基于裝配式建筑示范教學場景的 BIM 技術全過程設計研究

梁曉丹，楊海斌，閆長江（.上海城建職業學院，上海 00438； .上海建科建筑設計院有限公司，上海 0003）

0 引 言

裝配式建筑作為實現建筑工業化的必經之路，其標準化、數字化的內在要求與 BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）的信息化、可視化特點不謀而合[1]。以 BIM 應用技術為基礎，以三維模型所形成的數據庫為核心，包含了設計、施工、使用、拆除的全過程信息，集成了工程圖形模型、工程數據模型以及和運營管理有關的行為模型，同時將BIM 建筑工程信息模型引入教學場景展示，在教學中以三維展示立體直觀的建筑結構，是一種近似實踐設計的理解。

1 項目研究背景

目前，BIM 在裝配式建筑中已有諸多應用實踐，曾東旭[2]結合不同工程實例總結出 BIM 技術在設計各階段的工作要點；楊新、焦柯等[3]建立了以關系型數據庫和模型圖紙文件管理器為核心的協同設計平臺；黃高松等[4]從推廣實施層面提出了設計企業 ISO 質量管理體系。BIM 技術的應用可以實現設計階段的全專業協同，施工階段的建造全過程一體化和運營階段對建筑物的智能化維護和設施管理，使設計、施工、建設到運營單位通過 BIM 信息共享聯系的更加緊密，最終實現對建筑的全生命周期管理。本次實踐研究的項目為某學院實訓教學樓，是基于建筑裝配式示范教學場景的 BIM技術全過程應用實踐，希望通過信息化的設計手段和裝配式的施工技術，最終完成既具有文化傳承和空間延續，同時具有創新價值的裝配式實訓示范場景。

2 BIM 技術全過程應用

2.1 規劃設計階段

建筑策劃與設計是建筑全產業鏈的最前端，是整個建筑的創作核心[5]。前期規劃階段，充分考慮項目遷建的局限性及校園內部的地形地貌特征，建筑以重慶特色自然環境寓意文化延續，建筑造型取山形就水勢，建筑在形制上延續老主樓圍合式布局，喚起師生熟悉的記憶，激發認同感。如圖 1 所示，利用 BIM 分析軟件分析地形地貌，根據功能需求、環境需求及人文需求進行參數化設計，對建筑體塊進行計算與生成。

圖1 建筑體塊生產過程

2.2 方案設計階段

如圖 2 所示，在方案設計階段，主要利用 BIM 模型的可視化、模擬性、協調性等特點，進行綠建設計、方案優化，為項目決策提供技術支撐，提高設計質量和項目經濟性。對設計方案的效果進行分析、比選，優化設計方案。通過 BIM模型可以讓用戶直接看到設計方案的效果，更加形象、直觀、準確，并可以通過漫游技術，對裝修方案進行觀賞，結合人體工程學進行適當的調整，以保證符合客戶的需要。而且基于 BIM 的可視化技術，可以讓施工人員更準確地明白二維圖紙所不能理解的一些細部構造，以確保施工的順利進行。因此客戶再也不必在施工時要求施工人員和設計人員來反復修改設計方案，更快速、高效的的實現了客戶心目中的裝修方案。

圖2 BIM技術對方案的優化

2.3 施工圖設計階段

BIM 技術對施工圖進行深化設計、組織協調、起到高效的作用，因為各個專業的側重方向不同，所以對模型的表達側重也各不相同。深化設計利用 BIM 模型可視化的特點，在施工圖設計過程中，對走廊等管線密集位置進行管線綜合，預估及分配吊頂空間等專業協調的工作，對傳統繪圖模式來說，各設備專業分開設計，會審時工作量大，難以發現全部碰撞點，遺留大量問題到施工階段。如圖 3 所示，本次項目采用 BIM技術各專業協同設計，改變傳統設計流程，提前進行管線綜合，設計過程中及時發現并避免交叉碰撞，減少后期工作量。同時，BIM 的可視化在施工圖階段很好解決了二維圖紙表達不清晰的問題，本項目為實訓樓，空間要求變化多，所以設計跨層、升降板等復雜區域的問題，BIM 模型的三維顯示較二維圖更能清晰地把握實際情況。項目各方及各專業基于模型討論問題，可以實時測量模型，更精確掌握建筑物的尺寸和空間信息。

