BIM 技術在裝配式建筑設計和施工中的應用

畢于強，張 強

（上海砼森建筑規劃設計有限公司山東分公司，山東 淄博 255030）

由于傳統預制構件所采用的原材料多為單件小批量生產，這就使得其生產效率低且勞動力不足，同時因為裝配式施工具有高效性與節能化等優點而備受青睞。建筑信息模型（BIM）是未來信息建筑發展趨勢的一個新方向，在建筑工程領域，BIM 技術也將成為建筑工程領域今后發展的一個趨勢。在裝配式建筑中，設計師能夠根據施工現場的實際情況，對建筑項目進行合理的規劃，并通過三維建模軟件建立工程模型。同時還能利用CAD/CAM 等計算機輔助設計工具來實現構件之間、結構和設備間以及各專業之間協同工作能力及信息共享與協調控制功能；裝配式建筑相比于傳統建筑的形式，具有施工周期短、環境污染小、標準化程度高等優點，是未來建筑行業的發展方向。

1 BIM 技術與裝配式建筑的定義和特征

1.1 BIM 技術基本理論

第一，利用數字信息技術構建一個完整而又精確高效且易于維護的信息平臺：將BIM 技術應用到傳統二維平面設計和三維立體模型制作，可通過對構件數據進行計算生成三維空間圖形；第二，利用數字信息模型對構件進行三維實體建模，可將裝配式建筑的各個過程模擬成一個完整而又精確的虛擬空間，并通過BIM 技術實現動態、靜態碰撞仿真；第三，利用數字信息模型進行可視化的建模：在裝配式建筑中，構件之間通過二維空間數據相互連接，并可以對其結構特征和施工過程模擬出真實、精確的三維實體，幾何形狀通過這種虛擬的空間實體的建立，可對裝配式建筑進行全方面、多層次設計，并最終實現三維幾何造型[1]。

1.2 裝配式建筑的定義和特征

裝配式建筑是指把部分傳統建造方式下的現場作業轉移到工廠進行加工制作，再將工廠加工制作好的建筑構件和配件（如樓板、墻板、樓梯、陽臺等）運輸到施工現場，通過可靠的連接方式進行裝配安裝后形成的建筑。裝配式建筑主要有以下幾個特征：（1）建筑構件預制。在工廠或制造基地內，技術人員會根據委托方提供的設計圖紙使用混凝土等材料預制建筑構件，如預制墻板、預制梁、預制柱、預制樓板等。這些建筑構件在制造時必須經過嚴密計算和質量控制，以確保其尺寸標準、質量好、性能穩定。（2）標準化和模塊化。裝配式建筑強調標準化和模塊化設計，提倡將尺寸規格相同的建筑構件交付工廠統一制備。如此一來，同類裝配式建筑就可以共用同一批預制構件，進而提高生產效率，降低施工成本。（3）支持現場組裝。預制構件制造完成就可以直接運送到施工現場，由施工人員根據設計圖紙進行組裝，最終形成完整的建筑結構。與傳統建造模式相比，現場組裝預制構件的施工周期明顯縮短，施工成本相對更低。（4）便于質量控制。承接預制構件制造的工廠有高度自動化的生產設備和成熟且嚴格的質量檢驗流程。因此，在工廠標準化生產環境下制造出的預制構件存在質量問題的概率較低。（5）適用范圍更廣。裝配式建筑不僅適用于住宅建筑，還適用于商業建筑、公共設施、橋梁以及基礎設施等領域[2]。

2 裝配式建筑施工現狀

2.1 管理體系不健全

許多建筑公司缺乏適合他們的管理體系，缺乏專業的管理團隊。這導致他們無法充分評估項目的實際情況，并且缺乏對一些關鍵技術指標的充分掌握。此外，由于缺乏專門的技術人才，施工過程也缺乏監督。由于缺乏良好的人才招聘機會，加上缺乏有效的績效考核機制，使得項目管理出現了嚴重的紊亂，施工條件也極其糟糕。此外，一些建筑公司為了獲取更多的利潤，采取了多種措施，但是這些措施都未能達到預期的效果，使得管理混亂，結構失衡，缺乏針對性的政策制定，加上負擔沉重的任務，使得工程項目的管理和質量受到嚴重影響。

