基于BIM技術的裝配式建筑設計方法研究

覃 波

（中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢 430071）

裝配式建筑是我國建筑領域與相關行業的關注與研究重點，相比常規的磚混類建筑，此類建筑具有施工過程中污染程度小、建筑垃圾少、人工作業環節簡化等優勢[1]。但限制裝配式建筑在市場內推廣使用的主要原因是此類建筑的設計經驗較少，即設計的成果經常在現場裝配施工時出現節點碰撞的問題，此種問題不僅對建筑整體設計質量造成影響，還會對工程的后續裝配施工造成干預[2]。因此，有必要在現有工作技術的基礎上，結合信息化技術，進行裝配式建筑結構設計的全面深化。

1 裝配式建筑工程概況

以某建筑工程項目為例，設計基于BIM技術建筑設計方案，根據與工程方的交涉與對接，現已知此項目在地區編號HD-05-03-01A地塊開發，該項目的預期建設用地面積為52361.23m2，共由地上建筑與地下建筑構成，其中地上建筑包括：排屋建筑、中層建筑、高層建筑、配套設施建筑等，結合項目業主方的要求，其中1#～7#中高層建筑按照裝配式建筑形式開發[3]。獲取1#～7#中高層建筑設計信息，見表1。

表1 1#～7#中高層建筑設計信息

在此基礎上，對建筑工程在設計中的要求進行分析。考慮到此建筑工程項目結構設計周期較長，因此，在設計中需要遵循結構層次性、美觀性、環保性以及節約性原則[4]。其中結構層次性設計原則主要體現在建筑工程項目結構的整體層面，即工作人員在設計工程項目結構時，需要綜合考慮建筑結構類型，提高對細節的重視程度，保障項目結構的整體建設效果，充分體現項目的結構特點與性能，使工程的實用價值發揮到極致。同時，要以客戶或業主的審美需求與功能需求為主要出發點，在建筑結構的調配與控制方面，充分利用建筑結構的內部空間與外部空間，突出建筑空間結構的層次性。

2 基于BIM技術的裝配式建筑設計方法

2.1 建立裝配式預制構件BIM模型

在設計裝配式建筑時，利用BIM軟件具備的參數化模型處理能力優勢，首先建立一個虛擬的裝配式預制構件BIM模型。將模型作為設計環境和條件，開展后續詳細的設計研究[5]。將裝配式建筑圖集作為參考依據，將其相關資料數據導入到BIM模型當中。在BIM當中的所有模型都需要按照統一和合乎邏輯的方式命名，從而方便在構件庫當中對所需構件結構進行檢索[6]。以上述裝配式建筑工程中的預制混凝土外墻板構件為例，其命名可按照圖1所示內容完成。

圖1中I表示為外墻高窗臺；II表示為標志寬度；III表示為樓層高度；IV表示為窗戶寬度；V表示為窗戶高度。在完成對各個構件結構的命名后，對裝配式建筑各個結構進行參數化設計及建模。仍然以上述裝配式建筑為例，針對其預制外墻結構，在BIM軟件當中確定各個參數/屬性數值，如表2所示。

圖1 裝配式預制構件結構命名示意圖

表2 裝配式建筑預制外墻結構參數/屬性及對應數值定義

在上述數值及定義基礎上，按照構架模型——空間模型——樓層模型——完整模型的順序，完成對整個裝配式建筑BIM模型的設計。同時，在BIM模型當中，各個預制構件可以重復利用，在日后針對相似裝配式建筑進行設計時，仍可選用符合建筑要求的構件，將其直接導入到新的BIM模型當中。

2.2 確定裝配式建筑PC結構

在完成對裝配式預制構件整體BIM模型的建立后，為進一步提升設計后得到的建筑適用性，確保設計結果能夠在正式投入中具備可行性，在結合業主方提出的建設標準要求下，對裝配式建筑PC結構進行細部設計[7]。這一過程主要在Autodesk Revit軟件工具當中完成，按照業主方提出的需求條件，針對不同構件的尺寸、形狀、材質等進行定義，并且在該軟件工具當中完成對裝配式建筑內建族、可編輯族、可載入族的建立，并將其作用到不同的位置結構上。在這過程中，通過移動終端設備，對裝配式建筑結構存儲信息進行調整，實現對建筑空間的重復使用[8]。除此之外，將PC技術應用到設計終端軟件當中，以此使不同空間相互之間具備更好的匹配度優勢，使最終設計成果能夠在PC終端顯示。

