淺談BIM技術在裝配式建筑結構設計的應用

曾百卉

（深圳市華陽國際工程設計股份有限公司廣州分公司，廣東廣州 510653）

0 引言

進入“十四五”時期以來，信息化建設在建筑業中的地位逐漸提高，隨著城鎮化的不斷發展，建筑工程建設與城市功能越來越完善，人們生活水平進一步提高，我國提出了“數字建造”的轉型目標。即在城市建設中要構建新一代信息基礎設施，將建筑信息模型賦予坐標定位至城市信息模型，運用信息化技術建造智慧城市，實現更加智能化精細化的管理。在國內的建筑業中，BIM技術應用與裝配式建筑建設是現階段建筑行業的發展趨勢，而設計作為建筑業發展的龍頭，是信息化建設的基礎與前提。隨著科學技術的發展，建筑工程設計已經從手繪畫圖板時代進入二維計算機圖紙時代，最終將進入三維數字化模型時代。

使用BIM技術設計可以在工人面前直接顯示的形式建模，可以足夠的視覺效果，在施工之前幫助相關人員對任何一個建設項目的結構元素，設計或工藝的調整，可以保證安裝的準確性和實際施工后能正常工作[1]。在實踐中，BIM技術還具有模擬、協調、繪圖等優點，針對工程設計中的意見分歧，其內含有的碰撞檢測可以產生有效的報告和協調方案，優化施工方案，還可以在3D模型的基礎上，添加適當的條件，將其轉換為4D施工模式，并制定施工計劃，在4D仿真的基礎上又可以增加5D仿真的技術，保證成本控制的有效實施，更進一步，6D技術，即全生命周期管理應用，如圖1所示。而在上述環節中，隨時可以在二維圖紙與三維模型的展示方式間切換，讓相關參與者、使用者對構件物理及功能特性的信息有更詳細、更直觀的了解。

圖1 BIM技術全生命周期管理應用

1 BIM技術的優勢

BIM技術在現代建筑工程建設中的作用不可忽視，尤其是在方案創新和個性化的時代，BIM技術有著不可替代的作用，此外還可以協調解決實際建設中出現的問題，從而提出具體可行的建設方案[1]。每一次創新式的技術發展都將與行業中為人熟知的傳統部分產生碰撞，BIM技術亦是如此，它將會取代現階段傳統方式中低效率與低精確度的工作。在過程管理中，實現數據的輸出和交換，進一步將各環節、各專業從業人員加入數據共享的平臺。舉例來說，BIM技術除了可以在裝配式建筑結構設計預制構件拆分、結構算量方面提質增效，另一方面在多專業協同方面也有很大的好處，在二維圖紙上，由于分布管道的復雜性，管道之間發生碰撞是不可避免的，但是利用BIM技術建立三維模型（圖2），可以及時解決問題，保證設計的準確性和安全性。另一方面，BIM技術具有模擬的優勢，在應用過程中，可以通過仿真將數據呈現為直觀的3D模型，施工企業可以利用模型指導施工，也可以將施工階段的問題前置，有效預防可能發生的施工問題，提高施工質量，進而提升施工效率。

圖2 三維數字化建筑模型

2 裝配式建筑結構設計BIM應用要點

現階段多數項目結構專業使用BIM技術均是以二維施工圖紙為基礎再建立三維模型，但從行業未來的發展方向來看，結構專業應先建立三維BIM模型再導出二維施工圖紙。與其他專業不同，BIM技術在結構專業中的應用有一個明顯的不同，即用于結構計算分析中使用的三維模型與現階段建筑結構設計中使用的BIM模型數據保存格式不同，即結構專業的BIM模型可以輸出具有法律效力并用于施工的二維施工圖圖紙輸出，但不能直接用于結構計算分析。但建筑工程設計環節并非僅結構專業一個專業，更需要的是全專業協同配合。一直以來，在實際施工中因建筑專業修改或是結構專業與其他專業碰撞產生的變更所占比例不小，因此結構專業設計的三維BIM模型在專業配合、后期修改與現場處理方面可真正實現提質增效。目前在更多項目中實踐的實現路徑是先根據建筑專業提資在結構計算軟件（如盈建科、PKPM等）中建模計算，分析調整后在三維軟件中建立結構BIM模型或直接將結構計算模型以格式轉換的形式導入BIM軟件，從而建立結構專業的BIM模型。后一種方法可以實現結構計算模型與結構BIM模型同步修改，減少錯漏。而結構BIM模型隨著設計進一步深化，可以參與管線綜合設計、墻身構件進一步深化并最終導出結構專業施工圖，可輸出非預制構件配筋大樣圖，又可輸出裝配式建筑的結構預制構件拆分圖。因此，結構專業的三維模型不僅可以提升結構安全性，更可以提升建筑工程設計質量。裝配式建筑工程類型多、設計范圍廣、技術特點不同、差異很大，而BIM技術的應用可以很好的擴展到其中，解決大部分裝配式建筑工程建設問題和規劃問題[2]。下面，從多方面簡述BIM技術在裝配式建筑結構設計中的應用。

2.1 平面整體布局

目前BIM技術應用廣泛，在裝配式建筑工程的設計過程中已經得到了有效的應用。在模型制作過程中，可以為施工人員在后續的施工中打下良好的基礎。在預制裝配式建筑設計時，遵守協調性的基礎原則，合理地調整預制模塊，可以從根本上提高設計工作的合理程度，彰顯預制構件的典型特點，進而提高工程的建設質量，控制成本的損耗。對套型模塊予以合并，使其成為標準化的單元組合式模塊，對建筑物進行構造，可以讓承重墻與管井的位置具備更強的合理化特征，空間呈現出更強的靈活多變性外，也可以提高技術人員的工作效率和設計方案對比能力。在進行功能劃分時，需要根據實際需求來開展合理有效的功能設計工作，使得布局工作合理化程度更強，從而使得空間內所設置的承重墻數量得以控制，也可為建筑可拆卸內墻板布局做好輔助。當BIM技術應用于裝配式建筑布局時，相關技術人員可以利用BIM技術的視覺對比方法，準確確定接口尺寸和裝配式建筑布局角度，最終獲得最高效的設計方案，從而有效地提高裝配式建筑安裝的準確性[3]。

