基于BIM技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計方法探析

裴佑生

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230031）

1 基于BIM技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計價值和設(shè)計方法

1.1 設(shè)計價值

（1）提高工作效率。在當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)中，一些設(shè)計人員大多是進行平面裝配式建筑設(shè)計，缺乏立體的設(shè)計效果圖，也無法保證每一環(huán)節(jié)在設(shè)計和施工過程中相互配合。如果采用BIM技術(shù)，能夠從建筑模型中提出需要的部分進行加強和優(yōu)化，通過協(xié)同設(shè)計完成設(shè)計和審核工作，并最終完成造價設(shè)計和分析。通過BIM系統(tǒng)中三維和二維圖像的結(jié)合，零部件可以生成平面圖然后運送至生產(chǎn)車間進行生產(chǎn)。運用BIM技術(shù)設(shè)計圖紙時，專業(yè)人員可以在一個建構(gòu)起來的圖像中進行更改和設(shè)計，并從虛擬設(shè)計中直接生成所需要的圖紙，這樣可以提高建筑工程的效率。

（2）節(jié)省建筑施工成本。在裝配式結(jié)構(gòu)中應(yīng)用BIM技術(shù)可以解決建筑工程施工中遇到的難題，如可以幫助節(jié)省一定資源和能源，保護環(huán)境。BIM技術(shù)還能夠直接進行無紙化設(shè)計，減少人力和物力浪費，避免在建筑設(shè)計過程中因為操作不當(dāng)而產(chǎn)生返工問題。

（3）實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。不同于傳統(tǒng)的平面畫圖，采用BIM技術(shù)可以實現(xiàn)立體畫圖，將所有的建筑零部件都清晰地在圖紙上表現(xiàn)出來，并通過數(shù)據(jù)使這些圖像變得參數(shù)化。這些特點為建筑設(shè)計提供了支持，在施工時，人員通過參數(shù)化設(shè)計可以清楚把握建筑結(jié)構(gòu)。

1.2 設(shè)計方法

將BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式結(jié)構(gòu)中，需要工作人員先了解BIM技術(shù)，了解其特點、優(yōu)勢、注意事項等，然后再對裝配式結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，對整體結(jié)構(gòu)進行建模，通過計算機畫圖將整個建筑結(jié)構(gòu)清晰地表現(xiàn)出來，呈現(xiàn)出立體的效果。三維建模以后，需要設(shè)計人員根據(jù)建筑工程的特點，將裝配式結(jié)構(gòu)和建模相結(jié)合，同時考慮裝配式結(jié)構(gòu)的特點，使其更好地滿足建筑工程的要求。運用BIM技術(shù)進行設(shè)計主要包括以下幾點：

（1）規(guī)劃建筑工程的整體結(jié)構(gòu)。按照裝配式建筑進行標準化和參數(shù)化設(shè)計，建立起與建筑工程相關(guān)的零部件模型數(shù)據(jù)庫，包括預(yù)制外墻零部件、梁柱以及樓梯等零部件。

（2）進行零部件的詳細設(shè)計。在構(gòu)建好的數(shù)據(jù)庫中，工作人員根據(jù)需要選擇工程所需的零部件應(yīng)用于項目中，并將一個個的零部件安裝成三維圖像模型，這樣可以提高工作人員的效率。

（3）對裝配式建筑結(jié)構(gòu)進行再設(shè)計，保證零部件結(jié)構(gòu)在整體設(shè)計中滿足建筑性能。為了較大程度地滿足裝配式建筑的設(shè)計特點，可以進行設(shè)計與研究，設(shè)計出最適合居民需求的住宅和戶型，最終形成建筑裝配式結(jié)構(gòu)模型庫。