2.3 建立裝配式建筑構件族

根據上述論述內容，在完成對裝配式建筑PC結構的設計后，還需要完成對裝配式建筑構件族的建立。裝配式建筑構件族基本架構如圖2所示。

圖2 裝配式建筑構件族基本架構示意圖

在終端上，每個構件族文件都是獨立的，這就確保了編輯內容能夠實現重復利用。將REX可伸縮編輯器安裝到設計終端，使用Revit工具提取建筑構件，根據計算公式確定具體的結構尺寸，將其放到PC機上，以驗證其與預制裝配式建筑的設計需求是否相符。

在檢測到詳細結構后，將模板插入到對應的家族檔案中，使其規范化，以rft格式顯示在終端上，并建立模組的數字模型，這樣就可以在PC終端上整合一個模塊。將此文件保存成rfa格式，并在后期的設計中使用抽取或調用文件對其進行修改，使其符合建筑的具體需求。

2.4 基于BIM技術的裝配式建筑模擬施工

在完成對裝配式建筑構件族的建立后，再應用BIM技術，基于其對建筑外觀及結構以三維方式呈現的優勢，對裝配式建筑進行模擬施工，以此初步驗證設計方案的可行性，同時也能夠在這一過程中找出設計方案存在的不足。應用Revit軟件建立了工程結構模型，應用BIM技術進行工程模擬。對項目的細節進行合理的設計，著重解決施工中的難點，強化項目施工的精細化管理，對施工數據進行有效的協調，避免出現問題。BIM技術在施工中的運用，可以有效地解決工程中的技術問題，從宏觀上調整施工方向，加快施工速度，強化各個環節的協調，根據模擬結果，對施工場地進行優化管理，保證工程的實際施工質量。同時，通過上述基于BIM技術的裝配式建筑模擬施工，能極大程度上減少深化設計的誤差，并為設計的各個階段提供信息共享功能。

3 設計效果分析

遵循相關原則，結合本文提出的方法，對該建筑項目進行整體設計，設計過程中，將與此項目相關的參數與構件信息錄入建筑結構信息模型中，通過對建筑CAD圖紙的導入及其與建筑信息模型的適配，構建一個針對此建筑的初步裝配式結構模型。

根據初步結構模型，進行裝配式建筑的模數化設計、重復單元的校準、建筑中不同結構參數的調整與空間布局的設計等。在此基礎上，設計建筑門窗表、單元面積統計表、墻體工程量統計表，將數據填充到表格中，生成基于BIM的模型清單列表。

使用BIM可視化界面中的3D渲染工具，布置針對此建筑的鳥瞰圖、人視圖、室內圖，通過此種方式，實現對建筑整體設計內容的渲染與優化。為確保建筑結構的可靠性，將建筑模型與結構模型進行集成，將其錄入標準模型中，生成BIMC超級建筑模型。至此完成對此建筑項目的設計。

以6#建筑為例，對設計后建筑結構不同層中的管線碰撞作為測試指標，對設計成果進行評估。碰撞統計結果如表3所示。

表3 6#建筑不同層碰撞次數

由表3可知，設計的裝配式圖紙只有在14層發生了一次碰撞，其他結構層均未發生節點碰撞問題。對14層建筑管線進行綜合調整，調整后按照上述方式，進行建筑結構的二次檢查，檢查后各個層數之間的節點碰撞數量為0。

在此基礎上，隨機1#～7#建筑中結構層，按照下述計算公式，進行結構層抗壓承載力的計算。

式中N-代表結構層抗壓承載力；f-代表結構層抗壓承載設計值，B-代表建筑核心結構；s-代表核心結構受壓面積。

按照上述方式，計算1#～7#建筑中結構層的抗壓承載力，統計結果見表4。

表4 1#～7#建筑中結構層的抗壓承載力統計結果

根據上述實驗結果可知，設計的結構層抗壓承載力符合要求，說明本文提出的建筑設計方法可行。

4 結語

本次研究根據建筑行業的發展趨勢與未來發展要求，提出一種全新的建筑設計方法，此次設計的成果不僅可以為裝配式建筑在市場內的推廣提供進一步的指導，還可以助力產業鏈的完善與優化。在后續的工作中，將持續加大對裝配式建筑在設計中的投入，根據產業發展需求，拓寬裝配式建筑的認證內容，深化建筑行業在市場內的發展，通過對建筑的精細化設計與管理，保證建筑質量的提升，實現建筑施工的低碳化。