BIM技術在裝配式建筑設計中的研究與實踐

楊昕

（山西五建集團有限公司，山西 太原 030000）

1 BIM技術概述

如今在各大建筑設計公司，建筑設計人員們對于BIM科技的探討隨處可見，而BIM科技在目前的建筑建設領域，也可以說是越來越火熱[1]。BIM科技簡單來講是將建筑的全部的外部實體結構和內部特點性能經過軟件分析后，用數字化的方法將其表現起來的科技，透過在計算機軟件系統上構建數字化的模塊，將全部建筑的細部數據信息都顯示出來，以達到對建筑的資源共享。

BIM科技在實踐應用進程中具備了如下特點，首先BIM科技的可視化，BIN方法與其他建筑設計方法有所不同，所形成的建筑設計模式并非完全實心的，而是透明可視化的，在這個模式下，技術人員能夠觀察整個建筑物結構，對建筑物的具體數據有了一個全方位的掌握，十分直觀簡單[2]。其次，由于BIM科技是十分富有協調性的，這種科技能夠幫助工程設計管理人員以及建筑施工管理者，對整個施工階段與設計流程都有一個非常好的初步設計流程，并且，也因為BIM科技能夠將整個施工的全部數據模型都建模了出來，從而使得工程技術人員有全面認識的設計流程，也使得工程技術管理人員能夠在應用BIM科技時對施工階段中發生的所有問題，都可以非常清楚地了解緣由，并且迅速針對其問題協商出處理的措施，并進行施工調度。

BIM技術除了在實際施工中使用外還擁有自身優越性[3]。作為運用信息化技術手段對裝配式工程實行模擬、優化、科學管理的重要技術手段，BIM技術還可以更迅速地對在設計制圖流程中可能會發生的數據信息出錯加以查漏補缺，從而及時排除由于工程設計疏忽而導致的施工問題，并最終實現了節約投資的目的與效益。

2 裝配式建筑工程案例概述

某建筑中心的停車綜合樓工程項目選用裝配了全尺寸框架－現澆核心筒構造系統，總面積為4907.35m2，建筑的主體構造總高為63.50m，其中2～8層的層高為3.25m，9～16層的層高為3.60m，建筑物的主要構造分為車庫層與辦公樓，其中預制式安裝率約為50%，同時建筑物內地下室的外墻板全部使用了現代工業化生產，整體安裝率約為70%[4]。該工程項目通過結合了由BIM技術組成的數字化建筑設計和數字化模擬施工流程，大大提高了施工精度，同時通過以少尺寸、多結構的原則盡量減少了預制結構品種，以降低施工成本。將結構科技和建筑施工科學技術融合創新，采用一體工程設計，實行外無模板、現場施工腳手架結構、當場澆筑墻體和抹灰的綠化施工技術，大大提高了建筑經濟性，并合理縮減了建筑時間。

本項目的預制裝配結構，包含了豎向框架梁、水平樓面柱、樓板、標準層樓梯、外墻板、內地下室墻板[5]。主要預制構件均選擇了比較合適的規格，當中框架梁的直徑規格為800mm×1000mm，泵管斷面長度規格為400mm×850mm，預制層+現澆層疊合板厚薄范圍為60mm+80mm。疊合板采取了傳統的預制混凝土疊合板方式，使用一層次梁，以減小板跨，施工工藝更加成熟簡便。

3 BIM技術在裝配式建筑設計中運用

3.1 基于BIM模型的建筑標準化及優化設計

該項目在方案設計研發階段，以Revit軟件為平臺實現了建筑設計、構造和機械的全建模，模型精確度達LOD300[6]。利用BIM模式的分析，按照建筑工程預制構件尺寸的分類原理對建筑物平立面實行了規范化規劃，將建筑工程原柱網由原來7300～11700mm九種不規范的尺度系統調整為三個尺度，即7800mm、8300mm、1400mm，將建筑工程標準層臺階由原來的2600mm、2800mm、3100mm三 個 尺 度 系 統 調 整 為2600mm，而原來方案布置在建筑外墻間的剪力墻也將被系統集中布置在建筑工程核心筒四星期，并且也重新統一外窗尺度，就這樣可以大幅縮減建筑工程預制構件尺寸數量，進而降低了成本[7]。本工程所選擇的預制式組裝結構形式，都需要按照建設項目的組裝式工藝路線和生產要求，在實施方案設計按照結構拆分設計原則完成實施方案設計創作。針對各種類型的預制構件形式，以實際結構長度、材料性質和位置等信息為參考，建立了基本的預制構件族，以便于Revit模塊的構建，以減少結構修改等過程后期大量的復雜工作時間。對模型族的幾何屬性進行了可視化研究，并逐步對基本結構的種類數量加以調整，盡量減少了結構類型和重量。

3.2 基于BIM技術的可視化設計

采用BIM技術的裝配式的建筑構件，常規建筑設計路線都是將Revit建筑模塊通過連接輸入構件分析的軟件系統，先進行構件解析運算，然后再將構件分析模型輸入Revit，生成Revit建筑模塊，并利用剖切的不同視圖顯示和附加標記，生成圖紙文件[8]。但在實際操作中發覺，BIM結構建模和構造分析模型間的切換會導致部分信息內容的差錯或遺漏，從而難以實現無縫連接。因此，在構造模型時使用了Caitier軟件，該軟件在構造和預制的構件建模工作方面都比Revit平臺更為方便，并且該軟件平臺還擁有方便的動畫控制功能，對預先準備構件組成部分的仿真拼裝以及施工時仿真交底都更為直接[9]。裝配式建筑設計由于使用BIM技術超強的可視化性能也可以進行更加精確的協同建筑設計。本項目經過對地下車庫、一層的入口、餐廳層間嵌入等大空間項目受空調等設備管線干擾影響凈高的問題，進行了深度的科學計算可視化為三維模型，并將Revit模式引入FUZOR視頻引擎中，該引擎可以實現與Revit模式雙向數據互動，并采取人行仿真的方法進行虛擬實景感受，以協助項目設計者與施工業主方預先研判，并盡量確保在實際空間項目完工后的整體視覺感受效果良好。

