BIM 技術在裝配式建筑設計開發中的應用研究

［錢忠驊 任明宇 王瓊 任剛 黃永慧 董延鋒］

1 引言

2020 年9 月住房和城鄉建設部等9 部門聯合印發《關于加快新型建筑工業化發展的若干意見》[1]?！兑庖姟诽岢?，大力推廣BIM 技術，加快推進BIM 技術在新型建筑工業化全壽命期的一體化集成應用。加快新型建筑工業化與高端制造業深度融合，搭建建筑產業互聯網平臺。以新型建筑工業化帶動建筑業全面轉型升級，打造具有國際競爭力的“中國建造”品牌，推動城鄉建設綠色發展和高質量發展。

BIM 技術被認為是繼CAD 之后，建筑業第二次“科技革命”，也是建筑產業信息化的重要抓手[2]。要加快信息技術融合發展，大力推廣BIM 技術，加快應用大數據技術，推動傳感器網絡、低功耗廣域網、5G（第五代移動通信技術）等物聯網技術在智慧工地的集成應用。在裝配式領域，BIM 應用工具類軟件的生產效率已高于傳統設計方式[3]，成為生產力工具，形成了常態化工作方式。低成本、易獲取的高精度模型，可實現預制構件深化設計自動出圖，可協同全專業模型三維展示，降低該類型項目檢查碰撞問題的難度，為工廠生產管理系統發揮作用提供準確的幾何模型和數據模型[4]。

《中國建筑業BIM 應用分析報告（2020）》[5]指出以BIM 技術應用成果為載體，促進企業實施創新驅動發展戰略，有助于推動建筑業高質量發展。為解決建筑工程施工進度領域中的數據獲取、分析與模型求解等問題，可以結合BIM 技術與遺傳算法的優勢，構建建筑工程施工進度優化體系，有助于提升BIM 技術在項目管理領域的應用效果[6]。為了促進預制裝配式建筑產業中的信息化和工業化的融合發展，可以將BIM 技術與物聯網技術緊密結合，有助于促進傳統建筑產業化與信息工業化的深度融合[7]。為了在施工階段采用一種創新的方法來減少廢物對環境的影響，可以利用BIM 技術開發一個內置BIM 工具，在綜合環境中評估轉化為廢物的材料對環境的影響，從而深入分析產生垃圾的主要原因，提出減少垃圾產生的對策[8]。另外，BIM 技術和三維激光掃描技術在預制裝配式建筑智能施工安裝系統研究中發揮重要作用[9]，通過優化現有管理方法與施工工藝，降低了安裝偏差，有助于施工過程的精細化。特別是在“互聯網+”環境中，BIM 技術在建筑工程招投標管理中得到很好地應用，可以很好地提高建筑工程的管理效率，幫助企業降低建筑投入成本[10]。在裝配式軌道交通工程預制構件生產管理應用中，將BIM技術和數字孿生技術相結合，可以實現實體生產與虛擬施工的信息交互，從而解決生產過程中組織協調困難的問題，獲取了良好的綜合效益[11]。在建筑物的震后加固修復過程中，可利用BIM 技術建立一個建筑物震后重建的可視化框架，設計了一個信息采集模板，用于集成損傷信息、加固方法、技術方案、施工措施等多維信息，有助于修復震后建筑物和提高抗震能力[12]。BIM 技術在鋼結構裝配式超低能耗建筑中得到充分應用[13]，將BIM 技術、裝配式建筑以及超低能耗技術相結合，可實現裝配式建筑的智能化管理和精細化施工，為未來超低能耗建筑領域的發展開拓廣闊的應用前景。

本文以合肥市紅蓮園安置房小區項目為例，介紹BIM 技術在本項目裝配式建筑中的應用。首先，在深化設計階段建立高效的全樓預制構件BIM 模型，由模型自動生成輸出預制構件加工圖紙。其次，在預制構件階段深化設計BIM 幾何模型和信息模型，延伸了BIM 模型和數據的應用場景。在項目實施過程中，BIM 技術的運用提高了裝配式建筑預制構件深化設計的效率和質量，實現了模型和數據傳遞，具有很好的工程應用前景。

2 裝配式BIM 深化設計模型和方法

傳統深化設計使用CAD 軟件，設計師手動繪制預制構件的三視圖、統計鋼筋預埋件的數量，輸出成果為PDF或DWG 圖紙。制圖過程繁瑣，重復工作量大；深化設計成果與建筑、結構、機電專業之間的協同，均基于二維圖紙，碰撞檢查難度大，對設計師的經驗和空間想象能力要求極高。為了解決該問題，使用BIM 技術進行裝配式建筑深化設計，可實現預制構件BIM 模型自動出圖，快速生成全樓預制構件模型。BIM 模型中所有預制構件均可導出為XML 格式文件（可擴展標記語言）。支持在新的項目模型文件中導入生成相同的預制構件，并支持繼續編輯修改，有效減少設計師相似預制構件重復建模的工作量。相比使用傳統的族庫軟件管理預制構件族文件的方式，本項目技術能夠管理復雜度更高、規模更大的族嵌套關系，對實際項目預制構件形狀、鋼筋布置、預埋件種類多樣的情況適應性更好。

