對于裝配式結構設計方法的研究

陳望舒

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

1 傳統裝配式結構設計方法的研究

1.1 傳統裝配式結構設計方法

傳統裝配式結構的設計以二維的CAD圖紙作為交付的成果，只是在傳統現澆結構設計流程之后又添加了裝配式構件的深化設計這一步驟。具體設計階段可分為5個步驟：①配合建筑方案進行結構體系選型。②結構試算，確定結構方案。③進行初步設計，進行結構整體分析并確定基本構件截面以及拆分方案。④進行施工圖設計，完善構件配筋及大樣。⑤根據施工圖，進行裝配式構件的深化設計。

由上述流程可以得知，在傳統裝配式結構設計中，前面四個過程與傳統現澆設計模式基本無異，那么重點就在于最后一步的裝配式構件深化設計。目前在實際工程設計的過程中，前面四個過程還是由傳統設計團隊完成，深化設計是交由另外的深化設計團隊完成。當前構件深化設計在實際操作中主要有以下兩種方法。

(1)采用基于CAD的二維方法。深化團隊拿到設計好的施工圖后，先在二維平面圖上整合出設備各個專業需要的管線洞口及零件的預留，然后人工進行預制疊合板或疊合梁的拆分及深化圖的繪制，然后利用CAD插件進行鋼筋及零件的統計。此方式主要用于裝配式建筑剛剛誕生的初期，目前已經基本淘汰，只適用于預制率較低的結構。

(2)采用基于BIM平臺的深化設計方法。目前絕大部分深化設計團隊采用的是這種形式。深化團隊先將結構設計的計算模型(如YJK模型，PKPM模型)，通過接口轉換為BIM平臺的模型。然后在這些平臺上按照施工圖對三維模型進修改，人工輸入配筋信息，再進行可視化三維設計及拆分，然后將拆分完的構件及鋼筋方案通過軟件內置的程序批量導出二維的構件深化圖，由于BIM平臺本地化還不充分的原因，導出的二維構件深化圖還需要經過人工校核及調整才能正式交由工廠生產。

傳統裝配式結構設計方法的流程如圖1所示。

圖1 傳統裝配式結構設計方法

1.2 傳統裝配式設計方法存在的問題

(1)基于CAD二維的深化方法，由于各專業間采用傳統平面圖紙配合，此種設計方法配合溝通效率低，容易產生錯漏碰缺的問題。同時，結構深化人員的工作量很大，一棟高層住宅即使只深化疊合板也有上百張圖紙，采用人工畫圖形式工作效率很低，一旦改圖，改圖量也很大。這是一種低效且容易出錯的深化方式。

(2)基于傳統BIM平臺的方法，此種設計方法作為第一種方法的改進。工作方法是在BIM平臺中基于已經出圖的二維圖紙進行三維翻模，接著設計人員在程序內對翻好的模型進行深化設計，最后讓程序自動批量輸出深化圖紙。自動生成的圖紙能夠避免原來人工深化造成的一些錯漏碰缺。雖然自動生成的圖紙仍然需要人工修改后才能交付預制廠使用，但是此種方法已經一定程度上減少了深化設計師的工作量。雖然采用了BIM平臺，但是此種方法并沒有實現真正的建筑模型信息化，結構的拆分深化模型與建筑模型及結構計算模型無關，僅僅作為深化的模板使用。這就導致如果遇到拆分方案修改需要反提給結構設計人員先進行結構計算模型的修改，然后再將修改后的計算模型及圖紙提供給深化設計人員進行深化圖的修改。此種方法雖然出圖效率提高，但是建模及配合效率仍然偏低。

通過分析兩種傳統裝配式設計方法，可以發現目前國內采用的裝配式設計方法主要是兩階段設計，第一階段為施工圖設計，第二階段為深化設計。這種設計方法往往會出現深化設計無法繼承原施工圖設計理念的問題，同時無論是手工繪制還是翻模出圖都存在效率低下、設計準確性差的問題。

針對以上裝配式結構設計問題，急需有一種新的方法來完善裝配式混凝土結構設計。提高裝配式結構的設計效率和設計精度。

2 基于BIM的一體化裝配式結構設計方法研究

2.1 BIM技術的特點

BIM(Building Information Modeling)技術是通過將建筑的數據及信息整合入一個建筑信息模型中，利用這個模型在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對的工具[1]。我國建筑信息模型應用統一標準對BIM的定義是：在建設工程及設施全生命周期內，對其物理和功能特性進行數字化表達，并依此設計、施工、運營的過程和結果的總稱。

