BIM技術(shù)在裝配式建筑初步設計中的應用

李怡憬

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

BIM技術(shù)是目前在建筑學、工程學及土木工程最有價值的管理工具之一，現(xiàn)已在建筑工程中得到了廣泛的應用，技術(shù)手段相對成熟。BIM技術(shù)的出現(xiàn)也是建筑行業(yè)發(fā)展的巨大改革，是信息化建筑、綠色環(huán)保施工、科學穩(wěn)定設計等理念的有效表現(xiàn)，在工作流程和表現(xiàn)方式方面都得到了質(zhì)的改變。同時，工業(yè)化是建筑行業(yè)實現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展等目標的必然途徑。隨著“雙碳”目標的提出，裝配式建筑成為了建筑工業(yè)化發(fā)展的中堅力量。但裝配式建筑通常規(guī)模比較大、涉及構(gòu)件種類多且結(jié)構(gòu)復雜，這無形中增大了裝配式建筑設計、施工及管理等方面的難度及壓力。通過BIM技術(shù)的合理運用，可以實現(xiàn)全自動協(xié)作管理、專業(yè)化同步設計、全建筑信息整合和全工程工期管控的目的，并且可以實現(xiàn)裝配式工程各施工流程管理的智能技術(shù)支持。鑒于此，文章結(jié)合實例針對BIM技術(shù)在裝配式建筑設計階段中的應用展開研究，對推動建筑行業(yè)實現(xiàn)工業(yè)化、信息化發(fā)展有著良好的現(xiàn)實意義。

1 BIM技術(shù)在裝配式建筑初步設計階段的應用優(yōu)勢

1.1 實現(xiàn)建筑構(gòu)件標準化

在裝配式預制構(gòu)件工廠生產(chǎn)過程中，要保證所有構(gòu)件模數(shù)化和標準化的基本原則，實現(xiàn)建筑、部品、構(gòu)件的統(tǒng)一化標準。只有規(guī)范化的建筑構(gòu)件建模設計，才是確保預制構(gòu)件在施工現(xiàn)場精準裝配的必要條件。采用BIM技術(shù)設計模型，可以實現(xiàn)建筑構(gòu)件的形狀、管線、位置、裝配等元素的三維空間展示，并可以進行信息標注。相比傳統(tǒng)二維建筑設計手段，BIM三維建模更加全面、準確和直觀。另外，BIM技術(shù)應用到裝配式建筑設計階段中，可以實現(xiàn)建筑模型的信息化管理，工廠制造預制構(gòu)件參數(shù)和外形特征之間的聯(lián)系可以有效體現(xiàn)，預制構(gòu)件同時保存幾何和非幾何信息，并按照各建筑特征之間的關(guān)系構(gòu)成組織關(guān)系。

1.2 實現(xiàn)模型節(jié)點的精細化設計

BIM技術(shù)應用于裝配式建筑中，可以實現(xiàn)設計圖紙和建筑模型的同步修改，避免人工修改易造成的遺漏和誤差問題出現(xiàn)。相比傳統(tǒng)裝配式建筑設計手段，BIM技術(shù)的三維設計手段可以直觀了解建筑工程的全部信息，實現(xiàn)便捷影像、便捷坡面圖設計等操作，實現(xiàn)各設計流程模型階段的精細化管理。另外，BIM技術(shù)應用建筑模型設計時，源自統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的模型、視圖、列表能實現(xiàn)相互聯(lián)動，提升設計人員的工作效率和工作質(zhì)量，并大大增加了后續(xù)校對人員的審核效率。

1.3 實現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同化設計

BIM技術(shù)的有效運用，能實現(xiàn)裝配式建筑各專業(yè)的協(xié)同化設計，以三維制圖手段進行的多專業(yè)、多維度建筑模型設計，其可以直觀且多面的展示裝配式構(gòu)件之間的關(guān)系，對專業(yè)交圈暴露問題也可以完美規(guī)避，并利用模擬軟件實現(xiàn)BIM模型的分析、優(yōu)化。在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設計方面，扁平化和離散化是傳統(tǒng)二維設計手段難以解決的劣勢，對建筑各預構(gòu)件信息的表述和傳達不夠準確，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的重復表述，不夠細致，不能對后續(xù)建筑圖形的設計提供強有力的數(shù)據(jù)支持。而BIM技術(shù)的出現(xiàn)正是解決上述問題的手段，可以創(chuàng)建完善且多樣的數(shù)據(jù)信息庫，實時存儲設計階段的各流程、各模型、各構(gòu)件之間的信息，并且設計人員在實際工作時隨時調(diào)取。