2.1 基于BIM 技術的裝配式建筑深化設計模型

使用BIM 技術進行裝配式建筑深化設計，可實現預制構件BIM 模型自動出圖，快速生成全樓預制構件模型，如圖1 所示。從而充分發揮三維模型可視化優勢和多專業協同能力，為繪制預制構件圖紙、統計BOM 表數據、校核碰撞問題提供新的解決方案。同時，在深化設計過程中，可同步完成預制構件預拼裝。協同建筑、結構、機電、裝修BIM 模型，設計師可方便地檢查預制構件內部碰撞、構件與構件之間、預制構件與機電管線之間的沖突問題。

圖1 BIM 技術預制構件三維模型圖

傳統深化設計工作輸出成果為紙質圖紙，基于BIM技術的預制構件深化設計方式，設計端輸出成果是圖紙和三維模型，預制構件幾何模型和信息模型能夠數據化，從而實現設計端與預制構件加工廠之間的數據打通，節省工廠生成管理系統內信息重復錄入的工作量，為工廠生產管理系統三維進度展示提供模型骨架。如圖2 所示，系統讀取BIM 幾何模型和信息模型效果展示圖。

圖2 系統讀取BIM 幾何模型和信息模型效果展示圖

預制構件BIM 模型既是深化設計出圖的前置條件，也是深化設計師工作的副產品。預制構件模型精度可達LOD400，對現場問題可以進行全面、準確、直觀的描述。并根據對應的材料表設置，正確分配不同樓層預制構件的屬性信息、構件身份編碼，生成全樓預制構件清單。如圖3 所示。

圖3 預制構件LOD400 精度模型

2.2 基于BIM 技術的裝配式深化設計方法和軟件

在裝配式BIM 深化設計軟件方面，使用canvas 畫布模式參數化地建立預制構件混凝土、洞口，建立鋼筋模型，布置線盒、吊點預埋件等預埋件，操作界面定制化程度更高，更專業。如圖4 所示，操作界面根據不同種類的部件的構成特點高度定制化，相比全三維模式建模，設計師工作效率大幅提高。

圖4 預制構件參數化建模界面

依據BIM 模型，自動生成預制構件深化設計圖紙，包涵平面圖、剖面圖，BOM 表信息，將設計師從繁瑣的統計鋼筋工作中解放。預制構件BIM 模型修改后，圖紙、BOM 表自動更新調整，對項目方案頻繁修改有較強的適應性。項目實施過程中，單個復雜預制外墻的深化設計出圖所需工時從傳統方式的3 個小時，減少為30 分鐘。高效的建模、出圖能力有效保障BIM 技術可實施、可落地。

裝配式BIM 設計軟件可在樓層之間批量復制預制構件，最終生成全樓預制構件模型。根據對應的樓層材料表設置，使用定制開發的軟件功能，可根據生產管理系統的需求，輸出預制構件的位置，尺寸，材料，鋼筋信息，預埋件信息等。傳遞的數據格式更自由，規模更大。后期可對接工廠的自動加工設備，輸出對應格式的加工文件。數據輸入輸出流程圖如圖5 所示。

圖5 數據輸入輸出流程圖

3 裝配式BIM 設計方法在合肥紅蓮園項目中的應用

3.1 項目概況

安徽省合肥市紅蓮園安置房小區項目，位于安徽省合肥市經濟技術開發區，總建筑面積39 萬平方米，共23 棟住宅，建筑高度81 米，采用裝配整體式剪力墻結構體系，預制裝配率要求50%，裝配式建筑實施面積23 萬平方米，住宅單體設計采用標準化戶型模塊。本項目使用的預制構件類型包括：（1）預制混凝土復合保溫外墻板、（2）預制混凝土內墻板、（3）預制混凝土PCF 板、（4）預制混凝土樓板、（5）預制樓梯，（6）預制梁，（7）預制混凝土陽臺板，如圖7 所示。項目共使用423 種預制構件，預制構件總數量5.9 萬片，預制構件總方量4.68 萬立方米。

圖7 預制構件類型

3.2 應用案例

以合肥市紅蓮園安置房小區項目為例，在項目深化設計階段，通過建立全樓預制構件BIM 模型，由模型自動生成輸出預制構件加工圖紙。然后，在預制構件階段，深化設計的BIM 幾何模型和信息模型，可數據化傳遞，延伸了BIM 模型和數據的應用場景。項目流程如圖8 所示，BIM技術在本項目裝配式建筑中的應用效果圖如圖9所示。

圖8 項目流程圖

圖9 項目效果圖

目前，裝配式BIM 設計方案已經應用于建筑工程項目中，在系統應用期間，沒有出現構件重復制作以及構件質量等管理問題，并且由于該系統具有實時操作記錄功能，極大的提高了報表效率，減輕了文員和管理員的統計工作。同時，相比于傳統方法，使用裝配式BIM 設計方法大大提升了項目的設計效率，其中多專業協同效率、出圖效率、圖紙準確率等都有明顯提升，并且通過構件編碼規則優化后，所有構件一件一碼，一一對應，方便了全過程管控。

4 結論

本文使用基于BIM 技術的預制構件深化設計方式，充分發揮了三維模型可視化優勢和多專業協同能力，提高了裝配式建筑預制構件深化設計效率和質量。以合肥市紅蓮園棚戶區改造項目為例，本文提出的BIM 設計方法實現了設計端的模型和數據傳遞，提升了管理效率，展現了良好的工程應用價值。越來越多的建筑企業應用BIM技術，但是BIM 技術應用大規模裝配式建筑的軟件定制化開發和快速自適應建模方面需要進一步加強技術研發。