BIM技術在裝配式建筑結構設計中的應用

李俊峰 林增華 張傳俊

自改革開放以來，我國正處于工業化、城鎮化和新農村建設快速發展的歷史時期，深入推進建筑節能、綠色發展，加快發展綠色建筑面臨難得的歷史機遇。目前，我國建設方式仍然還存在發展質量和效益不高等問題，裝配式建筑是一種新興的建筑形式，具有節能、環保、高效等優點，符合我國當今的綠色發展戰略，已經成為建筑行業重要的發展方向之一。在科學技術快速發展的背景下，在裝配式結構設計的過程中應用BIM已成大勢所趨，可以實現檢測、深化以及優化設計，為整個設計的過程提供了更加精確的信息和數據，提升整體結構的合理性，更加符合現場施工的標準，有助于提高工程的效率和降低資源的消耗，符合綠色發展。因此，在裝配式結構設計中應用BIM技術有著重大作用，對于推進綠色建筑高質量發展有著重大意義。以為某中學大樓為例進行BIM技術在裝配式結構設計中的實際應用。

隨著環保意識的日益增強，綠色發展已成為各行各業追求的重要目標。在裝配式建筑中，綠色材料的選擇是實現綠色發展的基礎。綠色材料具有環保、可循環利用、節能等特性，能夠降低建筑對環境的影響，減少資源消耗。裝配式建筑采用預制構件，可以在工廠內進行規模化生產，減少現場施工時間，降低能源消耗。同時，裝配式建筑可以利用太陽能、風能等可再生能源，實現能源的自給自足，進一步降低碳排放。在裝配式建筑的施工過程中，應注重環保施工，減少噪音、塵土、污水等污染物的排放。此外，還應加強施工現場的管理，確保施工過程的安全與環保。裝配式建筑在投入使用后，也應注重綠色運營。可以通過節能設備的安裝、綠色能源的使用等方式，降低建筑的運營成本，提高能源利用效率。筆者通過具體案例的深入分析，展示了BIM技術在裝配式結構設計中的實際應用，為建筑施工提供了具有指導意義的參考，有助于推動這一領域的發展和進步。

一、BIM技術在裝配式結構中的應用

BIM技術在裝配式建筑中的應用越來越受到關注，為裝配式建筑的發展提供了新的機遇和挑戰。BIM技術可以有效地提高裝配式建筑的效率和質量，同時也可以減少建筑垃圾和能源消耗，體現了對環境的友好。通過BIM技術，可以更好地規劃和設計裝配式建筑，優化生產流程，提高生產效率，減少生產成本。此外BIM技術與建筑體系有著許多的交叉性，要實現不同專業之間的協同，就必須借助與BIM技術實現信息傳遞，以達到綠色發展最終目標，實現低碳發展。筆者將運用BIM技術對某中學大樓進行全面體系構建與精密計算，并深入探究其背后的計算原理。

二、基于BIM的裝配式建筑工作流程

1.工程概況

本項目是某中學教學樓擴建項目(圖1）。項目的具體數據如下：總建筑面積6220.68m2，建筑基底面積1605.77m2，建筑的高度19.5m。每一層的凈高度設定為4.0m。項目的層數設定為4層，結構上采用了框架結構，抗震設防烈度為7度，防水等級為2級，使用年限設定為50年，符合一般建筑的使用要求。筆者通過運用BIM技術詳細展示了建筑的基礎結構和布局，為更直觀地了解這個項目提供了幫助。

圖1 中學教學樓項目效果圖

2.BIM技術的應用

本工程為了優化設計和指導安裝，采用了BIM技術，以體現裝配式結構的特點。BIM技術具有可視化、協同性、模擬性、優化性和可出圖等特點，這些特點符合建筑工業化的要求。圖2為中學教學樓項目BIM技術施工流程圖以展示BIM技術在本項目中的應用效果。

圖2 中學教學樓項目BIM技術施工流程圖

（1）建筑建模

BIM技術在裝配式建筑結構設計中的應用，主要是通過三維建模的方式，對裝配式建筑結構中的構件進行建模。在這個過程中，主要是利用BIM軟件對裝配式建筑結構中的構件進行建模。BIM軟件為構件建模提供了非常多的工具，可以為設計人員提供有效的幫助，從而使設計人員可以更加高效地完成裝配式建筑的設計工作。

