基于BIM軟件下的裝配式建筑結構設計

緱濤

（山東省陽光工程設計院有限公司，山東濟南 250101）

1.BIM技術概述

BIM技術全稱為建筑信息模型技術，是建筑行業中，作為建筑學、工程學及土木工程的新工具。建筑信息模型是來形容那些以三維圖形為主、物件導向、建筑學有關的電腦輔助設計。隨著技術的完善和發展，廣義的BIM技術已經不僅僅局限于幾個軟件或平臺，而是工程信息化一系列技術的總稱。通過BIM技術能夠進行建筑設計、建筑預算、施工導引等多種工作形式，作為輔助工具能直觀的展現建筑信息化模型，進而開展工作。

BIM技術具有多種優勢，最為顯著的優勢是直觀，通過BIM能夠簡單便捷地展現建筑三維圖形，即便沒有充足的專業知識和從業經驗，也可通過三維圖形實現建筑方案的識讀。BIM技術具有交互性，不同于傳統建筑設計工作中各個分項設計獨立進行的形式，通過BIM技術能夠使建筑設計工作全流程實現交互，進而減少工作失誤和未來整合難度，結合現有技術也可將建筑信息模型引入全過程管理中，使建筑施工全過程實現科學管控。本文中使用BIM技術進行建筑結構設計工作，當前相關技術發展趨近成熟，已經有多個技術和平臺能為建筑結構設計提供服務。

2.裝配式建筑概述

裝配式建筑是指把傳統建造方式中的大量現場作業工作轉移到工廠進行，在工廠加工制作好建筑用構件和配件，運輸到建筑施工現場，通過可靠的連接方式在現場裝配安裝而成的建筑。裝配式建筑的形式已經有了較為久遠的歷史，但是近幾年才在國內發展并形成產業規模的一種建筑形式。裝配式建筑主要分為混凝土裝配式、鋼結構裝配式、木結構裝配式幾種形式，其中混凝土裝配式在大型建筑中最為常見，且是技術要點多樣的一種的建筑形式。

裝配式建筑有著高效率、高質量的顯著優勢。不同于傳統現澆施工的形式，組成建筑的主要構件不在現場進行作業，而是移交到專業工廠進行預制工作，在整個預制過程對質量標準有著嚴格的要求，而后運送到現場后施工單位仍會進行再次驗收，進而保障所使用的構件材料是質量合規的，從而保障整個建筑的主要結構部分質量合格，達到提高建筑質量的目的。整個施工過程在現場作業量少，同時不需要長久養護即可進行繼續施工，整個施工過程中對于環境因素和溫度的影響也比較小，在安裝過程中不受環境影響，無需長久養護，綜合而言是能夠提高施工效率的。此外，裝配式建筑的形式對于房屋格局的優化也有一定意義，內部剪力墻結構較少，對于空間利用和格局優化將有更大的發揮空間。裝配式建筑的施工過程中無需過多操作人員和管理人員，整個流程施工要點清晰明確，管理過程簡單，能夠減少人力成本和措施費用的支出。裝配式建筑減少現場施工的進行，進而減少材料浪費，建筑垃圾產生的數量隨之減少，也是符合節能環保理念的新型建筑模式。

3.裝配式建筑結構設計原則與要點

3.1 結構安全性

結構安全是所有建筑的共同需求，在裝配式建筑結構設計中同樣需遵循該原則。結構安全的內容主要包括結構自身安全、連接安全、荷載安全。自身安全即在施工和使用過程中結構自身的穩定性及在內力和重力影響下的安全性；連接安全即為各個結構構件在連接過程中所呈現的穩定性，以及是否在正常使用狀態下發生的形變下仍能保持穩定；荷載安全指的是在建造和使用過程中，來自其他構件的荷載，使用階段的可變荷載等，在荷載下能否保持穩定。此外對于大部分建筑而言，有著抗震性能的需求，其與結構安全有著較大關系[1]。

3.2 結構耐久性

大部分結構具有最低使用年限的需求，而使用年限的規定約束的是建筑主體結構的使用年限。裝配式建筑作為一種建造技術和模式，對于使用年限的需求遵循普通建筑形式的需求，一般而言在50年以上。而耐久性需求并不僅僅是簡單的材料或結構能夠使用到目標年限，還需在達到目標年限后仍具有結構性能。耐久性的影響主要與材料規格的選擇和設計整體結構有關。材料強度越高、性能越好，則建筑結構耐久性越好；結構優化形式越好，單個結構受到的消耗越小，則建筑結構耐久性越好。裝配式建筑同樣有著結構耐久性需求，以達成使用年限的目的。