2 工程概況

某建設項目一共6棟多層建筑，建筑高度為15.72 m，建筑框架結(jié)構(gòu)采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)，抗震要求二級以上；結(jié)構(gòu)柱采用鋼管加內(nèi)灌混凝土組合柱，鋼管要求強度達到Q345B標準，混凝土使用C40混凝土；結(jié)構(gòu)梁采用高頻焊接窄翼緣H型鋼梁，鋼梁強度達到Q345B標準。如表1所示，為該建筑工程結(jié)構(gòu)設計參數(shù)表。

表1 建筑工程結(jié)構(gòu)設計參數(shù)表

2.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系設計

2.1.1 純鋼框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)通常僅由梁柱構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢是可以在建筑結(jié)構(gòu)空間上實現(xiàn)靈活布置，施工相對簡單，并可以最大程度地優(yōu)化建筑使用面積，針對建筑的使用特點，純鋼框架結(jié)構(gòu)體系可以滿足。純鋼框架結(jié)構(gòu)體系在實際應用中，可實現(xiàn)對建筑空間的合理化布置，并可最大化地提高房間空間的使用空間及凈空率。

2.1.2 鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系

鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系也是一種多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中常用的結(jié)構(gòu)形式，其是以鋼框架結(jié)構(gòu)為基礎，在部分框架柱之間布置支撐來提高整個建筑工程的承載能力及側(cè)向載荷。由于鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系柱、梁之間可以設計較大距離，同樣具有最大程度的優(yōu)化建筑使用面積特點。但相比純鋼框架體系，承載抗剪切側(cè)彎能力非常有限，并且鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系對有特殊要求的建筑物不能滿足，比如，建筑物需要良好的光照要求和室內(nèi)保溫要求，所以該建筑結(jié)構(gòu)體系并不滿足實際使用需求。

2.2 基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)建筑設計

該鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑設計基本流程為：模塊設計→預構(gòu)件裝配→統(tǒng)計工作量→輸出施工圖，設計人員需要圍繞該流程進行細致化的優(yōu)化和修改。

基于BIM技術(shù)的基礎上，建筑模塊設計和修改的便捷性將會有很大提升，數(shù)據(jù)的信息整合、運算和圖紙的調(diào)整更加方便，對設計人員的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑方案工作也有很大推進作用。在設計人員進行建筑模塊設計時，首先要指定完善的模塊族建模優(yōu)化設計方案，其中包括模塊族的實際運用手段，然后利用設計模塊和模塊組合來構(gòu)建建筑的平面樓層，通過建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息表可知建筑中各平面樓層建筑面積信息和建筑結(jié)構(gòu)大致運算指標情況。根據(jù)建筑相關(guān)要求和利用BIM技術(shù)設計出的建筑模型信息進行數(shù)據(jù)核對，可以獲得一個科學、穩(wěn)定的建筑結(jié)構(gòu)。另外，為滿足建筑，后續(xù)使用期間的多樣化發(fā)展需要，設計人員要在建筑室內(nèi)結(jié)構(gòu)中加入一些實用性的建筑構(gòu)件。關(guān)于室內(nèi)設計的整體布局，要將建筑綜合功能分區(qū)作為重點規(guī)劃方向，這樣才能讓施工單位和建筑負責人直觀的了解全部建筑空間功能結(jié)構(gòu)和分區(qū)布置情況，以此提升建筑工程的質(zhì)量和裝配式建筑經(jīng)驗的積累。

通過利用BIM技術(shù)中的Revit建模工具，使用“階段”建模功能，將建筑的室內(nèi)構(gòu)件分成多個功能階段進行數(shù)據(jù)整合，并對其進行分析研究，為后續(xù)的建筑工程應用效果演示做好基礎保障。然后通過模塊功能中建筑構(gòu)件組合參數(shù)來設計室內(nèi)的每個房間戶型結(jié)構(gòu)，規(guī)劃建筑內(nèi)外房間的門窗，規(guī)劃室內(nèi)學習桌椅位置、模塊名稱、房間名稱等信息進行有效標注，然后進行建筑內(nèi)各種燈具、開關(guān)、插座等電力設施的布局設計。

該項目的建筑布局采用裝配式純鋼框架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)鋼梁和鋼柱要采用混凝土柱座灌入固定，通過BIM計算可知，選用鋼材強度需達Q345B，固定螺栓使用強度8.8及以上摩擦型螺栓。

2.3 基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)的模塊庫建立

BIM技術(shù)的出現(xiàn)完全滿足現(xiàn)今建筑行業(yè)的發(fā)展需要，建筑企業(yè)將BIM建模、信息化管理等技術(shù)應用到預制裝配式建筑設計階段中，在完成建筑結(jié)構(gòu)標準化設計工作后，還需要相關(guān)人員創(chuàng)建相應的裝配式建筑戶型庫和裝配式建筑構(gòu)件模塊庫。通過標準化系統(tǒng)的有效設計，可以實現(xiàn)各裝配式建筑結(jié)構(gòu)戶型庫和建筑構(gòu)件生產(chǎn)制造的規(guī)范化管理，使之建筑構(gòu)件設計、構(gòu)件生產(chǎn)、施工裝配等環(huán)節(jié)都可以起到提升工作效率和質(zhì)量的作用。

