淺談BIM技術(shù)在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

宋紫微

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著當(dāng)今社會科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對經(jīng)濟(jì)、環(huán)保理念的追求，傳統(tǒng)的建筑行業(yè)設(shè)計和建造理念已難以適應(yīng)時代的發(fā)展，建筑工業(yè)化、信息化成為行業(yè)發(fā)展新方向。為實現(xiàn)行業(yè)建造模式的變革、發(fā)展建筑工業(yè)化，2016年9月國家發(fā)布了《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，自此裝配式建筑的比例不斷提高。在行業(yè)工業(yè)化、信息化發(fā)展的背景之下，傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計模式面臨著極大的挑戰(zhàn)。BIM技術(shù)是同一時期建筑行業(yè)在信息化發(fā)展上的另一個成果，憑借其可視化、協(xié)調(diào)性和可出圖性等優(yōu)點，近年來常被應(yīng)用于裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計中。在這樣的背景下，本文對于BIM技術(shù)在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 BIM技術(shù)與裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 BIM技術(shù)與BIM軟件

BIM（Building Information Modeling,建筑信息模型），是以建筑工程項目從規(guī)劃、設(shè)計、施工到運營乃至拆除的全生命周期的各類信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的三維信息模型，這一概念最早由美國的Chuck Eastman博士提出[1]。由于BIM模型集成了關(guān)于項目的各類信息，且擁有在項目各參與方之間共享的特質(zhì)，使得BIM技術(shù)能夠支持項目的信息數(shù)據(jù)模擬、協(xié)同工作等。除此之外，BIM還有可視化、優(yōu)化性和可出圖性的特點。

BIM的協(xié)調(diào)性依托于BIM軟件的應(yīng)用。在一個工程項目的全生命周期中涉及了如設(shè)計、施工、和運營維護(hù)等眾多專業(yè)，為達(dá)到使各項目參與方協(xié)同工作的需求，往往需要使用BIM核心建模軟件和基于BIM模型的各專業(yè)分析軟件。其中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中常用到的這兩類分析軟件如表1所示[1]。

表1 BIM軟件

1.2 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

我國的裝配式結(jié)構(gòu)分為以下3類：裝配式鋼結(jié)構(gòu)、裝配式木結(jié)構(gòu)和裝配式混凝土結(jié)構(gòu)[2]。其中，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是指部分或全部構(gòu)件在預(yù)制構(gòu)件廠商生產(chǎn)加工，然后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，再在施工現(xiàn)場進(jìn)行裝配、連接并進(jìn)行部分現(xiàn)澆而建成的建筑結(jié)構(gòu)。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)、高效化、產(chǎn)業(yè)化、構(gòu)件質(zhì)量好等優(yōu)點，但同時也有結(jié)構(gòu)整體性較差和設(shè)計難度大的缺點。裝配式結(jié)構(gòu)工業(yè)化的特點和先生產(chǎn)構(gòu)件后裝配安裝的作業(yè)流程決定了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計不同于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，它有著不同的設(shè)計流程和更高的精度要求。我國傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是將工程項目等效為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型、整體計算分析和構(gòu)件設(shè)計，然后再進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件拆分、構(gòu)件歸并、構(gòu)件連接節(jié)點設(shè)計和構(gòu)件深化設(shè)計[2]。

1.3 應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)勢

BIM技術(shù)的應(yīng)用可以提升裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計效率、減少設(shè)計出錯率和減少重復(fù)工作。對于裝配式混凝土建筑，一個傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如下：結(jié)構(gòu)設(shè)計人員基于其對建筑方案的二維圖紙的理解，憑借空間想象能力還原圖紙所表達(dá)的三維結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行一定程度的精簡，從而建立適合于結(jié)構(gòu)分析的模型進(jìn)行計算、設(shè)計與拆分，最后再結(jié)合建筑二維圖紙與結(jié)構(gòu)三維計算模型繪制出結(jié)構(gòu)施工圖。在傳統(tǒng)的裝配式建筑設(shè)計中，相似的二維與三維之間的轉(zhuǎn)換流程往往會多次在同一專業(yè)的設(shè)計、不同專業(yè)的配合中發(fā)生，這樣煩瑣的轉(zhuǎn)換往往會造成信息的錯漏和大量的重復(fù)工作。而在運用BIM技術(shù)的裝配式設(shè)計中，各參與方都使用統(tǒng)一的BIM平臺搭建模型，各專業(yè)的模型數(shù)據(jù)均可以實現(xiàn)雙向傳導(dǎo)，從而達(dá)到減少模型信息錯漏和重復(fù)工作的作用。