2 基于BIM技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計要求與設(shè)計流程

2.1 設(shè)計要求

（1）標準化設(shè)計的要求。在標準化設(shè)計中，需要采用統(tǒng)一的建筑模數(shù)用于建筑設(shè)計、施工和材料選擇等，并根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的尺寸和型號準確調(diào)節(jié)。模數(shù)化設(shè)計就是為了保障裝配式建筑結(jié)構(gòu)的標準化。建筑模數(shù)分為基本模數(shù)和導(dǎo)出模數(shù)2種類型，導(dǎo)出模數(shù)又分為擴大模數(shù)和分模數(shù)，根據(jù)這些模數(shù)形式劃分出模數(shù)數(shù)列。參照模數(shù)數(shù)列進行設(shè)計，可以使建筑產(chǎn)品之間具有協(xié)同性和規(guī)范性，減輕工作人員的負擔(dān)和壓力，降低工程難度，提高零部件的質(zhì)量。設(shè)計的標準化和模數(shù)性都屬于零部件的拆分階段，將裝配式建筑結(jié)構(gòu)拆分后，還需要將其重新整合，將模數(shù)協(xié)調(diào)起來，這是為了實現(xiàn)裝配式建筑結(jié)構(gòu)的互換性，使可以通用的零部件滿足各項設(shè)計要求。

（2）科學(xué)化設(shè)計的要求。為了滿足裝配式建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)化設(shè)計，重點需要滿足對其的深化設(shè)計，這是裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑相比的最大不同點。在裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計階段，可以將零部件拆分，簡化設(shè)計程序；在模件的生產(chǎn)階段，為了使工人的操作更加規(guī)范，要積極推進生產(chǎn)的機械化，以便隨時從倉庫中取出零部件用于生產(chǎn)；在施工階段，要減少吊車運輸?shù)拇螖?shù)，便于對其操作進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)安排，減少對接工作，使操作更加簡單。設(shè)計人員需要根據(jù)工作平臺對建筑工程、結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備和材料等進行整合，根據(jù)不同的需求保證不同預(yù)制件的性能，保證預(yù)制件生產(chǎn)與施工的一體化和統(tǒng)一性。科學(xué)化的設(shè)計要求預(yù)制件的詳細和深化，這對預(yù)制件的生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。完整的設(shè)計程序包括設(shè)計深化說明、預(yù)制件的布置、節(jié)點設(shè)計和預(yù)制件的深化設(shè)計等，所涉及的內(nèi)容不僅有建筑，還包括機電設(shè)備、工程結(jié)構(gòu)等。深化設(shè)計主要包括零部件的尺寸、型號、外觀設(shè)計、墻面做法。

上文對裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求進行了分析，尤其是對其標準化的設(shè)計和科學(xué)化的設(shè)計進行了說明。其要求是要滿足我國規(guī)定的五項標準，包括設(shè)計的標準性、工廠流水線式一體化的生產(chǎn)、裝配式施工、統(tǒng)一式裝修和智能化管理。其中的重中之重為設(shè)計的標準性，標準性的生產(chǎn)就是要求其結(jié)果滿足完整化和通用化，通過模數(shù)數(shù)列優(yōu)化預(yù)制件的尺寸和型號。新型的裝配式建筑和傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)具有顯著差異，它們的分析方式不同，前者對設(shè)計人員的要求更高，設(shè)計更加科學(xué)；后者適用范圍較廣。

2.2 設(shè)計流程

基于BIM技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計是一種新型結(jié)構(gòu)設(shè)計。在這一結(jié)構(gòu)設(shè)計流程中，主要包括兩類方法：第一類是與傳統(tǒng)的裝配式建筑結(jié)構(gòu)相似的設(shè)計流程，它們只是在零部件的設(shè)計上略有不同，這一方法需要先根據(jù)生產(chǎn)商的要求建立起構(gòu)件庫，在構(gòu)件庫中完成項目的施工，再對其中的零部件進行計算；第二類方案是一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，這一方案與傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計相差較多，其將建筑的所有零部件視為一個整體，再對多個零部件進行拼接。兩類方法都可以在設(shè)計初期建庫使用，以保證零部件的穩(wěn)定性，這對盡早實現(xiàn)建筑工程的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要作用。