圖3 本項目 BIM 管線綜合模型

2.4 PC 構建生產階段

BIM 技術可以實現設計信息的開放與共享。設計人員可以將裝配式建筑的設計方案上傳到項目的“云端”服務器上，在云端中進行尺寸、樣式等信息的整合，并構建裝配式建筑各類預制構件（例如門、窗等）的“族”庫。隨著云端服務器中“族”的不斷積累與豐富，設計人員可以將同類型“族”進行對比優化，以形成裝配式建筑預制構件的標準形狀和模數尺寸。預制構件“族”庫的建立有助于裝配式建筑通用設計規范和設計標準的設立。同時，PC 構件結構復雜、數量繁多，利用 BIM 模型精準、可視化的特點，在 PC構件制作前利用 BIM 模型為數控機床、模具的建造提供構件精確的定位信息，為裝配式構件的精準化建造提供了必要條件。

在構件生產階段，每個構件中都置入一個芯片，用專門研發的手持設備掃描構件對應的加工圖紙上的條形碼來識別構件的唯一編碼，將該編碼寫入芯片中，作為該構件的物理識別芯片。每個構件中都永遠嵌入這樣一個標識芯片，在構件生產、運輸乃至吊裝的任何階段的關鍵環節，工人都會將每個構件的即時狀態通過手持設備掃描芯片并通過網絡傳輸到管理系統，確保任何構件的加工狀態、運輸情況、吊裝狀態都是可監控的。這樣，項目的相關方通過 BIM 系統可以查看任何一個 PC 構件的生產及安裝進度，結合生產與安裝計劃，進行過程控制和教學展示。

2.5 施工階段

利用 BIM 軟件建模將預制構件精確的排列在模型中，因為在模型中預制構件的外形尺寸非常準確，能快捷精確地提取到相關數據，進行材料用量、構件統計、應用比例的統計計算。這個階段，對 BIM 的縱向協同與配合工作提出了更高的要求。首先設計階段的 BIM 模型，信息化的工作一定要到位，技術運用 BIM 模型算量，可以快速計算出項目的工程清單量，并可以根據施工組織進度編制材料需求計劃，項目預算與技術方案。

在綠色施工方面，利用設計時的 BIM 模型根據施工要求，再進行深化設計，重點不僅是建筑本體，而是為了在施工場地布置方面找出最優的布局方案，進行施工現場動態管理，提高場地利用效率，降低二次規劃的成本。在不同施工階段對場地布局進行提前規劃和轉換；同時利用軟件統計功能，自動生成臨時工程量，減少計算工作量。

2.6 運維階段

從整個建筑全生命周期來看，相對于設計、施工階段的周期，運維階段的周期往往是之前實踐周期的幾十倍到上百倍，且處理的數據量大且門類廣，包含了從規劃勘察階段的地質勘察報告、設計階段的各項圖紙、施工各工種的組織計劃、運維各部門的保修單等多項內容。如果沒有一個好的運維管理平臺協調處理這些數據，可能會導致某些關鍵數據的永久丟失；不能及時、方便、有效檢索到需要的信息；更不用提基于這些基礎數據進行數據挖掘、分析決策，因此，作為建筑全生命周期中最長的過程， BIM 在運維階段的應用重中之重 ，BIM 三維可視與信息化的結合是 BIM 技術與運營維護管理的結合，對建筑的空間、設備資產等進行科學管理，對可能發生的災害進行預防，降低運營維護成本。本項目利用 BIM 模型，在設計和施工階段已經為后期建立基于BIM 的信息集成系統平臺做好鋪墊，將建筑、空間、設備、設施等信息實現高度集成共享，同時與物聯網系統關聯，為項目投入運營后設備設施的管理與維護提供全面、高效的信息化管理平臺及技術支持，實現高度集成的數字化、信息化的管理模式。

3 BIM 與 VR 的教學展示應用

基于 BIM 模型，用 VR 虛擬技術真實還原搭建的虛擬仿真實訓，學生可以通過 VR 設備進行上機實訓，這是項目建設服務本身的一種延伸。本項目本身的使用性質就是教學示范與實訓，這種用身邊真實項目進行教學的模式，使設計師為后期教學提供素材，學校教師提前參與到項目中的探索模式屬于跨界的合作，屬于一種全新的嘗試。教學平臺根據實體實訓基地的基建進行仿真虛擬建設，系統將達到和實體實訓基地環境、材料和裝飾裝修工藝完全還原的效果，實現細節和部件的完全仿真化和虛擬化。學生可以通過虛擬仿真的方式，對裝配式構件的 BIM 模型顯示切換、間距數據測量、分析構件及進行調整，學習實體模型各個節點，一方面增加學習的趣味性，另一方面增強學生掌握知識的牢固程度，達到前所未有的體驗感和學習效果。

4 結 語

本次項目的設計研究是基于建筑裝配式示范教學場景的BIM 技術全過程設計；是一次 BIM 技術的全面體驗與展示；也是 BIM 設計工作與教學創新工作的首次跨界合作，為今后的相關案例提供了借鑒與參考，同時探索了BIM 技術在服務于工程項目與服務于人才培養的共贏模式。