傳統(tǒng)裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計所面臨的另一大挑戰(zhàn)來自于預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計。裝配式建筑不同于現(xiàn)澆式建筑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件需要先在預(yù)制構(gòu)件廠中生產(chǎn)加工，再運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場才進(jìn)行拼裝，因而預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計精度將在很大程度上決定施工現(xiàn)場安裝的順利程度。相較傳統(tǒng)二維圖紙展現(xiàn)的設(shè)計成果，引入了BIM的三維設(shè)計更為直觀，更加能夠精確地指導(dǎo)施工。BIM技術(shù)憑借其自身可視化、可協(xié)同工作和可進(jìn)行施工模擬的特點，能夠讓裝配式混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計更為精確，設(shè)計過程更為方便、快捷，設(shè)計成果更具可實施性[3]。

2 BIM技術(shù)在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用及實例分析

2.1 設(shè)計流程

由于應(yīng)用了三維可視化技術(shù)，基于BIM的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計流程會與傳統(tǒng)的有一定差別。通常這樣的流程會從制定公司內(nèi)部或是項目內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)開始，確定項目各參與方選用的BIM平臺，并在此基礎(chǔ)上選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計軟件，從而保證將來不同專業(yè)的設(shè)計軟件進(jìn)行模型信息互導(dǎo)時的可操作性和精確性，確保協(xié)同工作的順利進(jìn)行。然后根據(jù)項目對裝配率的需求得到一個初步的構(gòu)件劃分，即選擇哪幾類構(gòu)件作為預(yù)制構(gòu)件。同預(yù)制構(gòu)件廠商配合，了解預(yù)制構(gòu)件廠商所能提供的構(gòu)件類型及尺寸，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)項目概況和過往相似的工程經(jīng)驗，建立初步的構(gòu)件族庫，方便后期設(shè)計建模。在設(shè)計時直接根據(jù)需求選擇族庫中的截面進(jìn)行建模，然后再對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析與復(fù)核，若有構(gòu)件不滿足設(shè)計需求則重新定義并設(shè)計新的構(gòu)件并納入構(gòu)件族庫。不斷調(diào)整、分析、復(fù)核，直到確定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，最后進(jìn)行碰撞檢查和對構(gòu)件模型的調(diào)整優(yōu)化，即構(gòu)件的深化設(shè)計。圖1為鋼筋桁架混凝土疊合板。

圖1 鋼筋桁架混凝土疊合板

2.2 工程實例

廣東省某公建項目，建筑總面積1.1萬m2，為一棟十二層建筑，采用現(xiàn)澆框架（預(yù)制疊合板）-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。抗震設(shè)防基本烈度為Ⅶ度，設(shè)計基準(zhǔn)期為50年。根據(jù)項目內(nèi)部制定的BIM實施計劃，本項目選擇在施工圖設(shè)計階段應(yīng)用BIM技術(shù)對其裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行深化與優(yōu)化，選擇Revit作為項目BIM核心建模軟件，PKPM作為結(jié)構(gòu)專業(yè)分析設(shè)計軟件。在使用結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行初步建模計算后，根據(jù)項目50%的裝配率要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件中選擇鋼筋桁架混凝土疊合板及預(yù)制梯段兩類構(gòu)件作為預(yù)制構(gòu)件。結(jié)合過往工程經(jīng)驗與本項目實際情況，對標(biāo)準(zhǔn)層樓板進(jìn)行了設(shè)計和拆分（圖2），并建立了相應(yīng)的構(gòu)件族庫。同時，還利用了建成的全樓三維BIM模型對項目樓層平面布置，樓層高度進(jìn)行了檢查和專業(yè)間協(xié)調(diào)。

