BIM技術在裝配式建筑設計中的應用

文/中國建筑設計研究院有限公司 張 玲 潘 悅

0 引言

2020年7月，住建部發布《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，進一步推動裝配式建筑的發展。傳統二維平面設計方法中各專業相對獨立，在設計過程中進行階段性綜合，此種方式雖可滿足裝配式建筑的基本需求，但設計效率和質量難以提高，裝配式項目中工廠生產和現場裝配的時差及質量偏差導致返工成本很高。基于BIM技術構建的一組協同BIM模型被各專業共同使用，可完整描述工程設計對象，真實反映建筑產品信息，輔助各專業改進和優化設計，提高設計質量。另一方面，BIM技術可作為溝通協同的工作方式，為建筑產品提供多方共同溝通的載體，確保信息的一致性，是一種新型協作設計模式，可減少浪費。

1 BIM技術與裝配式建筑

BIM技術是以建筑工程項目的各項相關信息為基礎，集成建筑所有的幾何信息、功能和結構信息，建立三維建筑模型，通過數字信息模擬建筑物所有的真實信息。BIM技術的應用使所有相關方從規劃方案設計、施工圖設計、部品部件生產加工到現場裝配過程，甚至運維過程的全生命期均可進行可視化管理與協作，相較傳統二維圖紙的抽象化表達與信息傳遞具有明顯優勢，在裝配式建筑設計中應用BIM技術，可打通設計各專業、生產、現場裝配等各階段的信息壁壘，最大限度發揮BIM技術優勢，解決裝配式項目的技術和管理難點，最終將建筑工程打造為具有工業級品質的產品。

2 BIM技術在裝配式項目中的應用分析

2.1 項目概況

本項目為朝陽區垡頭地區焦化廠公租房，總建筑面積54.8萬m2，其中地上29.4萬m2，地下25.4萬m2，包含住宅、商業、車庫及配套公共服務設施等功能。項目單體預制率47.80%，裝配率最高達91%，評價為AAA級裝配式建筑，建成高度為78m，是目前國內最高的超低能耗建筑。該項目從方案設計、擴初設計到施工圖設計全部采用BIM技術，如圖1所示，參與BIM設計人員60余人，目前項目已交付。本文只選取部分應用內容闡述BIM技術在裝配式項目中的應用特點和價值。

圖1 各階段BIM模型

2.2 方案設計階段

本項目方案設計階段主要綜合方案經濟性、可行性及部分規劃指標的要求進行方案選型，如在立面設計上采用工業化設計邏輯，運用標準化、模塊化、系列化設計，利用預制外墻板展現預制模板肌理變化，通過不同元素組合，在整體和諧的基礎上實現個體差異化；通過BIM模擬分析，在一類高層建筑的超低能耗應用上進行抗風壓、氣密性等研究；基于標準化設計原則，采用套型標準化、廚衛模塊化及內裝部品裝配化設計，通過標準化套型設計構成多樣化的套型產品系列，使套型功能空間集約合理；利用BIM信息制作虛擬樣板間（見圖2），通過VR技術，在客戶身臨其境體驗的同時，可實時更改裝修方案，便于與政府主管部門及業主代表溝通，提高方案質量和客戶滿意度；考慮施工運輸路線、吊裝等因素，調整樓棟定位，既降低施工難度，又滿足建筑全生命周期要求。

圖2 VR虛擬樣板間

2.3 擴初設計階段

為確保項目本身對裝配率的要求，在擴初設計階段就與相關專家、構件廠家進行交流，最大限度識別可預制構件及工廠加工可行性。下沉廣場設計時采用BIM模型進行溝通和協調，在結構主體上設置綜合管廊解決管線外露的問題，同時為內外管線綜合提供有力支持。其中2棟樓創新采用地道風系統，利用BIM模型直觀推敲該系統的可實施性及優化方案，如圖3所示。充分考慮構件加工和現場裝配的可行性，采用新風熱回收機組+戶式冷熱源一體機解決小套型新風，利用BIM模型優化后將每層1臺全熱交換機組設置在前室的公共室外設備平臺，每戶在入戶玄關吊頂內設置新風冷熱源一體機，風機高度350mm。外墻洞口的防水防火保溫設計和施工質量是裝配式項目的一大難點，連接位置處理不好可能會出現滲水、冷橋等無法補救的質量事故。在本項目外墻窗洞節點方案選擇時，通過BIM模型進行溝通，對原有方案進行多次優化，最終確定可滿足立面方案設計效果、加工精度及保證現場裝配質量的節點方案，并在節點模型中標注詳細的細部尺寸、關鍵控制點等信息，為后續工廠制作、現場裝配提供準確信息，確保最后的施工質量，如圖4所示。

