基于BIM 的裝配式建筑深化設(shè)計與應(yīng)用分析

吳京戎，陳 菁

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068；2.湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，武漢 430068）

隨著建筑市場的日益完善、人力市場的調(diào)整，裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑模式的區(qū)別日趨增大，其設(shè)計方面的因素不僅包括工地，還涉及到工廠化設(shè)計。正是這許多相關(guān)因素的存在，使得如何有效解決在裝配式建筑設(shè)計流程中工作效率低等問題成為研究的一個重點。

近年來，許多專家學(xué)者進行了大量研究，如段羽等[1]在裝配式建筑中挖掘BIM 技術(shù)的應(yīng)用價值，歸納了不同專業(yè)與不同建造過程的BIM 協(xié)同設(shè)計在裝配式建筑中的應(yīng)用流程，從本質(zhì)上分析了裝配式建筑“設(shè)計—加工—裝配”過程的BIM 協(xié)同應(yīng)用問題及對策；吳金虎等[2]從設(shè)計、生產(chǎn)、施工及建設(shè)四大工程建設(shè)主體單位的角度展開論述，從裝配整體式混凝土在建筑設(shè)計階段所產(chǎn)生的BIM 技術(shù)相關(guān)問題展開研究，提出了BIM 技術(shù)在設(shè)計階段的應(yīng)用流程與核心應(yīng)用點，然后通過具體裝配式項目展示了部分核心應(yīng)用點的具體應(yīng)用及其價值；縱斌[3]認(rèn)為除了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中對設(shè)計細則的要求不夠完善，施工單位實踐經(jīng)驗不足、預(yù)制構(gòu)件加工精度欠缺等原因外，設(shè)計和深化設(shè)計是否合理也會造成非常重要的影響。王正凱[4]圍繞解決裝配式建筑構(gòu)件深化，結(jié)合BIM-PKPM 平臺對于裝配式PC構(gòu)件的分析，提出了疊合板和預(yù)制墻的自動配筋的設(shè)計方案，完成了BIM-PKPM 平臺裝配式PC 構(gòu)件的工況驗算流程及深化設(shè)計的數(shù)據(jù)研究。于超[5]以預(yù)制裝配式住宅為研究對象，在其設(shè)計和施工過程中引入BIM技術(shù)，通過探討B(tài)IM 在預(yù)制裝配式住宅設(shè)計施工全流程中的應(yīng)用，結(jié)合具體實例揭示了其為建筑行業(yè)帶來的數(shù)字化設(shè)計思維。任志平等[6]通過對裝配式疊合梁及疊合板進行了深化設(shè)計，縮短了工期，確保了施工質(zhì)量。張賽[7]依據(jù)裝配式結(jié)構(gòu)體系選型及不同結(jié)構(gòu)進行了科學(xué)拆分，在利用BIM 技術(shù)的模型計算和優(yōu)化設(shè)計對其結(jié)構(gòu)進行參數(shù)復(fù)核，確保結(jié)構(gòu)滿足現(xiàn)行裝配式建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范，總結(jié)裝配式建筑各個部分的設(shè)計要點和具體的操作流程。總之，眾多學(xué)者從不同維度對裝配式建筑做了相關(guān)的探討與研究，目前針對裝配式建筑深化設(shè)計中流程的優(yōu)化操作研究較少。隨著對裝配式建筑研究的逐漸深入，使得深化設(shè)計有了更多的解決方案。

文章結(jié)合實際項目工程，從優(yōu)化設(shè)計角度在技術(shù)層面上提出裝配式建筑深化流程。結(jié)合BIM 技術(shù)在工程中的相關(guān)應(yīng)用，通過初步的二維圖紙信息及工程數(shù)據(jù)的有效利用，在BIM 綜合系統(tǒng)上實施動態(tài)模擬，將碰撞模型后的結(jié)果進行比對分析，調(diào)整初步設(shè)計的協(xié)調(diào)性，提高設(shè)計的精準(zhǔn)度，從而達到建筑深化設(shè)計準(zhǔn)確指導(dǎo)后續(xù)項目工作的目的。

1 BIM 技術(shù)的應(yīng)用

1.1 總體流程

根據(jù)設(shè)計圖紙創(chuàng)建BIM 模型，以解決設(shè)計問題。待所有設(shè)計問題解決后創(chuàng)建BIM 模型，利用BIM 過程模型的數(shù)據(jù)信息功能和可視化顯示，與制造和施工人員討論具體項目前期工作的實施并完成最終模型。

