基于BIM技術的預制裝配式建筑設計方法研究

盧 璐（廣州市住宅建筑設計院有限公司山西分公司，山西 太原 030009）

預制裝配式建筑與傳統建筑在設計方法、施工周期、施工工藝、形態特征等方面存在一定的差異性[1]。預制裝配式建筑工程整體施工周期較短，對于建筑構件質量的要求較高，對建筑建造行業未來的穩定發展具有重要意義[2]。當前，我國預制裝配式建筑設計方法仍然存在一定的不足，主要體現在建筑施工質量偏低，預制構件設計不夠完善[3]。為解決這一問題，本文在傳統裝配式建筑設計方法的基礎上，引入BIM技術，通過BIM技術的可視化模擬功能，對預制裝配式建筑進行全方位、全過程的設計，為促進我國建筑行業高質量、高效率發展做出貢獻。

1 預制裝配式建筑設計方法

1.1 基于BIM技術設計建筑施工平面布置

建筑施工的平面布置作為預制裝配式建筑設計中的重要施工環節，對工程施工的順利進行具有較大影響。因此，本文引入BIM技術應用，對預制裝配式建筑施工的平面布置進行優先設計，最大限度滿足施工調配的相關需求。

首先，根據建筑工程施工場地的基本情況，將施工現場根據建設功能、施工特點與施工特征，劃分為多個不同的施工區域，采用BIM技術的可視化模擬功能，全方位設計并模擬施工場地的平面布置[4]。控制施工區域中能夠利用的空間，用于預制構件運輸車的調動，避免在運輸過程中出現二次運輸的情況，進而縮短工程項目建設的周期[5]。建立BIM模型，實時反映施工現場各項布置的動態變化情況[6]。將預制裝配式建筑施工的總平面圖作為輸入層，輸入到模型中，利用BIM 技術，擬建工程施工的實際地形，根據施工設備、施工材料、施工覆蓋范圍等方面的動態變化，不斷調整施工現場路線、施工道路布局[7]。本文設計的預制裝配式建筑施工平面布置流程，如圖1所示。

圖1 基于BIM技術的建筑施工平面布置流程

如圖1所示，基于BIM模型模擬施工現場各個施工區域之間存在的關系，采用動態視覺模擬的原理，使各個施工區域內的動態變化實現可視化的目標。首先，在施工現場設置雙車道，合理規劃運輸路線；布置塔吊與群塔在施工區域中所處位置，避免塔吊運行過程中發生碰撞現象；設計預制裝配式構件的吊裝方式。對上述設計的施工平面布置進行模擬，判斷模擬結果是否符合相關的平面布置要求，若符合平面布置要求，則輸出結果，確定裝配式建筑場地布置方案；若模擬結果不符合相關要求標準，則對布置方案不斷進行優化改進，直至符合平面布置要求為止。

1.2 裝配式建筑預制構件設計

在預制裝配式建筑施工平面布置設計完畢后，依據預制裝配式建筑工程項目設計標準，對裝配式建筑工程所需使用的預制構件進行全方位設計。首先，將建筑的設計圖紙信息模型導入到BIM平臺中，包括預制構件安裝位置、安裝數量、施工順序等，規劃預制構件的施工工序。選取不同型號的裝配式建筑預制構件，確定預制構件的相關參數，預制構件設計流程如圖2所示。

圖2 裝配式建筑預制構件設計流程

如圖2所示，首先，利用BIM技術，建立預制裝配式建筑構件數據庫；基于BIM模型運行的實際情況，在數據庫中提取預制構件相關數據信息；獲取建筑預制構件中心線的位置參數；基于預制構件中心線的位置參數，生成裝配式建筑預制構件；在此基礎上，根據預制裝配式建筑的實際建設情況與特征，不斷修正預制構件的參數值；根據裝配式建筑各個施工階段，將生成的裝配式建筑預制構件劃分在各個施工階段中，并使用BIM技術的模擬功能，模擬施工視圖。參數化創建裝配式建筑預制板，結合預制構件二維設計圖，將預制構件設計與生產的全過程可視化呈現給技術人員，直接讀取預制構件參數化模型中涵蓋的各項信息，獲取預制構件在裝配式建筑中應用的屬性，得出預制構件安裝中的搭接方式，為預制裝配式建筑設計與施工提供精確的信息。在BIM模型中，增設構件拼裝圖、主體結構圖與透視圖，自動生成構件各個剖面的深化詳圖。采用BIM 技術，模擬預制構件生成、運輸、安裝的整體流程，完善預制構件數據信息的完整性。

1.3 裝配式建筑施工方案設計

裝配式建筑預制構件設計結束后，對裝配式建筑施工的整體方案進行設計。首先，對裝配式建筑預制構件進行匹配操作，與施工現場的實際條件進行匹配，避免在施工方案設計中出現偏差，分別從裝配式建筑施工技術、施工進度以及庫存計劃三個方面進行施工方案設計。本文設計的裝配式建筑施工方案設計流程，如圖3所示。