圖2 預(yù)制構(gòu)件拆分BIM模型布置

2.2.1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點設(shè)計

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點設(shè)計通常包括預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件的連接、預(yù)制構(gòu)件與預(yù)制構(gòu)件的連接兩類。由于節(jié)點連接的可靠程度會直接影響裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的安全可靠性，連接節(jié)點需要嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范，這通常會導(dǎo)致其節(jié)點構(gòu)造較為復(fù)雜，更容易面臨構(gòu)件之間鋼筋碰撞的問題，意味著對設(shè)計精度的要求更高。而在傳統(tǒng)的二維設(shè)計表達(dá)中，水平和豎向構(gòu)件圖紙相互獨立，節(jié)點區(qū)域的鋼筋排布密集，導(dǎo)致了在實際施工中常常會遇到構(gòu)件間或構(gòu)件與模板的碰撞。本項目中應(yīng)用BIM的三維可視化技術(shù)對預(yù)制梯段的支座連接節(jié)點、有高差的疊合板連接節(jié)點進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化，大大簡化了過去煩瑣的工作[4]。圖3為預(yù)制梯段設(shè)計，圖4為預(yù)制梯段連接節(jié)點設(shè)計。

圖3 預(yù)制梯段設(shè)計

圖4 預(yù)制梯段連接節(jié)點設(shè)計（單位：mm）

2.2.2 構(gòu)件鋼筋深化設(shè)計與預(yù)埋件深化設(shè)計

在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以運用三維BIM軟件創(chuàng)建預(yù)制構(gòu)件的模型，輸入符合實際設(shè)計需求的鋼筋種類、長度、錨固形式和錨固長度，按照設(shè)計間距擺列布置，從而更為直觀地展示構(gòu)件中的所有鋼筋以及鋼筋相互之間的空間關(guān)系。在此基礎(chǔ)之上，還能夠通過BIM平臺自帶的碰撞檢查功能，自動完成對模型中鋼筋排布的檢查并羅列出所有發(fā)生碰撞的位置。本項目對梁板鋼筋進(jìn)行了建模，并使用軟件的碰撞檢查功能對鋼筋排布進(jìn)行了避讓與優(yōu)化（圖5）。

圖5 鋼筋碰撞檢查

在傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件設(shè)計中另一個工作復(fù)雜且容易出錯的環(huán)節(jié)是預(yù)埋件的預(yù)留設(shè)計，通常包括管道孔洞和預(yù)埋件的預(yù)留，由于涉及專業(yè)多、對精度要求高，往往設(shè)計效率不高。利用BIM三維建模軟件，如PKPM-BIM，可以將機(jī)電專業(yè)提供的管線模型合并整理至結(jié)構(gòu)模型中，然后使用軟件的一鍵開洞功能，得到預(yù)留孔洞精確的位置信息和孔徑，相較于傳統(tǒng)的在二維圖紙上進(jìn)行比較核對，效率得到了極大的提升。除孔洞本身外，預(yù)制構(gòu)件開洞還會影響到洞口周圍的鋼筋布置，借助三維建模來更直觀地展示孔洞與鋼筋之間的空間關(guān)系，精確地表達(dá)避讓鋼筋或是洞口周圍的加強(qiáng)鋼筋，避免現(xiàn)場施工時產(chǎn)生碰撞問題[5]。相較現(xiàn)澆式結(jié)構(gòu)，裝配式結(jié)構(gòu)中預(yù)制構(gòu)件先生產(chǎn)后安裝的特點決定了各類預(yù)埋件的設(shè)計和定位需要擁有高精確度。借助與預(yù)留孔洞相似的BIM模型互導(dǎo)的設(shè)計流程，還可以完成如預(yù)埋線盒、預(yù)埋斜撐套筒、預(yù)埋吊環(huán)等預(yù)埋件的布置，保證生產(chǎn)出來的構(gòu)件能夠順利安裝。

3 結(jié)語

綜上所述，在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用BIM技術(shù)可以縮短設(shè)計周期，促進(jìn)各專業(yè)間的協(xié)作，保證設(shè)計精度，保證構(gòu)件的可施工性等優(yōu)勢。而國內(nèi)目前相關(guān)的應(yīng)用仍然不是十分普及，需要更多的能熟練掌握BIM技術(shù)的人才，也需要更強(qiáng)大的國內(nèi)BIM平臺軟件為設(shè)計工作提供支持。