基于專業(yè)的BIM 相關(guān)軟件，可以按圖1 所示的程序執(zhí)行驗證和解決沖突。在所有部件和相關(guān)隱藏位置發(fā)生沖突之后，必須對業(yè)務(wù)沖突執(zhí)行控制及糾正，整合專業(yè)模型形成完整的BIM 模型。調(diào)查和處理校際碰撞的同時，BIM 三維模型在建設(shè)過程中，專家可以有效地找到設(shè)計中的不合理。例如，結(jié)構(gòu)防火門方向不正確，子結(jié)構(gòu)高于上柱部分，次梁部分大于主梁部分。

圖1 設(shè)計流程圖

1.2 深化階段裝配式構(gòu)件設(shè)計

1）預(yù)制建筑結(jié)構(gòu)的部件在本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中是分開的，主要類型的結(jié)構(gòu)分為垂直剪力墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和垂直承重砌體結(jié)構(gòu)。對于組裝的墻壁和樓板，必須加深墻壁以完成房間之間的連接。關(guān)于部件組裝分區(qū)，BIM 技術(shù)可以通過創(chuàng)建部件系列庫項目來補充部件分區(qū)和詳細的結(jié)構(gòu)管理。創(chuàng)建部件的“族”，部件由BIM 軟件參數(shù)化，并且不兼容的部件要及時調(diào)整。BIM 軟件通過裝配來組裝模型的“族”，以便檢測部件之間的碰撞。

2）深化設(shè)計的部件主要依賴于建筑物前期結(jié)構(gòu)的劃分結(jié)果，例如，部件尺寸的優(yōu)化，信息優(yōu)化的控制等，工作量很大，有必要加強部件不同方面之間的碰撞等。在這個階段，建筑部件的優(yōu)化設(shè)計可以實現(xiàn)部件相應(yīng)程度的增強，由于建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量薄部件，BIM 技術(shù)結(jié)合了精細部件，減少了傳統(tǒng)的手動識別并優(yōu)化了某些操作錯誤。

3）裝配式建筑的碰撞檢測通常運用BIM 技術(shù)進行裝配式建筑設(shè)計成果的碰撞檢測，主要可以通過如下2 部分構(gòu)成。

第一部分主要是檢查部件設(shè)計中是否存在碰撞問題。例如，當(dāng)將絕緣板組裝到模板的中心部分，連接套管和剪力墻絕緣系統(tǒng)，凹槽和其他連接壁、柱、梁和層壓板時如何檢測部件，檢測過程中是否存在碰撞問題，部件之間的管道連接是否存在任何不一致，以及制造的建筑物外部裝飾部件的密封是否符合要求和規(guī)格。

第二部分制造部件的隱藏部分，例如在連接的拉桿和整體部件之間的碰撞問題及加強桿和整體部件之間的問題的情況下，需要調(diào)整水平桿與垂直桿之間的碰撞，并根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整桿和元件的整體部分的確認(rèn)配置。使用BIM 技術(shù)構(gòu)建的模型可用于改進設(shè)計和檢查，最終建筑設(shè)計模型可直接從碰撞測試模型中導(dǎo)出。最終設(shè)計結(jié)果包括部件詳細信息尺寸、集成部件位置、工程材料清單和3D 圖紙等。

2 BIM 技術(shù)在工程的應(yīng)用

2.1 工程概況

該工程位于武漢東西湖區(qū)，是武漢市第一個裝配式商品樓盤，項目占地4 hm2，總建筑面積126 700.3 m2，商業(yè)6 921 m2，住宅89 381.3 m2；地下室采用雙層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，住宅4 棟（其中15 號樓地上27 層，16、19 號樓地上32 層，17 號樓地上33 層）。

2.2 BIM 技術(shù)分析實際問題

通過應(yīng)用BIM 組裝預(yù)制外墻板，發(fā)現(xiàn)干掛接頭連接器與梯柱碰撞。若設(shè)計階段沒有提前找到解決該碰撞問題的方案，則現(xiàn)場吊裝時應(yīng)該采取鉆孔、固定肋條、約束和模具支撐等措施，對梯柱需重新植筋、綁扎、支模和澆筑混凝土。這些二次加工不僅會增加工程成本，還會影響項目的質(zhì)量和美觀。

得益于BIM 技術(shù)，在設(shè)計階段提前闡明了管道碰撞問題，優(yōu)化了管道配置，無須返工，縮短工期。在懸架面板底部遇到的問題中，外掛墻板下部干掛節(jié)點的整體垂直位置是錯誤的。若在設(shè)計階段未發(fā)現(xiàn)，按錯誤深化圖紙進行加工生產(chǎn)，則施工時所有墻板均無法正常安裝。對于部件制造項目，預(yù)制梁的肋條和預(yù)制板坯的底部被拉伸，這些問題不能在設(shè)計階段發(fā)生，會造成直接的經(jīng)濟損失。