3.3 結構拆分特性

結構拆分特性與傳統現澆施工工藝中具有較大差異性。裝配式建筑的構件在工廠中生產預制完成，而后運送到工程現場進行安裝。因生產工藝和運輸措施的限制，結構尺寸不可能與建筑尺寸一致，而需要進行分割。將結構分割之后，內部的受力情況，整體的性能情況將會受到影響，而這種影響通常是現澆建筑形式無需考慮的。結構的拆分需注意構件尺寸能否滿足生產及運輸需要，同時要考慮結構強度因分割造成的影響，此外在分割之后，如何進行安裝和連接，安裝連接的穩定性與施工可行性，均會影響最終建筑質量與施工工藝。裝配式建筑在施工階段能夠減少工作量，降低施工難度，但在設計階段的結構拆分特性是重難點工作之一[2]。

3.4 結構尺寸兼容性

裝配式建筑的安裝過程類似于搭積木，構件的主要材料是鋼筋混凝土。鋼筋混凝土作為常用的建筑材料具有性價比高、強度需求靈活等多種優勢。在裝配式建筑中，為了便于各個構件的安裝，對于構件尺寸有一定兼容性要求。對于混凝土構件本身而言，因工程量大、整體尺寸大，難以避免地會存在尺寸變動，同時混凝土材料隨著溫度的影響可能會影響自身體積尺寸，構件運送到現場之后也會因溫度變化的熱脹冷縮效應而出現尺寸變化。基于多種原因的尺寸變化將會對安裝過程造成影響。為了保障安裝工作的順利運營，對尺寸進行兼容性設計是很有必要的，但構件之間的連接方式及距離同樣會造成結構強度的折損。從該角度而言，構件被分割后的尺寸也是在裝配式建筑結構設計中需要解決的問題。

4.BIM技術對裝配式結構設計的應用

4.1 結構性能計算

為了保障結構安全性與穩定性，在進行結構設計的過程中均需進行結構計算。通過理論層面數據用來計算結構的抗震性能、結構強度等，以確定設計方案的結構性能能夠滿足建筑需要。BIM技術能夠簡化整個結構設計的性能計算過程，通過BIM解決方案，將預選取的建筑結構進行確定，完善的信息交互平臺能夠便捷可行地調用材料性能數據并根據布設情況完成自動計算。傳統結構設計對于結構強度的設計思路首先通過需求確定結構強度需求，然后根據該強度需求進行鋼筋、混凝土的數量規格確定，最后再進行驗算。通過BIM技術的形式能夠優化整個過程，通過信息平臺數據交互與軟件功能實現，在確定建筑基本需求后，可根據BIM平臺給出的性能需求數據進行優化，進而簡化性能計算的流程，減少錯誤的同時提高工作效率[3]。

4.2 結構安全性與可行性檢驗

結構設計工作中當確定初步方案后要進行可行性檢驗，主要檢驗結構能否滿足使用需求及施工過程中的可行性。一方面保障結構落地后的全過程中需求實現；另一方面確保結構設計方案能夠適用于工程施工工作。傳統設計模式下，通過結構拆解、承載力試算的形式進行，當前對于結構承載力計算與極限荷載計算雖已趨于完善，但驗證過程中復雜繁瑣。例如：在建筑空間內某一位置的可變荷載，其經由樓板最終將荷載分散承擔至臨近的承重結構，但可變荷載的位置不同對于各個結構的受力分配比例不同，而對該過程進行分析是繁瑣且復雜的。BIM技術通過三維圖形的形式，能夠將設計方案中的結構落實到三維圖形中，進而從多個角度檢驗該設計方案的安全性與可行性。

4.3 結構分割優化

結構分割過程對于裝配式建筑而言是較為重要的過程，結構分割的合理性也直接決定整個裝配式工程在構件生產、構件運輸、安裝施工等階段的可靠性與安全性。裝配式建筑的構件分割工作均需借助計算機軟件進行，在該過程中引入BIM技術將對于分割過程能夠進行針對性優化。以建筑三維模型的形式，在分割過程中能夠清晰的知悉各個部分的連接關系，以及分割后結構的整體性影響，整個過程能夠全面統籌結構優化、結構分割工作的進行。對于構件尺寸問題，也可通過BIM技術開展試算，明確因分割和尺寸兼容帶來的性能折損，進而采取針對性解決方案。