3.3 構件模型深化設計與預制拼裝

在深化設計階段，相關人員在設計過程中需要將整體系統進行規劃考量，并運用BIM模型結構拆分為基礎，使工廠能夠對建筑工程預制件進行單獨結構預制，再配以配筋設計和預制結構方案設計，從而在BIM模型結構基礎上進行設計融合，使結構設計方案得以優化[10]。Revit模型在實際建設過程中包含了結構的各個因素，包括基礎輪廓、材料類型以及鋼筋信息等，在進行局部優化調整之后，可以在整體規劃基礎上進行結構拆分。利用BIM模型對預制構件進行深化設計，不僅能夠使傳統二維結構圖紙得到升級，使其成為三維立體圖形，還能在可視化特點發揮的基礎上，清晰展示其整體運行狀況和結構配筋空間關系，節點技術的實際參數狀況，自動生成結構下料單、派工單、模型尺寸表格，從而完成了與制造廠商間的密切合作與互動。建筑構造模塊在建立了構造分割原則以后，在Revit中就可以自動調用Dynamo進行可視化程序設計，拆分與Revit建筑構造模塊促使現澆構件化整為零，再將其進行優化整合，從而實現整體構造拆分與組裝。例如，以預制疊合梁的拆分，在跨中部分進行斷開并形成工作流程圖之后，再通過順序調整和結構優化完成預制衡量的拆除。根據此劃分邏輯，按照柱子、地板、墻面各自的劃分準則，能夠合理進行各種建筑物的劃分。由于梁、因素主次柱等節點焊接的復雜條件下，還需要借助BIM技術實現預焊接，以檢查和優化節點焊接方法，該工程采用了Revit模型設計和仿真梁柱等節點焊接流程，將鋼材按照工程實際需要進行捆扎，使得框架中梁劍槽端部柱底鋼筋直徑得以被垂直拋入框架節點內，如此降低橋端進槽中U型筋的總數量，強化節點的抗震性，提升整體建筑的穩定效果。此部分的施工能夠在一定程度上提升復雜核心區的施工效能，保障整體施工和檢查的精準性。

3.4 碰撞檢查

由于建設項目都是預制的裝配式施工建設，樓板、橫梁、立柱、天花池等大部分的結構部分均需要充分考慮并準確地預留位置，因此首先就應該利用BIM技術與各專門的Revit模式加以協調糅合，檢測錯漏或碰缺，以節約時限，提高效率。其次，由于預制建筑構件的現場安裝對深化設計工作提供了很大的需求，所以首先將深化的BIM模式全部引入Navisworks軟件中，對各個節點實現了智能的碰撞檢測，從而減少了工程設計、結構制造過程與現場施工的沖突。然后，將建筑物、結構、機電模具等全部引入Navisworks軟件中加以檢測，從而徹底解決了管線工程和土建施工之間的沖突問題，如圖1所示。

圖1 在Navisworks軟件中碰撞檢查與優化

3.5 施工過程模擬

在工程建設過程中，未在工程進度上具有一定的仿真度，本項目工程在實際建設的過程中，還引入廣聯達BIM 5D軟件。本項目在實際開展過程中，首先利用專案軟件Microsoft Project對工程項目進行規劃，促使其中的進度得以被預算，之后在其中融合BIM信息模塊，在以三維建模為基礎，導入時間和技術數據，將原3D-BIM模式進行升級和轉換，使其成為5D-BIM模式，再將此模式引入整體工程施工過程預測中，使其對整體施工流程進行模擬，達到整體流程中運用的材料的調度載可視化技術的加持下，得以被直觀的顯現，并直觀地展示時間安排情況、施工工藝以及資源分段的投放情況等信息。同時還可以利用仿真結果將實際時間和規劃工期進行比較，以便于反復考察施工管理方式和施工安排的合理性和施工的準確性，從而加以有效的優化，避免了由于考慮不周而造成的工程進度延誤和成本增加。通過5D-BIM技術進行建筑仿真，同樣也能夠輔助建筑單位的設計人員更詳細地掌握整個裝配式工程的組裝結構與建造流程，從而提升工程實施流程效益，并完成管理者對施工進度規劃與成本的動態管控，以確保工程項目的按計劃實施。

4 結語

總而言之，根據BIM科技在預制裝配式建筑工程中的實際使用情況可知，利用BIM科技的三維建模便于對裝配型建筑物實施標準化工程設計和性能化分析，并能夠更合理地利用其所擁有的可視化優勢，從而能夠更精確直接地傳達設計意圖，從而提高拆分和深化的工程設計品質，從而降低了工程設計錯誤，減少了工程設計時間和施工周期。BIM技術運用，使得我國裝配式施工建筑物從工程設計、制造到施工的整個產業鏈條更加緊湊合理，大大提升了我國裝配式施工建筑物的工業化優勢，也有助于促進了我國建筑工業化的發展。但是，要實現BIM科技與我國裝配式施工建設在更高層方面的緊密結合，還需廣大從業者在實驗與研發過程中的努力。