2.2 協同設計的應用

裝配式建筑工程設計是一項系統的工作，在這個過程中，協同設計的重要性就顯得尤為重要，設計的各個環節和各個專業要相互協調，才能呈現出完整的項目，在協同設計過程中，大量的數據和信息需要并行處理，不僅結構專業是其中一個重要環節，更是多專業并行的協同修改，這個過程不僅耗時且難免出現錯漏，因此在裝配式建筑工程設計中，可以利用BIM技術建立各專業匯總的信息模型，通過協同設計，可以對建筑設計施工相關的信息進行匯總對比，特別是跨專業信息的計算和修改，另外還可以提高各個專業在各個環節的協調性和協同性。

2.3 參數設計中的應用

建筑信息模型設計過程，就是對構件賦予物理與功能的參數化數據。預制裝配式的建筑中所設計的構件種類與規格相對比較多，為了能夠提升預制裝配式建筑物結構設計的合理化程度，在設計構件的過程中，需要結合標準與模塊的具體設計要求對構件種類和規格進行合理化的控制，唯有如此，使得安裝的流程進行簡化，有效控制成本的消耗，對工程安裝品質進行提升。由于參數和構件信息是建模的基礎，所以調整參數達到設定標準，可以對提升裝配式建筑設計質量起到輔助作用。

2.4 可視化設計的應用

在裝配式建筑設計中，傳統的設計模式中的修改需要借助信息化平臺，依需修改，費時易操作，特別是對建筑管道進行維修改造時，給各個專業都將帶來影響。而BIM技術可以利用自身優勢實現多專業的信息數據采集和傳輸，提高信息的準確性和真實性，進而通過建模構建其可視化3D模型，不僅可以實時對應調整修改，也可以減少這一環節對結構設計的影響。設計人員可以根據建筑信息建模系統中包含的碰撞檢測功能多專業綜合分析，進而對管道數據進行一一調整。采用BIM技術制作的建筑模型精度高，讓碰撞分析可以得出最準確的結論，設計師可以判斷方案是否合理[4]。

2.5 構件設計

BIM技術可以根據具體工程方案，對裝配式建筑進行構件設計，在設計過程中，將設計方案與工程實際情況有機結合，對設計方案進行詳細分析，將大量工程實際問題前置，減少后期工作量。舉例來說，在結構設計中不僅需要保證結構安全，讓裝配式疊合結構的設計強度達到類比于現澆結構的預期設計強度，還要與其他專業協調配合。簡單來說，要根據結構形式、樓板尺寸來對疊合樓板分布、尺寸劃分予以合理設計，并且要將預埋管線一并綜合考慮才能實現預期的設計目標。在對上述數據進行綜合分析后，匯總至三維BIM模型中，以便在下一環節中使用。

2.6 工程算量方面的應用

裝配式建筑工程設計復雜，將信息建模技術應用到建筑設計中，可以有效提高設計質量。除了建筑算量外，結構專業也需根據建筑造型、建筑用材等確認細部結構設計以及作用于結構上的荷載變化。因此，在施工前為保證施工材料能夠滿足裝配式建筑建設的需要，需要按照施工方案制定施工材料清單，分析各種材料的數量和應用，然后通過圖紙進行統計和測量。簡言之，建筑信息建模技術的應用為設計人員提供了更準確的信息和數據，讓設計的質量進一步得到提高。在這個過程中，可以利用三維BIM模型與二維圖紙的相互轉化功能，通過修改模型再導出圖紙的方式進行實時修改和數據調整，由于三維BIM模型內部數據之間的聯動關系較密切，任何修改都有可能會產生牽一發而動全身的影響效果，所以在具體的施工過程中，如果產生設計變更，設計師可以利用三維BIM模型對設計圖進行實時調整，完善建筑結構材料清單的編制，控制項目成本并保證施工進度與施工質量。

3 結語

綜上所述，BIM技術作為我國信息技術發展的領先技術，在建筑行業具有明顯優于傳統技術的優勢，呈現出可視化、協同化、仿真化的特點，但現階段，在大多數項目中，我國BIM技術在不同環節與不同專業之間的應用是混合而難以協作的。信息化，不僅需要建立數據之間的關系，還需要更深層次的建立數據背后，也就是參與者、使用者的關系，想要打破參與者、使用者信息孤島的特點，達到各專業從規劃、設計、施工、運維乃至拆除階段都僅使用同一個項目模型的目標，還需要各環節與各專業從業人員作出更多努力。因此，加強BIM技術的應用，并進一步加強各環節各專業的數據互享，將其貫徹到建筑工程設計的全設計過程中，就可以進一步打通數據壁壘。在裝配式建筑結構設計時，運用BIM技術一方面可以實現結構三維可視化，打通設計施工環節的技術壁壘將可能存在的問題前置，另一方面將結構專業三維計算的模型直接導入至三維結構模型中，可以進一步提升結構設計人員的工作效率與建筑結構的計算準確性，不僅推動裝配式建筑發展，還可以保證建筑結構安全。因此，大力推廣BIM技術的應用，可以進一步加強我國建筑結構設計的質量和水平。