智能建造下的裝配式建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)研究

文／曾敏 長沙市綠色建筑發(fā)展中心（裝配式建筑促進(jìn)中心） 湖南長沙 410000

劉捷超 湖南省建筑設(shè)計(jì)院集團(tuán)股份有限公司 湖南長沙 410000

引言：

2020年7月3日住建部等13部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出要以大力發(fā)展建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級(jí)為動(dòng)力，推動(dòng)綠色和智能建造以及建筑工業(yè)化基礎(chǔ)共性技術(shù)和關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，大力發(fā)展裝配式建筑，加大綠色、智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)應(yīng)用，形成涵蓋科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、施工裝配、運(yùn)營、管理等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系。湖南作為全國“綠色建造試點(diǎn)省”，在發(fā)展裝配式建筑產(chǎn)業(yè)方面主動(dòng)擔(dān)當(dāng)，大力推動(dòng)裝配式智能建造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2019年初，湖南省住建廳在湖南省人民政府的大力支持下，按照“政府引導(dǎo)、企業(yè)主導(dǎo)、統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施、成果共享”原則，整合全省產(chǎn)業(yè)基地企業(yè)和科研院所的優(yōu)勢資源，在全國率先啟動(dòng)了湖南省裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈智能建造平臺(tái)（以下簡稱“智造平臺(tái)”）的建設(shè)工作。智造平臺(tái)將裝配式建筑技術(shù)與BIM、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新型信息技術(shù)集成融合，通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一平臺(tái)和統(tǒng)一管理，搭建裝配式建筑全流程標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化體系，集成并打通裝配式建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、運(yùn)維、報(bào)審、監(jiān)管全流程技術(shù)和管理，建立全省統(tǒng)一的裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈智能建造管理和服務(wù)綜合平臺(tái)。通過對(duì)于國內(nèi)外裝配式項(xiàng)目研究，建立并應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)部品部件庫，能有效減少了構(gòu)件類型，降低開模數(shù)量，降低構(gòu)件成本，取得了較好的社會(huì)、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益。以長沙市為例，長沙市以裝配式智能建造為載體，通過與BIM技術(shù)的融合，全市在建設(shè)領(lǐng)域大力推廣建筑信息化、數(shù)字化，通過BIM應(yīng)用的政策支持，建設(shè)工程設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度和品質(zhì)顯著提高，應(yīng)用基于BIM技術(shù)的裝配式建筑集成體系貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、檢測、運(yùn)維等各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，整合裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)全過程、全方位的信息化集成，是裝配式建筑發(fā)展的方向[1]。

本文基于湖南省裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈智能建造平臺(tái)的構(gòu)成和其相應(yīng)的管理模式，論述了在智能建造模式下裝配式建筑的數(shù)字化發(fā)展方向，并通過介紹基于智造平臺(tái)進(jìn)行的BIM正向設(shè)計(jì)項(xiàng)目案例的運(yùn)用，給出了裝配式建筑如何通過數(shù)字化工具實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)以及降本增效的目的。

1、湖南省裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈智能建造平臺(tái)

智造平臺(tái)由政府側(cè)產(chǎn)業(yè)公共服務(wù)平臺(tái)和企業(yè)側(cè)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用平臺(tái)兩大板塊組成。政府側(cè)平臺(tái)包括湖南省裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)部品部件庫及管理云平臺(tái)、湖南省住房城鄉(xiāng)建設(shè)科技信息平臺(tái)、裝配式建筑全過程質(zhì)量監(jiān)管和追溯平臺(tái)、裝配式產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)分析和公共服務(wù)平臺(tái)，企業(yè)側(cè)平臺(tái)包括基于BIM的裝配式建筑智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)、預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)、裝配式項(xiàng)目智慧施工管理系統(tǒng)、裝配式建筑運(yùn)維管理系統(tǒng)、EMPC項(xiàng)目全流程綜合管理平臺(tái)和裝配式鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目全生命周期數(shù)字建造平臺(tái)。形成了涵蓋裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈的智能建造體系。

通過智造平臺(tái)的建設(shè)，湖南省在全國首創(chuàng)了省級(jí)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和通用部品部件標(biāo)準(zhǔn)化體系。編制了裝配式建筑數(shù)據(jù)交付標(biāo)準(zhǔn)、分類編碼標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)圖集，通過BIM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，形成貫穿產(chǎn)業(yè)鏈上下游的信息通道，實(shí)現(xiàn)了全專業(yè)、全流程的數(shù)據(jù)集成管理及多用戶操作。基于公有云的標(biāo)準(zhǔn)化部品部件庫，方便全省設(shè)計(jì)單位直接選用，通過裝配式設(shè)計(jì)系統(tǒng)可優(yōu)先選取標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，提高了構(gòu)件復(fù)用率，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。