2.2 建筑工地管理意識薄弱

隨著經濟的發展，我國的建筑工程項目越來越多，施工環節也變得越來越復雜。為了保證工程的順利完成，各部門必須加強協作，提高施工質量。然而，有些地方的施工人員缺乏良好的現場管理意識，導致他們無法有效地掌握施工的每一步驟，從而限制了施工的效率。一些管理人員缺乏安全責任感，當發生問題時，他們也無法迅速采取行動，還導致責任被推卸，嚴重阻礙了建筑項目的實施進度與效率[3]。

2.3 構件方面存在的質量問題

首先是在裝配式建筑設計與生產環節中所產生的質量問題，我國目前裝配式構件無論是在設計還是生產等工作環節中，仍舊處在初級的起步階段中，并沒有充分結合項目的實際開展情況來發布預制構件設計生產以及質量檢測的基本規則。在這種情況下進行設計時，各大專業之間很難實現高效的協同配合，這樣就會導致構件在設計尺寸以及各大點位方面的設計缺少合理性，同時，生產人員與設計人員之間也并沒有進行高效的溝通交流，這樣就會導致構件產生設計不夠合理，或是成品與設計內容之間存在較大差異等問題，在后續針對構件進行拼裝時，也很可能由于縫隙比較大出現折斷等情況，這就需要針對構件進行返廠或是報廢處理，進一步提升了建設成本方面產生的消耗，并且還會引發較為嚴重的質量安全問題出現；其次則是運輸現場材料堆放所產生的質量問題，裝配式建筑當中的各類預制構件，其具備著數量比較大以及薄厚程度不同等多種特征，通常情況下都會在構件生產廠商進行集中化生產過后，將這部分構件運送到各大施工現場當中，不僅運輸的路程比較遠，涉及的運輸環境也比較復雜。而在實際構件運輸階段中，各類構件的擺放與固定情況不夠規范，這樣就會導致構件之間產生互相碰撞等情況，容易引發構件斷裂或是部位脫落等問題出現，這些都會對整體工程質量產生較為嚴重的影響。

3 BIM 技術在裝配式建筑設計和施工中的應用優化

3.1 準備工作

第一，Revit 軟件中包含了大量的建筑類型、尺寸、形態等參數變量信息，因此，在利用BIM 技術進行裝配式建筑施工作業期間，需要對各不同構件的參數信息進行調整，對于同一種類的構件則可通過修改參數的方式減少工作量，提高作業速度。第二，為盡量降低構件在搬運、二次吊裝等工程中出現的額外成本，相關技術人員需嚴格依據預定施工規范及標準，制定精確的數據族庫。第三，數據族庫的建立，可幫助各施工主體開展合理的溝通交流，其中，主要可分為裝配式裝修構件標準族庫、預制構件標準族庫兩類，因此，數據族庫需要嚴格參照具體的構件施工性能、類別、使用模式及建筑結構體系進行合理分類。創建標準化族庫的優勢在于可隨時進行資料調用、調整建模，節約了重新構圖的時間。

3.2 BIM 模型建立與圖紙繪制

采用BIM 技術對裝配式建筑的三維可視化信息模型加以構建，生成裝配式建筑的三維獨立空間設計方案，并在BIM 專業軟件平臺中予以可視化展示。設計人員可輸入與調整三維信息化模型的相關參數，實現對裝配式建筑BIM 模型的快速更新與自動渲染。若是設計人員未對裝配式建筑BIM 模型的相關參數進行重設，則采用構件庫的默認值并自動生成三維設計方案。相較于傳統的二維平面圖紙，BIM 三維信息化模型的立體感與可視化程度更加直觀，同時其對裝配式建筑構件的細節表達、全局特征、空間關系等的刻畫也更為全面。對空間狹小區域豎向凈高盡可能地在早期進行干預與分析，提高住戶的體驗與設計的質量，再通過基于BIM 技術的機電管線進行管線綜合優化項目管綜布局、滿足凈高要求。對空間在早期提前進行規劃與干預，輔助機電工程師有效率地進行管線的排布。設計人員可以點擊BIM 三維信息化模型查詢到裝配式建筑具體構件的規格尺寸、功能特性、用途、材料等屬性數據。對于現代建筑設計中常用的CAD 軟件，BIM 專業軟件平臺也有著較好的兼容性與連接性，可以將CAD軟件設計好的二維矢量化圖紙直接導入到BIM 專業軟件中，并根據設計需要動態變更裝配式建筑的設計圖紙，進一步提高了BIM 技術在裝配式建筑設計應用中的整體性[4]。