BIM技術具有以下幾個特點：

(1)三維可視化

對于傳統建筑行業來說，工程設計成果往往以平面圖紙為主。不同專業工程人員根據自己專業技術知識來識別工程項目的構件和做法。各個構件的信息在圖紙上采用線條繪制表達。而BIM提供了可視化的思路，通過直接創建三維模型，將二維的線條以三維的立體實物圖形展示在人們面前。可以做到設計可視化、施工可視化、機電管線碰撞檢查可視化。

(2)信息聯動性

在傳統的二維設計狀態下，設計者需要分別繪制建筑平面圖、立面圖、剖面圖等各類視圖，且各類視圖間缺乏聯動，發現問題后需要逐個修改，整體效率低下。BIM技術則是通過直接創建三維模型，利用BIM技術的信息聯動性，在模型中作出的任何修改均能同步更新到各類視圖當中，即一處修改，處處更新，有效降低出錯率，提升設計質量和效率。

(3)一體化

一體化指的是BIM技術可進行從設計到施工再到運營貫穿了工程項目的全生命周期的一體化管理。一體化基于建筑各階段的用戶都可以在同一個平臺，同一個模型上對項目進行瀏覽或管理，大大減少了溝通成本，提高了信息共享的能力與準確性。

(4)參數化

參數化設計的特點即只要通過特征參數的修改便可以針對某一類形體或構件進行修改，可以有效提高設計效率并快速實現模型內部的有效互動。BIM模型是一個完全參數化的模型，在設計的任何階段我們都可以通過參數的調整來控制模型的形體或實現對構件物理及幾何特性的調整。

(5)模擬仿真能力

建筑物的模擬仿真能力是即基于建筑師及工程師在設計過程中賦予所創建的建筑模型大量的信息(幾何信息、材料性能、構件屬性等)，輔以相關分析模擬軟件的幫助就可以進行日照分析、施工方案分析、施工進度的模擬等。有助于對建筑全過程進行管理。

(6)可出圖性

運用BIM技術，我們可以直接針對三維模型進行建筑、結構、設備施工圖的二維出圖，能夠提高圖紙的準確性及出圖效率。

2.2 基于BIM的一體化裝配式結構設計方法的思路

傳統裝配式設計流程是以設計平面圖紙為主要導向，大體流程是設計單位按建設單位的設計條件進行方案設計、初步設計、施工圖設計、預制構件深化設計、然后工廠生產、現場裝配施工。由于設計階段與裝配式深化階段的脫節，一旦涉及結構調整或深化方案調整就需要調整兩套模型，然后在深化模型中重新核對輸入配筋再出圖，這種設計方法會造成設計出圖的效率和準確性都偏低。這個與BIM建筑信息化，一體化的理念是沖突的。所以需要改變傳統的設計思路。

基于BIM的一體化裝配式結構設計方法與基于結構模型的信息一體化，將設計和深化兩階段工作結合為一階段，從BIM模型開始，遵循從三維模型到二維圖紙的這一理念，正向的進行裝配式結構設計。這種方法要求BIM模型與結構設計模型可以做到完全信息共享，在裝配式階段對模型的調整會直接反饋至結構設計階段，同樣的如果結構設計階段調整模型，那么裝配式階段的深化也會自動按照調整后的結構模型及配筋來設計。這樣就省去了傳統裝配式結構設計需要人工翻模及輸入配筋這個設計過程，可以大大提高深化設計的效率及準確性，同時統一兩階段的設計思路，避免出現前后設計思路不統一的問題。

2.3 基于BIM的一體化裝配式結構設計過程

由前文討論可知傳統裝配式設計是一個二維轉三維再轉二維的過程，這種反復的做法其實是造成設計效率低下的根本原因。應該利用好BIM的一體化特性，以BIM三維模型到二維圖紙為理念來重新研究基于BIM的一體化裝配式結構設計過程。按照這個思路，總結出設計過程如下：

(1)BIM結構整體建模。在這個過程中我們可以按照傳統結構設計軟件的建模思路進行構件的布置和樓層的組裝，然后輸入荷載，建模完成后相當于同時完成了結構的BIM模型及結構分析模型。