智造平臺(tái)首創(chuàng)了基于自主BIM技術(shù)的裝配式建筑數(shù)字化建造體系。將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于項(xiàng)目設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維、監(jiān)管各環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了基于BIM技術(shù)的數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)控化加工、智能化施工和智慧化運(yùn)營，通過BIM記錄各階段信息數(shù)據(jù)。通過建立唯一編碼體系保證數(shù)據(jù)記錄的唯一性，發(fā)揮BIM全生命期數(shù)據(jù)共享、協(xié)同工作的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了不同專業(yè)和上下游之間的信息協(xié)調(diào)一致。

智造平臺(tái)采用了大量智能化技術(shù)：裝配式設(shè)計(jì)系統(tǒng)可完成多專業(yè)智能建模，預(yù)制構(gòu)件智能拆分，沖突智能檢測和避讓處理；設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)接工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)，可直接驅(qū)動(dòng)各類數(shù)控加工設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)流程中可根據(jù)施工進(jìn)度和生產(chǎn)線狀況實(shí)現(xiàn)優(yōu)化排產(chǎn)；智能化施工系統(tǒng)結(jié)合施工管理技術(shù)和智慧工地技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)施工過程優(yōu)化、吊裝及安裝模擬、拼裝校驗(yàn)等環(huán)節(jié)；項(xiàng)目竣工后，將完備的建設(shè)信息資料提交業(yè)主，便于開展建筑空間管理、設(shè)備設(shè)施管理、能耗管理、智能維修等智慧化運(yùn)維。

智造平臺(tái)通過互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)傳遞各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。與此同時(shí)，湖南省住建廳已將智造平臺(tái)納入了《2020年“智慧住建”工作要點(diǎn)》，并初步實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)與湖南省工程建設(shè)項(xiàng)目審批管理系統(tǒng)、湖南省施工圖管理信息系統(tǒng)、湖南省工程項(xiàng)目動(dòng)態(tài)監(jiān)管平臺(tái)以及質(zhì)量考評(píng)系統(tǒng)對(duì)接，數(shù)據(jù)共通共享，形成了完整的智慧住建體系。

通過各類創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，智造平臺(tái)有效解決了裝配式產(chǎn)業(yè)中的諸多“瓶頸”問題，實(shí)現(xiàn)資源的合理配置，在線化、規(guī)范化管理大幅提升行政監(jiān)管效率，標(biāo)準(zhǔn)化體系將大幅提升標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件復(fù)用率，有效降低項(xiàng)目建造成本，數(shù)字化技術(shù)將全面提升建造精度，工程精度由厘米級(jí)提升至毫米級(jí)；智能化技術(shù)的應(yīng)用將大幅提升設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工效率，全生命周期質(zhì)量管理能夠最大限度地消除質(zhì)量隱患，全面打造湖南省智能建造和綠色建造新模式。

2、基于智造平臺(tái)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法

湖南省裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈智能建造平臺(tái)對(duì)于裝配式建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了“一庫”、“二標(biāo)準(zhǔn)”以及“六圖庫”的配套設(shè)計(jì)體系，“一庫”指湖南省裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)部品部件庫，裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化部品部件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其全生命周期，根據(jù)部品部件在建筑物所處功能和要求的不同，遵循受力合理、連接簡單、施工方便、重復(fù)使用率高、易維護(hù)和更換的原則[2]。標(biāo)準(zhǔn)部品部件庫通過對(duì)湖南省現(xiàn)有預(yù)制部品部件生產(chǎn)廠家的全方位調(diào)研，篩選了符合標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則的預(yù)制部品部件，形成了標(biāo)準(zhǔn)化核心庫，核心庫中構(gòu)件類型主要包含疊合板、預(yù)制內(nèi)墻、預(yù)制外墻、空調(diào)板、陽臺(tái)板、疊合梁、預(yù)制柱、樓梯共八種構(gòu)件類型。通過政府部門發(fā)布的入庫管理辦法，實(shí)現(xiàn)了以標(biāo)準(zhǔn)化為目的的部品部件庫管理模式。“二標(biāo)準(zhǔn)”指《湖南省裝配式建筑信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》以及《湖南省裝配式建筑部品部件分類編碼標(biāo)準(zhǔn)》，兩本標(biāo)準(zhǔn)通過對(duì)裝配式建筑各階段建筑信息模型交付的內(nèi)容及形式進(jìn)行約定，以及對(duì)部品部件信息模型的分類和編碼，構(gòu)成了裝配式建筑應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)的底層協(xié)議。“六圖庫”指包含《桁架鋼筋混凝土疊合板（60mm厚底板）》在內(nèi)的6本湖南省裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈BIM智能建造平臺(tái)配套標(biāo)準(zhǔn)圖庫。

