型構件在滿足結構安全性前提條件下搭接方式的篩選、調整等都需要投入大量的精力和時間。最終導致輕鋼住宅的優越性被淹沒，極大地制約了輕鋼房屋的推廣和應用。

利用BIM相關技術，對輕鋼夾芯板預制房屋進行建模設計，結合輕鋼結構合理性分析進而及時調整設計方案以符合規范要求，再利用Navisworks軟件進行建筑施工模擬，快速高效指導建造工程，節省建造時間，提高工程質量和效率，為輕鋼結構房屋的產業化生產提供技術支撐。

1 工程概況

某輕鋼夾芯板裝配式房屋為“吊腳+樓梯”設計，一層為梁柱桿件裝配式輕鋼框架結構，上部采用壓型鋼板混凝土樓面。二層為輕鋼結構主體和通風扇葉組合，外側墻面和屋面采用夾芯板材料。屋頂為坡屋頂，輕鋼結構主體形式為“鋼桁架+支撐”體系，采用全螺栓連接;預制構件形式為預制鋼結構柱、外側預制鋼板樓梯及夾心保溫外墻板和屋面板。

2 輕鋼夾芯板裝配式房屋的技術難點

裝配式輕鋼房屋由于其構件完全預制化，設計階段中所需構件的尺寸都是固定的，設計的同時還需考慮復雜關鍵節點的施工。此外，由于裝配式房屋完全通過螺栓進行連接，施工方案要結合房屋具體的結構形式、選用的材料、設備等多因素進行比選。因此，和傳統建筑相比，本工程在設計和施工階段有如下難點。

（1）節點連接方式設計和構件選型困難。本工程為功能型裝配式別墅項目，功能區多、構件雜，復雜關鍵節點數量多，傳統模式由設計人員通過空間想象力和計算來確定構件的選型和節點的連接方式，工程量大、過程復雜煩瑣，很容易出錯和遺漏施工過程中諸多細節，導致前期設計與后期施工脫節，設計質量和效率低下。

（2）對施工過程的把控和裝配方案的制定難度大。本工程主體結構完全以螺栓的形式進行拼接，與傳統建筑施工相比極易出現交底不清楚問題[2]，導致進度跟不上計劃，計劃又趕不上變化。同時，在現場裝配時，由于每個功能區的差異性和人力、材料資源的限制，施工階段進度計劃的制定和優化變得異常困難。

根據裝配式輕鋼房屋構件具有標準化的特點，利用BIM參數化設計，集成構件信息，建立標準構件庫，方便設計過程中的構件選型和節點設計。同時，通過BIM技術施工方案模擬，綜合考慮各構件的施工順序、施工沖突等因素，找出施工難點，制定最優的施工方案。

3 BIM技術在裝配式構件選型中的應用

3.1 標準構件庫的建立

鋼結構骨架模型建立

3.1.1 鋼結構柱

房屋下部支撐結構為鋼結構柱，鋼結構柱有多種形式—輕型Z型柱、角鋼柱，空心方形柱、矩形柱、圓形柱等。通過Revit自帶“柱”族的載入和參數修改，構建不同類型鋼結構柱的標準構件庫。以矩形柱為例，利用“結構”選項卡—“柱”—“編輯類型”—“載入”—“結構”—“柱”—“混凝土”—“鋼管混凝土柱矩形”完成載入，通過“復制”命令進行名稱的更改，根據圖紙中柱截面尺寸，修改對應“類型屬性”中“深度”和“寬度”參數，最后完成模型建立。如圖1。

3.2 立面鋼骨架

立面鋼骨架為矩形管桁架結構體系，桁架體系內節點構造形式有多種：T、Y形，X形、K形、TK形、TT形、XX形、KK形、KX形等。通過Revit內建模型的方式，構建不同桁架體系。以KT型節點桁架體系為例，在“項目瀏覽器”—“立面”—雙擊進入“東立面”，利用“建筑”—“構件”—“內建模型”—“結構框架”—“命名”—“拾取工作平面”，進入拉伸編輯頁面，按照立面圖圖紙尺寸在對應位置繪制輪廓線，根據平面圖相關尺寸，在左側“屬性”界面確定拉伸起終點，最后完成桁架模型的建立。如圖2。

3.3 屋面鋼骨架

屋架為三角支撐桁架組合體系，桁架內為K型節點連接方式，桁架體系建立方法與立面鋼骨架建立方法相似，利用軟件中構件外形輪廓編輯功能，選中輪廓線后通過拖拽輪廓線的兩端點以及修改對應的尺寸標注，根據屋頂、墻體等外部約束，結合滿足構件受力要求計算，對輕鋼骨架模型構件尺寸、節點連接進行實時修改，最終保證整體的協調性。

4 BIM技術在裝配式房屋施工方案優化中的應用

裝配式輕鋼房屋由于構件數量較多，構件管理工作十分復雜，在裝配過程中各構件施工順序相互交叉，極易出錯。此外，裝配式房屋的施工以吊裝為主要形式，吊裝過程中極易受到周圍建筑物、地形以及其他施工條件的限制，而無法正常按計劃施工。

構件庫中每個構件都有特定的ID編號，再通過構件集對構件進一步分類，最后根據現場情況和施工方案，借助Navisworks軟件模擬施工過程，查找現實施工中可能出現的問題，發現風險源，制定專項解決方案，優化現有的施工進度安排，高效快速地指導施工過程，在保證施工質量的前提下按時完工。

對于每一個施工步驟中要安裝的構件，利用 Navisworks 中提供的選擇樹功能和模型本身，依次選擇并保存為集合，使用Time Liner功能，通過Time Liner 中“任務”的設置，創建新的任務，并按順序附著集合，同時設置每個任務的持續時間，選擇任務類型為“構造”，在“模擬”選項卡，模擬施工過程，分析施工過程的合理性。

在模擬裝配施工過程中發現，由于外墻板裝配較為簡單且輕鋼骨架在對稱立面的裝配有極大的結構相似性，故可對針對這兩個裝配過程進行優化，由原來外墻板依次裝配施工調整為四塊外墻板并行施工，由單個立面輕鋼骨架的依次裝配調整為東西兩立面輕鋼骨架同時裝配、南北兩立面輕鋼骨架同時裝配，縮短了工期，優化了裝配施工方案。如圖3、圖4。

5 結論

現有輕鋼結構房屋技術體系不完善，項目全周期運營中仍會有大量的人力、物力的投入，使輕鋼房屋的優勢未能充分發揮。依托BIM技術，將構件信息集成，構建標準構件庫，擴大對構件選擇，在保證結構安全性前提下，解決設計階段構件尺寸變更、比選難問題;同時運用施工模擬軟件模擬輕鋼房屋的施工裝配過程，將方案不斷優化，最大限度地降低施工成本;最終使輕鋼房屋達到綠色、經濟、安全的標準。

參考文獻

[1]胡向磊.中國經濟發達地區的住宅產業化探索—基于輕鋼輕板住宅體系適用技術初步研究[D].同濟大學，2004.

[2]黃飛亞.基于住宅產業化的建筑信息模型（BIM）在輕鋼住宅體系中的應用研究[D].華南理工大學，2018.