另外，該建筑工程支撐結(jié)構(gòu)以鋼框架體系為主，具有建筑構(gòu)件數(shù)量多、規(guī)格大、種類多、質(zhì)量重等特點，所以運輸和安裝的難度系數(shù)大大增強，除對運輸設備和安裝設備要求高，也需要專業(yè)的施工人員進行作業(yè)。在建筑構(gòu)件實際安裝過程中，需要BIM技術(shù)虛擬確定建筑構(gòu)件的重心位置，并設計完善的各建筑構(gòu)件連接手段和裝配圖紙。該建筑構(gòu)件柱有三種類型，根據(jù)梁柱座節(jié)點間接的開孔方向分為“L”型、“T”型和“十”字型。梁柱BIM設計模型圖如圖1所示。

圖1 基于 BIM 技術(shù)的梁柱設計模型圖

2.4 基于BIM技術(shù)鋼結(jié)構(gòu)的碰撞檢查分析

裝配式建筑初步設計階段的主要目的除了保證設計的建筑構(gòu)件為后期工廠加工制造有一定的準確性，其主要任務還是為了保障每個生產(chǎn)的建筑構(gòu)件運輸?shù)浇ㄖ龅睾罂梢赃M行精準的安裝，避免建筑構(gòu)件出現(xiàn)誤差、遺漏和碰撞等問題。在鋼結(jié)構(gòu)建筑工程中，需要工廠制造大量規(guī)格大且多樣的預制構(gòu)件，傳統(tǒng)依賴吊裝機械設備進行人工校對構(gòu)件和構(gòu)件檢查核驗工作，不僅浪費大量人力、物力、時間，還會因為人工操作失誤造成構(gòu)件碰撞，甚至是出現(xiàn)安全事故。而BIM技術(shù)的出現(xiàn)解決了這些弊端問題的發(fā)生，該技術(shù)通過計算機軟件就可以精準地對建筑構(gòu)件進行模擬校對和檢驗，避免了施工現(xiàn)場構(gòu)件安裝過程中可能產(chǎn)生的沖突問題。

該項目中，對于建筑構(gòu)件碰撞問題的校對和檢驗，是利用BIM技術(shù)計算機軟件中的“碰撞信息校核器”工具來進行建筑構(gòu)件間的模擬碰撞檢測。其在計算機軟件上可以預先設置建筑構(gòu)件的檢測條件，待檢測建筑構(gòu)件碰撞完畢后，會自動分析出檢測結(jié)果，可以實時掌握建筑構(gòu)件模型安裝過程中可能出現(xiàn)的施工問題，如碰撞構(gòu)件數(shù)量、部位、材質(zhì)等信息參數(shù)，并且在模擬碰撞部分會進行自動特別顯示，方便技術(shù)人員的后續(xù)檢查修改。管線碰撞渲染圖見圖2所示。

圖2 碰撞檢測渲染圖（管道與風管碰撞）

2.5 預制構(gòu)件清單設計

預制構(gòu)件清單可以為鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠商生產(chǎn)構(gòu)件提供依據(jù)。裝配式鋼結(jié)構(gòu)項目施工所需構(gòu)件不僅種類多，而且數(shù)量大，因此，構(gòu)件清單制作工作繁瑣，易出現(xiàn)錯誤或遺漏等。為解決此次問題，該項目中應用Revit軟件跟設計要求及工程量清單整理匯總鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件清單，并可以根據(jù)實際需要實時生成2D圖紙，且在圖紙中標明了構(gòu)件的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)、材質(zhì)信息及安裝措施等，以此確保構(gòu)件生產(chǎn)及安裝的精度。

3 結(jié)語

綜上所述，BIM技術(shù)在我國的發(fā)展已經(jīng)相對成熟，廣泛應用于各種結(jié)構(gòu)的建筑工程中，社會各界對其重視程度也在大大提高。想要把BIM技術(shù)在裝配式建筑設計階段產(chǎn)生最大化的助力，需要不斷對其進行升級和優(yōu)化，硬件、軟件系統(tǒng)都要跟上科技發(fā)展的腳步。另外，強大的技術(shù)手段也需要專業(yè)的技術(shù)人員作為基礎支持，相關(guān)企業(yè)要注重專業(yè)人才的培養(yǎng)和完善相關(guān)考核制度，讓BIM技術(shù)的應用變?yōu)槠髽I(yè)發(fā)展的核心任務之一。在將來，伴隨著BIM技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展和人們對于建筑的多樣需求，建筑企業(yè)為符合建筑行業(yè)市場需求，必然會不斷推動建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。