智造平臺(tái)為裝配式建筑的數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了系列化的解決方案。平臺(tái)用戶通過同步標(biāo)準(zhǔn)部品部件庫中的云端標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，為后續(xù)的拆分設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，導(dǎo)入符合《湖南省裝配式建筑信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》的方案模型后，通過智能拆分模塊實(shí)現(xiàn)拆分設(shè)計(jì)，拆分的構(gòu)件尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)最大程度的重復(fù)利用率，提升標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)水平。構(gòu)件通過建立的底層協(xié)議實(shí)現(xiàn)分類及編碼，以備生產(chǎn)、物流、施工、運(yùn)維等階段的數(shù)字化流通使用。平臺(tái)依據(jù)《桁架鋼筋混凝土疊合板（60mm厚底板）》等標(biāo)準(zhǔn)化圖庫可實(shí)現(xiàn)一鍵智能出圖，為施工階段提供準(zhǔn)確的作業(yè)圖紙。所有數(shù)字化設(shè)計(jì)成果在平臺(tái)可直接流轉(zhuǎn)到BIM圖審系統(tǒng)，自動(dòng)生成項(xiàng)目裝配率以及標(biāo)準(zhǔn)化率等關(guān)鍵指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)閉環(huán)。

3、數(shù)字化設(shè)計(jì)在項(xiàng)目中應(yīng)用

基于湖南省裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈智能建造平臺(tái)的功能和特點(diǎn)，結(jié)合湖南地區(qū)政策要求，裝配式建筑的數(shù)字化設(shè)計(jì)流程可歸納如圖1所示：

圖1 裝配式項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程

以湖南某公租房項(xiàng)目為例，主要采用預(yù)制構(gòu)件為預(yù)制板和預(yù)制隔墻，本項(xiàng)目采用的數(shù)字化設(shè)計(jì)流程如下：

圖2 項(xiàng)目模型及預(yù)制板拆分方案

圖3 項(xiàng)目建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電專業(yè)模型進(jìn)行合模，統(tǒng)計(jì)下料

本項(xiàng)目在建模過程中，采用BIM正向設(shè)計(jì)理念。設(shè)計(jì)師以標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化思維，從云端標(biāo)準(zhǔn)部品部件庫下載核心庫構(gòu)件進(jìn)行組裝，旨在降低項(xiàng)目的模具攤銷成本，減少非標(biāo)構(gòu)件，提升安裝效率。平臺(tái)通過自動(dòng)優(yōu)先選取云端核心庫中標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件進(jìn)行匹配，從而實(shí)現(xiàn)“少規(guī)格，多組合”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化倒逼功能單元的模數(shù)化，形成經(jīng)濟(jì)效益更為優(yōu)化的裝配式建筑設(shè)計(jì)方案。

圖4 項(xiàng)目基于標(biāo)準(zhǔn)部品部件庫進(jìn)行構(gòu)件智能化拆分

圖5 參數(shù)化配筋設(shè)計(jì)

圖6 平臺(tái)一鍵圖審，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)閉環(huán)

結(jié)語:

湖南省裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈智能建造平臺(tái)的建立，為裝配式建筑的數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了較為完備的技術(shù)保障。數(shù)字化設(shè)計(jì)模式對(duì)于裝配式建筑的效能提升具有關(guān)鍵性價(jià)值，通過基于同一智能化平臺(tái)的數(shù)字化工具應(yīng)用，形成產(chǎn)業(yè)鏈上下游的數(shù)據(jù)信息通道，滿足裝配式建筑各部品部件信息模型的信息采集、存儲(chǔ)和智能檢索，驅(qū)動(dòng)裝配式建造全過程的標(biāo)準(zhǔn)化以及數(shù)字化應(yīng)用[3]。數(shù)字化設(shè)計(jì)不僅僅可以提升設(shè)計(jì)效率，同時(shí)可以發(fā)揮設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)在項(xiàng)目全生命周期的主導(dǎo)作用，引導(dǎo)全產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)綜合能力的提升，打破專業(yè)間的信息壁壘，促進(jìn)裝配式建筑全流程數(shù)據(jù)共享與流動(dòng)，為裝配式建筑高質(zhì)量發(fā)展提供關(guān)鍵支撐。