2.3 碰撞綜合優(yōu)化

進行土建專業(yè)的碰撞檢測時利用BIM 專業(yè)軟件，對比發(fā)現(xiàn)圖紙中是否存在穿梁或柱豎向標(biāo)高雜亂無章現(xiàn)象。一旦發(fā)現(xiàn)問題，凈高要求必須重新編排，同時對柱標(biāo)高進行二次優(yōu)化調(diào)整，使其避開與梁及墻體的碰撞；將柱底標(biāo)高設(shè)置于同一水平面上，方便將來的管道施工，同時達到降低費用和增加美感的目的（圖2）。

圖2 土建部分沖突報告

3 裝配式結(jié)構(gòu)整體設(shè)計

在整個設(shè)計過程中，BIM 深化設(shè)計作為結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個組成部分，對于項目的整體完成非常重要。由于原始結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計過程中出現(xiàn)的各種預(yù)制件出錯及精度問題，很難滿足現(xiàn)代制造結(jié)構(gòu)的工業(yè)化生產(chǎn)需求。因此，科學(xué)地轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，分解使用BIM 技術(shù)制造的部件及組合操作可以有效地減少不規(guī)則組件類型和規(guī)格，促進裝配式建筑的自動化。

在預(yù)制施工過程中，BIM 技術(shù)自動化的應(yīng)用點主要有以下幾個方面：①BIM 技術(shù)優(yōu)勢；②BIM 組合工藝基礎(chǔ)技術(shù)流程；③裝配式建筑管理流程；④BIM 技術(shù)應(yīng)該解決這個問題。此外，分解制造工藝過程中，BIM 技術(shù)包括3 個主要階段。第一階段理論建模，主要包括繪圖建模階段，第二階段是結(jié)合3D 技術(shù)的實際建模階段以確定實際和理論之間的差異，并進行調(diào)整。 第三是模擬安裝階段，進行預(yù)制建筑物的安裝工作，以便進一步開展工作。

4 在深化階段應(yīng)解決裝配式建筑的問題

4.1 現(xiàn)實情況和模型情況不一致

由于土建過程中的各種因素，理論模型與實際建筑的差異經(jīng)常導(dǎo)致現(xiàn)場的實際情況不能與模型一致。三維可視化可以反映模型中的實際情況，使現(xiàn)場的實際施工條件都反映在模型中（圖3—4）[8-10]。

圖3 BIM 模型圖

圖4 構(gòu)件單件圖

4.2 管線設(shè)計的問題

在傳統(tǒng)管線設(shè)計過程中，專家單獨設(shè)計各個部件及專業(yè)性的管線設(shè)計并進行完整測試及優(yōu)化。使用BIM 技術(shù)深化設(shè)計，包括深化建筑圖紙和機電工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分[11]。通過三維剖面、模型演示與業(yè)主進行溝通，有效地改進建筑圖紙，以進一步提高效率。這得益于BIM 技術(shù)的三維可視化功能，可以從中合理分配維護空間，并可以更好地解決后續(xù)維護的空間問題，同時檢查管線的碰撞情況，如圖5 所示。

圖5 管線可視化碰撞檢查

4.3 預(yù)留洞口等問題

在施工之前預(yù)留二次砌體墻管線洞口。根據(jù)施工圖中各個管道的位置，水管穿過墻壁，用于顯示電氣管道的位置，如圖6 所示。

圖6 局部電氣管道布置圖

利用BIM 可視化技術(shù)，查看下一個預(yù)留孔用于二次砌體中會產(chǎn)生什么問題。同時，根據(jù)BIM 模型中孔的位置，由設(shè)計單位在設(shè)備區(qū)墻上發(fā)布孔圖案并創(chuàng)建背景。另外，根據(jù)預(yù)留孔的圖，計算墻面覆蓋物的數(shù)量和尺寸，對墻面覆蓋物進行預(yù)處理，并且墻面覆蓋物位于相應(yīng)的位置以完成預(yù)留涂層的建立。

5 結(jié)束語

在裝配式建筑工程的設(shè)計階段中，應(yīng)用BIM 技術(shù)進行深化設(shè)計，及時發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化工作效率，提高裝配式建筑管理的工作品質(zhì)，從而達到降低預(yù)制構(gòu)件返工率、縮減工期與成本、提升工程品質(zhì)的目的。以預(yù)制裝配式住宅為研究對象，在其設(shè)計和施工過程中引入BIM 技術(shù)，通過結(jié)合實例探討B(tài)IM 技術(shù)在預(yù)制裝配式住宅深化設(shè)計整個流程中的應(yīng)用，其為建筑行業(yè)帶來更加規(guī)范化、智能化的技術(shù)規(guī)程，為實現(xiàn)綠色建筑的發(fā)展提供更好的鋪墊。