圖3 裝配式建筑施工方案設計流程

如圖3所示，綜合考慮施工設備與施工構件的承載力，在構件對應吊點位置進行分析，避免影響裝配施工的進度與質量；優化構件節點連接與預留預埋參數，合理布置預制裝配式鋼筋，基于精細化施工原理，埋入預留預埋件，在預埋與吊裝結束后，對預制構件實行碰撞檢查，避免預制構件發生碰撞問題，降低預制構件的質量。利用BIM技術，采集裝配式建筑施工的信息數據，并進行整合處理，基于可持續設計分析原理，規劃裝配式建筑施工體系與施工空間，實現建筑施工的綜合協調。利用BIM 可視化功能與流體力學，分析并模擬預制裝配式建筑室內外氣流、風環境與溫度場情況，根據模擬情況與特征，不斷調整預制裝配式建筑的尺寸與外形，判斷施工方案是否滿足工程建設需求，若滿足工程建設需求，采用綜合分析的方法，最終確定最優的施工方案，全方位提高裝配式建筑的空間體驗感與質量；若不滿足工程建設需求，則循環上述設計步驟，直至確定最優施工方案為止。綜上所述，為本文提出的預制裝配式建筑設計方法的整體流程，全方位實現預制裝配式建筑最優化設計的目標。

2 對比分析

為了對上述提出的預制裝配式建筑設計方法的有效性做出進一步客觀分析，進行了如下所示的實驗。選取某地區X 建筑工程項目為研究對象，該建筑工程項目規模較大，面積約為264105.3m2，建筑中的PC構件以疊合樓板、預制樓梯與疊合陽臺板為主，本工程為裝配整體式剪力墻結構，采用的裝配式建筑技術應用有：現場采用鋁模板、疊合樓板、預制樓梯、疊合陽臺板、成品隔墻板、輕質條板隔墻、全裝修交房、廚衛采用集成吊頂及瓷磚薄貼墻面、豎向管線與墻體分離、全過程BIM技術應用（加分項），符合標準化設計、工廠化生產、裝配式施工、一體化裝修、信息化管理的工業化建筑基本特征。X建筑工程的概況，如表1所示。

表1 X裝配式建筑工程概況

如表1中的工程概況所示，該建筑工程中應用了大量的裝配式建筑技術，在滿足建筑裝配率的前提下，通過工程項目增加裝配式建筑評價中“全過程BIM 技術應用”的鼓勵加分項，增大了裝配式建筑的綜合評價分值。建立X建筑施工平面布置模型，選取適用于X裝配式建筑工程的布置方案，使用Revit 技術，根據場地地形條件與特征，規劃設計施工現場建筑主體結構標高。由于建筑工程項目中，使用的預制構件數量較多，管線埋設與分布相對密集，采用建筑施工場地動態管理的方式，結合BIM 可視化技術，不斷切換場地視角，實時觀察并記錄建筑結構的細節構造。綜合考慮現場施工作業的情況，布設吊臂半徑與施工要求相符的塔吊，對施工環境進行反復模擬與校驗，保證塔吊運行施工的安全。在裝配式建筑施工過程中，使用BIM 模型對建筑結構各個部位進行碰撞檢測，針對存在碰撞風險的結構進行修改與完善，直至碰撞風險點消除為止，保障建筑工程施工的安全。利用BIM 技術中的排版功能，對裝配式建筑砌體工程進行排版設計，確定墻面砌體的布局、尺寸、構造柱位置等參數信息，獲取更加直觀的裝配式建筑砌體排列效果。最后，結合BIM 模型與BIM 軟件，基于建筑施工要求與標準，共同模擬整個工程施工的過程，計算建筑工程的裝配率，并判斷是否達到相關要求與標準，及時發現建筑設計與施工中存在的問題，并做出優化改進，達到提高施工效率與建筑質量的目標。

在此基礎上，采用對比分析的方法，在滿足建筑最低裝配率的基礎上，將本文全過程BIM技術應用的預制裝配式建筑設計方法，與傳統的設計方法進行對比分析，分別對比應用兩種設計方法后，X建筑工程項目各個樓棟建筑的裝配率與預期建設工期，結果如表2所示。

表2 兩種建筑設計方法裝配率對比結果

根據表2的對比結果可知，在兩種預制裝配式建筑方法中，本文提出的設計方法較傳統方法相比不僅能增大裝配式建筑的綜合評價分值，而且在運用BIM 技術后對應的增量成本較降低，且本文設計方法所需的建設周期較短，更加具有優勢。

3 結語

綜上所述，為了改善傳統裝配式建筑設計方法建筑品質偏低、施工周期與成本較高的問題，本文在傳統裝配式建筑設計方法的基礎上，引入BIM技術，提出了一種更加高效的預制裝配式建筑設計方法。通過本文的研究，打破了傳統設計方法在施工工藝與施工環境方面的限制，分別實現了對建筑設計質量、成本與進度三個方面優化的目標，提升了我國裝配式建筑行業動態管理水平，促進了裝配式建筑設計與施工的協同發展。