3.3 裝配式建筑結構設計

裝配式建筑結構設計是BIM 技術在裝配式建筑設計中的最重要的應用。由于裝配式建筑是由若干個構件按照一定空間布局與空間關系有機組合，BIM 技術可以為構件的標準化、規范化設計提供良好的技術支撐。針對裝配式建筑的各個構件，可在BIM 專業軟件平臺中自定義構件族庫，形成裝配式建筑構件的數據庫，作為裝配式建筑的基礎。在設計具體的裝配式建筑時，從構件族庫中快速、直接調用相關標準構件，并根據設計需要對構件的規格參數、功能特性等進行調整。通過若干個構件BIM 模型的空間嵌套與組合，生成各種類別與特性的裝配式建筑三維立體可視化信息模型，以標準構件的調用與參數調整提高裝配式建筑的設計效率，促進裝配式建筑設計的標準化與數模化，簡化裝配式建筑設計流程，減少裝配式建筑設計工作量。

3.4 提高構件庫存、運輸和現場管理

BIM 技術在裝配式建筑的應用，可以提高現場施工的水平，優化運輸流程和施工工藝。預制構件生產后的運輸和施工需要進行分類管理。BIM 技術可在施工前對構件的運輸和安裝進行仿真模擬，預防突發事件。完成整體建模后，模擬可能出現的突發事件，制定和完善安全管理預案，避免安全事故的發生。通過三維可視化的管理，合理安排現場的布置和運輸吊裝路線，提高效率，加快進度，避免反復工作。同時，實時讀取在構件生產中植入包含構件信息的無線射頻識別（RFID）芯片，核對信息，提高管理水平。

4 BIM 技術在裝配式建筑中的應用原則

4.1 模數化設計

在目前的社會各產業已與信息化接軌，利用信息化的生產技術為建筑提供了方便。利用相關技術和平臺資源數據的分析方法，對建筑工地進行現場管理，既可以簡化工程過程，又可以提高工程的控制水平。BIM 的模數化設計，是國內建筑行業的先進技術和先進的發展水平。在國內，許多建筑都采用了BIM 技術，比如上海迪士尼公園、北京鳳凰文化中心等。裝配式建筑模數化設計是指采用基本模數、擴大模數和分模數的RNG 法來設計預制件、建筑組合件等，實現建筑工業化、標準化、智能化，保證建筑的主體與整體的協調性。另外，模數設計的另外一個功能是保證結構的標準化和通用性，以實現多層結構的要求，以減少制造成本。

4.2 標準化設計

標準化設計是建筑工業化的重要發展方向，它可以實現大量的構件的工業化生產，降低了工地的工作量，提高了項目的工作效率。因此，在建筑規范設計中，應根據建筑的不同類型、配件、連接要求，制訂出一套系統的設計方法和流程。在此必須指出，由于受天氣、生產等客觀因素的影響，裝配式建筑具有一定的地域特征，難以形成完整的標準化體系，并且一些構件只能在一個較小的區域進行標準化的設計。比如，我國南北兩個區域的氣候差異很大，外墻的保溫、耐腐蝕、防水等方面都有很高的要求，所以外墻的設計不可能做到全國統一，只能根據不同的區域來制定。在進行建筑仿真時，還可以根據特定地區的特定環境特點，設定不同的施工場地布局，并根據不同的特點進行調整，保證設計的規范化[5]。

4.3 協同設計

裝配式建筑的協作設計是指各制造企業在協作的基礎上進行專業化集成設計，既保證了產品的質量，又能及時地發現各種問題，提高企業的協作能力。尤其是對裝配式建筑來說，由于其施工現場的拼裝形式，許多構件中都有可能存在著預制件，因此若不注意到這些問題，在現場安裝時就難以進行后續的施工。這就意味著，在協同設計階段，設計師和工程師必須明確自己的職責，通過BIM 技術，建立起一個系統化的平臺，讓不同的專業人員可以在這個平臺上進行設計和分享，同時也可以讓生產廠家和施工單位提前進入到平臺中進行工作協調。

5 結語

BIM 技術趨于成熟，應用的范圍不斷拓展。BIM 技術為裝配式建筑提供了信息交互平臺，實現了多專業信息互通，提高了工作效率，使裝配式建筑的施工更加科學、可視化。裝配式建筑工程中BIM 技術在設計優化、模擬實施、進度管理等方面發揮了重要作用。BIM技術的順利實施為項目創造了經濟效益與社會效益，為企業積累了經驗與業績。在我國龐大的建筑市場中，建筑信息化是一條必由之路，BIM 技術將發揮重要作用。