BIM技術在某裝配式節能建筑設計實踐過程中的應用研究

王國霖，吳云龍，公厲智，林利欽，陳徐磊

(中建八局第一建設有限公司，山東 濟南 250100)

裝配式建筑憑借其環保、節能、施工簡便等優點在近幾年迅速發展[1-2]。國務院及各地住建委均發布了相關文件大力提倡使用裝配式建筑[3]。與傳統的現澆混凝土結構不同，裝配式混凝土在工業化技術應用、設計流程和構件形式等多方面均存在較大差異[4]。目前國內設計院針對裝配式建筑的設計方法均為參照傳統的現澆結構[5]，一般流程如下：確定結構體系和方案、結構分析、構件設計；與預制場廠家進行溝通，深化設計，確定施工方法、節點連接和構件形式等內容[6]。但這種方法對預制廠商要求較高，設計時間和流程較為冗長。裝配式設計應基于三維設計，充分考慮多專業協調和生產安裝等問題。

BIM技術的出現和應用為裝配式建筑的設計、生產和施工帶來了革命性的變化，BIM技術可以從設計、施工、運維全過程整合各種信息和數據模型，具有關聯性、一致性、完備性、協調性和可視化性等特點，可以將項目信息在不同專業和不同時間內高效的共享和傳遞[7-8]。基于BIM技術可以簡化設計流程，可以同時完成普通構件和預制構件的詳圖，然后將三維設計模型導入加工廠的控制系統，轉化成為生產數據信息，而且可以基于精細化模型進行現場結構的裝配，從而實現全方位、多角度、系統的數字化項目管理[9]。目前國內設計院主要是以使用國外軟件公司BIM解決方案為主[10-11]，比如Bentley、Revit、ArchiCAD、3DMax等，各個軟件功能側重點不同，在不同軟件之間進行數據交換較為繁瑣[12-13]，而且國外BIM軟件本地化工作良莠不齊，未深入參照中國規范[14]。PKPM軟件是中國建筑科學研究院自主研發的，針對我國規范進行深入融合的BIM設計軟件，其可供電氣、暖通、給排水、結構和建筑等全專業使用，可以實現不同專業間的協同設計和無縫銜接[15]。

BIM技術應用廣泛，如開展了BIM技術在桶式基礎結構設計與施工中的應用研究[16]；對公路交通BIM應用差異及解決方案進行了研究[17]；分析了綜合設施管理組織BIM應用合作行為系統的6種演化情形[18]；通過分析發現BIM技術有助于提高橋梁設計的效率和成本[19]；基于BIM技術對鋼筋工程量精細化計算方法進行了研究[20]。本文基于PKPM軟件，依托某裝配式辦公樓實例，研究了該BIM正向設計全過程，包括建立模型、分析計算、拆分構件、連接檢查、碰撞檢查和施工模擬等。本文基于PKPM軟件，依托某裝配式辦公樓實例，研究了該BIM正向設計全過程，包括建立模型、分析計算、拆分構件、連接檢查、碰撞檢查和施工模擬等。

1 項目簡介

某裝配式節能建筑是集餐飲、會議和辦公為一體的多功能寫字樓，共7層，地下1層、地上6層，建筑面積為9 623 m2，此辦公樓為丙級建筑，設計使用年限為50年，抗震烈度為7度、結構等級為框架3級。本建筑設計梁截面有350 mm×450 mm、350 mm×650 mm、400 mm×600 mm和400 mm×750 mm等，每層的板厚為20 cm、屋面板厚和現澆層厚12 cm、疊合板預制層厚為8.5 cm；其建筑的模型如圖1所示。

圖1 辦公樓模型Fig.1 Office building model

2 模型創建

建筑模型包括柱板梁等結構構件，各個專業間需要相互溝通，管線、設備、結構和建筑專業需進行同步設計。建筑室外各個角度和室內裝修效果圖均可以通過PKPM渲染器完成。在進行結構設計時，首先需要完成結構方案的整體計算分析，創建結構模型可通過3種方式：①導入之前的BIM模型，然后對模型進行調整；②在軟件內置的PM模塊中實時交互建模；③導入已有的PM結構模型。

本文建立的辦公樓結構模型如圖2所示，根據規范進行荷載大小的取值，基本雪壓值和風壓值分別為0.02、0.55 kN/m2，結構的地震設防烈度為0.1 g(7級)、結構阻尼比為0.05、場地特征周期為0.95 s。寫字樓的整體結構計算可參照現澆混凝土結構進行分析，在PKPM軟件中可輸入常用的控制性指標并得到配筋計算結果，可以根據計算結果調整結構模型。