圖3 地道風系統

圖4 外墻細部節點設計

2.4 施工圖設計階段

施工圖設計階段主要是在擴初方案的基礎上進一步明確細部做法。與廠家多次溝通后，外墻體采用高效預制夾心外墻板技術，并創新運用20mm厚VIP真空板+120mm厚硬泡聚氨酯復合保溫技術，如圖5所示。預制夾心外墻采用工廠加工，預留埋件，現場安裝被動窗。公租房全部采用裝配式裝修，實現干法施工，機電系統采用管線分離技術，體現工業化的技術特征，如圖6所示。

圖5 裝配式結構外墻外保溫構造

圖6 管線分離

3 BIM技術應用效果

裝配式項目目前處于提升與發展期，由于勞動力成本不斷攀升，預制構件加工精度與質量、施工技術和管理水平不斷提高，隨著一系列政策的出臺，裝配式項目在新建項目中的占比會不斷提高。裝配式建筑可提升建造效率和工程質量，降低建造成本，同時提升綠色節能效果，其推廣和普及在一定程度上可拉動建筑產業的轉型升級，在此期間總結應用經驗對加速產業發展至關重要。現階段裝配式相關技術、產業鏈及政策法規仍有很大提升空間，裝配式項目的優勢尚未完全發揮，隨著各項條件的不斷完善和成熟，裝配式項目的優勢將更加凸顯。以下是基于該項目總結BIM技術在裝配式建筑中的應用效果，該成果在當前環境下具備一定普遍性。

1）基于BIM的多專業協同設計對設計質量的提升效果明顯，但設計效率和成本優勢并不明顯。通過BIM協同平臺將各專業數據信息共享和深度集成，各專業設計互為約束、互為條件，強化專業協同，BIM軟件的部分自動約束功能在一定程度上可降低對人員專業能力的要求，減少“錯、漏、碰、缺”導致的設計變更，從而提升設計質量；另一方面，受設計人員BIM技能、平臺本身存在的技術問題等因素影響，設計人員的傳統設計習慣改變仍需一定過程，同時，現階段在政策標準層面對二維圖紙尚有強制要求，這些因素均對設計效率和設計成本產生較大影響。

2）基于BIM技術的設計、生產全過程協同對確保最終建筑產品的質量、降低建造成本、確保工期效果明顯。裝配式建筑是高度集成的工業化產品，現階段部品部件的供應和生產標準化程度仍在完善過程中，如何確保設計成果的可實施性，最大程度提高其經濟性，需要設計單位、構件加工企業及施工企業充分協作和溝通，消除信息溝通盲點，避免出現建筑質量下降、成本增加、工期延長等問題，真正體現建筑工業化的優勢。

4 BIM技術應用影響因素

BIM技術在裝配式建筑設計中的深入應用無疑會有效促進裝配式建筑各專業、各環節、各參與方的協同工作，提高設計質量，保證交付產品質量。目前，BIM技術應用深度和廣度不斷提升，與此同時也發現一些影響BIM技術推廣的問題。

1）人員 對人員的要求包括相關技術技能和意識、習慣兩方面的要求。設計階段的BIM人員包括基于BIM技術的復合型專業設計人員，這類人員可通過技能培訓和學習培養；基于BIM技術的協作管理模式與傳統協作溝通方式差別較大，習慣和意識的轉變對BIM技術的應用至關重要，需要行業人員以開放的心態在客觀理解其價值的基礎上逐漸轉變。

2）技術 專業的BIM集成和協同平臺需完善，協同平臺專業度仍需提升，缺乏統一開放的數據接口，造成協作效率降低和應用復雜，如基于BIM的標準化預制構件部品庫尚不完善，相當一部分技術、設計、施工、生產及運維的各方管理協同銜接不佳，既影響效率，又不利于信息集中傳遞。因此需要相關軟件企業完善接口標準，研發符合國內市場環境和發展階段的相關軟件、平臺和應用系統。

3）標準 由于行業缺乏統一標準和規范，特別是針對裝配式項目BIM相應的技術標準，各專業間缺少統一的行業技術和數據標準，導致不同專業BIM模型集成出現信息丟失、無法集成等問題；設計和生產廠家之間數據無法準確對接、流轉。對此，還需政府和行業主管部門加大政策引導力度，通過行業標桿完善相關標準。

5 結語

工業化生產建造模式及一體化建造技術在裝配式建筑中的深度應用更有利于發揮BIM技術信息共享和集成優勢，提高設計質量和設計效率，為設計方帶來效益。同時，我們也應該客觀看待現階段存在的問題，積極面對，未來BIM技術的應用將會促進裝配式建筑快速發展。