4.4 動態化結構設計

結構設計工作除結構自身性能滿足要求之外，對于施工可行性、建筑外形外觀、工程成本等均有一定要求，在上述條件的約束下，裝配式建筑的結構性能也不會越高越好，在合理成本內達成需求，同時不損害其他因素的設計方案才為科學合理的設計工作成果。傳統設計工作形式對于設計方案需要進行反復出具和修改的形式，反復工作較多。通過BIM技術進行三維圖形建立之后，即可進行動態設計的形式，在進行結構的設計的過程中可同時檢驗其他多種約束條件，還可便捷地進行多種方案的橫向對比，進而達到結構優化的目的。使用三維模型進行設計工作，對校驗建筑外觀、實時試算成本等均能簡單便捷完成，從而科學全面地完成建筑設計工作。

5.BIM技術在裝配式結構設計應用中的必要性

5.1 提高設計效率

建筑結構設計是一個影響因素多樣，實施過程繁瑣的工作，而裝配式建筑因其特殊形式有著更多注意要點。裝配式建筑的設計工作具有多種約束和特殊需求，尤其對于構件的分割與施工方式的確定，在整個裝配式結構設計中是與普通建筑形式最大的不同點。BIM技術中通過對建筑進行三維模型的建立，通過三維模型的形式將使整個設計工作的進行更為直觀，同時能夠明確多個指標之間的約束關系，進而保障設計工作的科學性與合理性。不同于傳統設計工作中方案反復更改修正的形式，BIM技術能夠將建筑設計中各個結構進行明確關聯，而后使修改工作變得簡單，對建筑結構設計工作效率實現提高[4]。

5.2 設計方案合理

設計方案的合理性對于建筑結構設計而言十分必要。合理性方面的需要主要有結構安全、結構耐久性等，在裝配式建筑中結構合理性還應檢驗構件分割后的合理性。傳統結構設計工作中對于結構合理性并無檢驗依據和可靠的檢驗辦法，在設計工作中引入BIM技術后，可通過有限元分析、模擬荷載分析等多種形式實現結構設計的檢驗，從而確保設計方案的合理。在整個過程中，可通過三維模型模擬的形式來驗證結構自身安全和穩定性，也可模擬使用階段可變荷載對于性能的影響。

5.3 設計方案便于施工落地

結構設計工作的除需在理論層面滿足需求之外，也需考慮施工階段的便捷性與合理性。對于裝配式建筑而言，該需要不僅僅體現在施工環節，而構件的生產、運輸、拼接、安裝等環節均有措施和設備的限制。裝配式建筑的順利落地需確保各個環節工作的順利進行，同時保障施工質量與施工合理性。通過BIM技術的形式能夠將建筑過程拆解，進而檢驗設計方案的可行性。在結構設計方案確定之后，還可通過BIM技術形成的三維模型來輔助編寫施工流程，制定施工方案，同時能夠作為質量交底的參考資料。整個過程中采用同一BIM模型即可實現。BIM技術直觀的特點也更有利于檢驗施工方案，便于方案落地。

5.4 便于協同工作

結構設計工作涉及要點多，專業分項復雜，通常而言需要多個技術人員的參與。通過BIM技術能夠提供交互式設計解決方案，在進行結構設計的過程中能夠便捷的實現同步設計，從而對建筑設計方案進行逐步完善，減少無效溝通，杜絕重復工作。BIM技術的應用能夠直觀的體現設計工作開展過程與進度，同時能夠使初稿、檢驗、審核的工作流程實現痕跡化處理與修改，對于設計方案的溯源、逆轉等操作也更為便捷。

6.結語

裝配式建筑是一種新型建筑形式，其具有高質量、高效率的顯著特點。在施工中，裝配式建筑相比傳統建筑模式的管控要點較少，技術指標直觀，但在設計階段有多個重點要注意，這與傳統建筑的結構設計不同。BIM技術是建筑信息化的應用解決方案，通過BIM技術實現建筑三維模型的建立能夠簡化建筑設計過程，提供全面科學的設計方案。將BIM技術引入裝配式建筑結構設計中，對于規范結構設計、促進裝配式建筑發展有積極意義。