圖2 結構模型Fig.2 Structural model

完成創建模型后，可指定相應的構件在SATWE中進行結構整體穩定分析和計算，計算結果可在軟件中以文本、簡圖等形式呈現。如不滿足規范要求，可反復調整參數和模型。本結構的剪重比、剛度比、位移角和位移比等結構整體控制指標計算結果如圖3所示。

(c)最大層間位移角簡圖

(d)位移比簡圖

(e)振型周期簡圖圖3 結構整體控制指標Fig.3 Overall control index of the structure

3 施工圖設計

3.1 構件拆分

本項目主要拆分為預制樓梯、疊合板、疊合梁和預制柱等，如圖4所示，建筑輕質墻板主要應用于內墻、大型砌塊主要應用于外墻體。PKPM軟件可以通過同步或復制等便捷地獲取相應標準構件。PKPM開放的參數化構件庫，可以單獨管理和存儲構件庫數據，可與其他單位或團隊相互自定義或共享構件庫。

圖4 預制構件Fig.4 Prefabricated components

3.2 深化設計

確定完拆分方案后，軟件可以導出材料和預制構件的統計清單，并得到該結構的預制率指標。然后進行裝配式結構整體計算分析設計，PKPM軟件根據之前模型預制屬性和計算結果，進行預制構件、主體構件現澆節點等尺寸標注、構件信息表達和深化設計等工作。相對比國外的BIM解決方案，PKPM深入結合國內設計和施工特點，通過較少的參數就可以完成構件的深化設計和拆分。針對已經布置好的拆分構件，可以通過BIM模型對各個構件進行預留孔洞、吊件、埋件等屬性進行補充和調整，尤其是對于在節點處需要連接的有預埋鋼材的單個構件，可對需要焊接連接處的細微形狀進行準確地檢查。此外，對于在節點處需要連接的單個預應力混凝土構件也能更方便地檢查其端頭形狀。對于需要單獨拆分的構件，利用交互式調整計算參數進行編輯，圖形的輔助定位和交互界面可以有效保證設計的靈活性。

3.3 碰撞檢查

深化設計完成后，可進行鋼筋和構件的碰撞檢查。構件的碰撞問題在本結構中尤為突出，傳統的二維設計在處理鋼筋和鋼筋之間或鋼筋和構件之間的碰撞會耗費大量的時間和精力。PKPM軟件可以在裝配式結構設計完成后進行全面的鋼筋、構件和各種管線之間的碰撞。以管線和建筑結構碰撞為例，如圖5所示，分別為預制梁箍筋和預制板外伸分布筋之間的碰撞和梁柱節點處預制柱外伸縱筋與預制梁底的碰撞。如果在設計中出現此類問題可以通過修改縱向鋼筋或箍筋的間距進行優化設計。

圖5 碰撞檢查Fig.5 Collision check

3.4 導出施工詳圖

利用PKPM軟件可以設置出圖參數，進行全套加工圖紙的繪制，主要包含結構平面圖、各種構件的工程數量表、構件鋼筋的編號與統計、鋼筋與預制構件的標注和編號等。其中樓梯的外觀圖和配筋圖如圖6所示。基于該軟件生成的二維施工詳圖，可以有效保證其與BIM模型的一致性，此外還可以對生成的二維圖紙進行編輯和修改。

圖6 樓梯加工詳圖Fig.6 Details of staircase processing

4 施工模擬

裝配式結構件筑的施工具有某些特定流程，以本建筑一層為例，其主要施工步驟為：施工基礎底板(采用鋼筋混凝土材料)→定位柱預留插筋→安裝柱斜撐→灌漿柱混凝土→安裝疊合梁→梁柱節點連接→布置疊合板支撐→安裝疊合板(預制鋼筋混凝土)。施工模擬中關鍵節點除了采用現場澆筑混凝土進行連接外，還可以采用節點處對接材料的預制鋼材進行焊接連接的方式。利用BIM技術可以將數字文件和施工計劃導入至AUTODESK平臺的Navisworks軟件中進行三維施工動畫的制作，具體如圖7所示。

圖7 三維施工動畫模擬Fig.7 Three-dimensional construction animation simulation

5 結語

本文依托某裝配式節能寫字樓，利用PKPM軟件對該裝配式鋼筋混凝土框架結構的全過程進行了BIM正向設計，主要包括建筑模型的創建、結構模型的創建、結構模型整體計算、構件拆分、深化設計、碰撞檢查、導出施工詳圖、模擬施工動畫的全過程，從設計過程中來看，相比于國外BIM解決方案，PKPM針對我國的設計規范和設計標準做了深入適配和針對性研究，可以有效實現設備機電、結構和建筑等各個專業的協同設計，并可以無縫鏈接現有工具。PKPM可以有效改變傳統的二維設計模式、改進各專業和各板塊間的信息交流和反饋，從而實現裝配式建筑全生命周期的可視化，工程應用前景良好。