(2)結構整體分析。在建立好模型之后，我們進入結構分析模塊，輸入結構分析系所需要的各種計算條件參數，進行結構的整體分析，確保結構符合規范的各類要求。

(3)結構設計。針對結構分析結果對整體結構模型進行修改調整后再進行結構整體分析并進行配筋，直至結構整體指標及結構構件配筋均符合國家規范要求。

(4)拆分方案設計。對滿足結構整體分析后的模型根據建筑預制率指標要求進行結構深化的方案設計。通過選擇BIM平臺中已經存在的各類預制構件庫來賦予結構構件的預制屬性。之后進行預制率的復核，若預制率不滿足，那需要改變拆分方案繼續復核，直至滿足為止。

(5)BIM模型分析與優化：裝配式BIM模型的拆分方案設計結束后，需要驗證結構模型是否滿足設計規范、裝配式結構要求等。通過應用BIM的三維鋼筋碰撞分析，結構的短暫工況復核等功能對深化后的模型進行優化調整，直至構件合理滿足要求。

(6)出施工圖：BIM分析與優化結束后，基于BIM的可出圖性，可直接根據三維模型生成一套完成的二維施工圖。

(7)出深化圖：同樣是基于BIM的可出圖特性，可以高效輸出數量很大的結構深化圖紙。

基于BIM的一體化裝配式結構設計的流程如圖2所示。

圖2 基于BIM的一體化裝配式結構設計流程

3 傳統設計方法與基于BIM的一體化結構設計方法的對比

(1)兩種方法的聯系

這兩種方法在結構力學設計上都還是以“等同現澆”的概念，以現澆結構的設計方法為依據，設計時先按傳統現澆結構分析，再拆分構件，通過考慮節點的連接來保證和現澆結構相同的力學性能。同時，在深化階段都是基于拆分好的BIM模型進行從三維到二維的深化出圖。

(2)兩種方法的不同

傳統裝配式設計方法和基于BIM的一體化設計方法的不同主要體現在以下幾個方面：

①傳統裝配式結構設計中二維施工圖紙是最重要的核心信息，方案設計、初步設計、施工圖設計、深化設計等階段均以二維施工圖紙作為信息的傳遞媒介。各方的工作都要圍繞圖紙展開，而在人工圍繞圖紙展開工作的情況下，很容易因為個人的疏忽而造成信息傳遞不準確，從而影響圖紙質量甚至是結構質量。而基于BIM一體化設計方法中，模型是最重要的核心信息，且結構設計及裝配式深化設計均基于同一個模型，解決了二維圖紙在傳遞信息過程中引起的準確性問題。

②傳統裝配式結構設計采用先整體后拆分的兩階段設計思路。兩階段的銜接過程必然增加了額外的溝通成本，影響了出圖效率，而且容易造成前后端設計思路不統一。而基于BIM的一體化裝配式結構設計理念是在一個階段內就同時完成施工圖設計及深化設計，可以確保上游的設計理念與下游的深化、生產有機結合，是一種更高效統一的解決方案，可以大大提高裝配式結構設計的效率。

③兩種方法在基于BIM的裝配式結構拆分方案設計后，都需進行模型分析及深化，分析復核不滿足要求時可能需要替換預制構件，進行再分析，這是一個循環的過程。但是傳統的裝配式設計方法由于結構設計模型與深化設計模型存在于兩個不同的系統，所以數據需要在兩個系統間修改傳遞，工作量大，效率低。而當深化模型同結構模型一體化后，分析復核的過程將變得非常容易，與現澆結構設計軟件進行設計具有同樣的方便性。

④基于BIM的一體化結構設計方法有助于工程師在結構設計階段初期就可以充分考慮裝配式對結構的影響，便于擇優選擇結構拆分方案。

通過以上分析對比研究可以發現采用基于BIM的一體化裝配式設計方法可以優化裝配式設計流程，將原來的兩階段設計方式整合成一階段完成，有利于保證結構設計思路的一致性。一體化的設計方式真正實現了BIM的信息化，結構模型與深化模型的數據共享及聯動讓設計及修改都變得更加高效并且精準。故在裝配式結構設計中，采用基于BIM技術的一體化裝配式結構設計方法相較于傳統的裝配式結構設計方法更符合裝配式建筑的理念，可以大大提高裝配式結構設計的效率和精度，有著明顯優越性，是裝配式結構設計趨勢和發展方向。

4 結論

裝配式建筑作為建筑工業化的發展方向和重要組成部分，具有廣闊發展空間。現階段裝配式結構設計方法仍然存在效率低、前后設計思路不統一等問題。若采用基于BIM技術的一體化裝配式結構設計方法，將原來的兩階段設計整合到一起，實現結構模型及拆分模型的統一，能夠有效提高設計效率以及設計精度，有助于促進裝配式結構設計的發展。