在這個階段筆者使用廣聯達系列的BIM軟件進行了三維可視化設計，這樣可大大減少項目因設計方案不合理而造成的資源浪費問題。

（2）結構的總體設計

①拆分結構與計算裝配率

筆者通過使用相關軟件對中學教學樓圖紙進行模型翻制，并利用PKPM-PC進行了深化設計，裝配式拆分全樓深化模型如圖3所示。同時，應用BIM技術完成了結構裝配式設計工作，裝配式指標滿足國標《裝配式建筑評價標準》中的相關要求，對整個結構的裝配率進行了計算。本工程結構豎向構件中預制部品部件Q1A得分26.7分，計算結果詳見表1，大于評價標準表規定的最低分值20分;結構樓（屋）蓋中預制部品部件Q1B得分20分，等于規定的最低分值計算結果詳見表2，可以認定本工程為裝配式建筑，這不僅提高了設計質量，也更加符合綠色建筑的理念。

表1 豎向構件統計匯總表

表2 水平構件統計匯總表

圖3 裝配式拆分全樓深化模型

②結構整體分析

通過BIM技術將設計方案與施工圖紙進行對比，可以有效避免因設計方案不合理導致的浪費和資源浪費等問題，從而減少工程項目出現的結構設計問題。筆者通過過SATWE2021V1.3.1版軟件的計算分析，完成了本工程的結構設計。從結構整體指標匯總信息表（表3）可以看出，各項指標均滿足《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)、《高層民用建筑鋼結構技術規程》(JGJ99-2015)的要求。具體來說，本工程質量比小于1.5，樓層剪力/層間位移剛度比不小于1.0，樓層抗剪承載力與相鄰上一層比值的最小值不小于0.80，有效質量系數大于90%，很大程度上保證了工程的可靠性設計。

表3 結構信息指標匯總

（3）BIM技術在不同專業之間的協同設計

BIM技術是一種基于建筑信息模型的技術，它可以將建筑物的所有信息集成到一個模型中，節點的處理問題是裝配式結構的重中之重，將復雜節點建模及優化運用與BIM相結合，可以更好地發揮BIM的優勢，提高建模效率和優化效果。通過BIM技術，可以更好地模擬和呈現復雜節點，優化設計，減少施工難度和成本，提高建筑質量和使用體驗，如圖4所示。因此，BIM在復雜節點建模及優化運用中具有廣泛的應用前景和價值。

圖4 中學教學樓項目給排水模型碰撞截圖

另外本工程采用的是結構模型與機電模型同時進行協同配合設計，形成全專業模型。

（4）模擬施工及碰撞檢查

在綜合了土建、管線及設備的BIM模型基礎上，即可進一步進行管線的碰撞檢測。PKPM提供了較簡單的碰撞檢測工具，可實現模型內按類別區分的硬碰撞檢測，并給出檢測報告逐一列出各碰撞點的情況。對碰撞檢測結果報告進行輸出，還可以對碰撞模型對照查看等。如圖4所示在預制構件局部拼裝過程中，通過碰撞檢查發現，影響了安裝需要進行調整，以確保施工過程中的安全性和后期使用的穩定性。

（5）數字化運維

BIM技術的應用能夠實現對建筑工程項目的可視化管理，使建造過程中的信息更加全面和真實。BIM技術能有效解決建筑工程項目設計階段和竣工驗收階段存在的問題。在裝配式建筑結構設計過程中，各個專業需要相互協調配合，以實現最優化的設計方案。如果各個專業之間不能有效協同工作，將會對裝配式建筑結構設計效果造成不利影響。因此，BIM技術為各專業之間協同工作創造了良好的條件，提高了建筑工程項目的整體效率和質量。

（6）數字化施工

由于施工單位對BIM技術了解不足，導致施工過程中存在許多問題。為解決這些問題，需要將BIM技術應用到建筑工程的施工階段。在裝配式建筑結構設計中，數字化施工是當前需要重點關注的內容，可以為施工建設人員提供更多便利。BIM技術可以幫助進行數字化施工，對建筑構件進行精確定位，并通過模擬控制安裝精度。相關人員需要不斷對BIM技術進行分析和研究，使其能夠得到有效應用，為建筑行業的發展提供助力。

三、結論

裝配式結構設計中的BIM技術的應用，為該領域帶來了前所未有的變革。BIM技術的應用為裝配式結構設計領域帶來了直觀、便捷的交流溝通方式，提升了結構設計方案的整體科學性、合理性和可行性。通過互聯網、物聯網等技術的進一步探索和應用，可以提升平臺的協同功能，實現設計、生產、施工等各個環節的實時溝通和協作，提高工作效率和準確性，還將與生產和施工管理系統建立接口，實現全過程的協同設計與施工。這將有助于提高裝配式建筑的質量和效率，降低成本和風險，推動裝配式建筑行業的發展。在未來的發展中，BIM技術將在裝配式建筑領域發揮越來越重要的作用，為行業帶來更多的創新和變革。