（1）清楚掌握預(yù)制件的生產(chǎn)流程。第一，預(yù)制件的生產(chǎn)商需要充分了解預(yù)制件的標準、生產(chǎn)規(guī)模，清楚認識到自己的生產(chǎn)能力，選擇最適合自己的生產(chǎn)方式。第二，隨著現(xiàn)階段建筑行業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)方面不僅要有數(shù)量，還要保證質(zhì)量，加大對預(yù)制件結(jié)構(gòu)的選擇性，必須具有一定數(shù)量和質(zhì)量的構(gòu)件。第三，保證構(gòu)件庫中的信息數(shù)據(jù)準確，預(yù)制件的鋼筋、類型需要有明確標識，保證構(gòu)件的承載力。

（2）準確選擇構(gòu)件尺寸型號，完成設(shè)計方案。在設(shè)計階段，以往的設(shè)計中先是對整體構(gòu)件進行分析，再分析單個構(gòu)件，新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計是先分析單個構(gòu)件，再對整體的承載力進行分析。這與以往的分析情況相反，需要設(shè)計人員樹立新的設(shè)計觀念，專業(yè)知識技能更加豐富。傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計流程的難點在于結(jié)構(gòu)拆分，根據(jù)拆分原則與模數(shù)原則實現(xiàn)其標準化，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和信息化時代的到來，新型的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越受到大家的關(guān)注。新型的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計重點在于拼裝階段，在設(shè)計初期通過選擇預(yù)制件并進行拼接，可以同時生成較多設(shè)計方案，從而完成對樓層建筑的整體計算。學(xué)者張超[5]研究了裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，分析了整個結(jié)構(gòu)設(shè)計、BIM模型的建立和優(yōu)化等環(huán)節(jié)，并說明了每一環(huán)節(jié)的內(nèi)容和要求，其中預(yù)制件的建庫環(huán)節(jié)和完善環(huán)節(jié)是基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，拼裝和計算等環(huán)節(jié)都依據(jù)這兩個環(huán)節(jié)來進行。裝配式設(shè)計環(huán)節(jié)的優(yōu)勢是能夠減少成本、節(jié)約資源和能源，減少工程時間，確保工程質(zhì)量。促進工業(yè)化生產(chǎn)最主要的就是要建庫，根據(jù)不同的預(yù)制件和結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)工廠中的生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)等加以確定。梁和墻板等需要通過計算預(yù)制件的位置等來判斷，以構(gòu)件尺寸信息為主，通過計算可以確定構(gòu)件的布置位置，通過尺寸來保證模數(shù)化設(shè)計，對于非承重墻的負荷力度和跨度，可以根據(jù)這些安排鋼筋布設(shè)。在設(shè)計階段，設(shè)計人員可以從構(gòu)件庫中直接挑選。對于空調(diào)板、女兒墻的設(shè)計，可以根據(jù)構(gòu)件的詳細信息使類型更加多樣化，滿足建筑結(jié)構(gòu)的立面設(shè)計。如果建筑結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不能滿足設(shè)計需求，需要在構(gòu)件生產(chǎn)中添加構(gòu)件。

（3）完成結(jié)構(gòu)的拼裝設(shè)計。在項目的構(gòu)建中，需要對結(jié)構(gòu)以積木的形式進行拼接，在滿足工程實際情況的基礎(chǔ)上，認真選擇最適宜的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，選擇零部件進行重構(gòu)，再通過門窗等完成戶型設(shè)計，確保拼裝過程符合建筑體結(jié)構(gòu)的立面。

（4）BIM技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計。對預(yù)拼裝的建筑整體受力進行分析，確定預(yù)制件的鋼筋排列順序，優(yōu)化設(shè)計方案。結(jié)構(gòu)分析檢查后，對不滿足的進行替換，再次檢驗，直到滿足設(shè)計要求。因為構(gòu)件庫是由廠家提供，復(fù)檢階段會涉及專利問題，設(shè)計人員在檢查時應(yīng)以此為輔證，判斷結(jié)果是否準確。

3 結(jié)束語

綜上所述，由于傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)存在較多的問題，新型裝配式結(jié)構(gòu)越來越受到人們推崇。文章主要介紹了基于BIM技術(shù)的裝配式建筑的設(shè)計原則、設(shè)計方法、設(shè)計要求、設(shè)計流程等內(nèi)容。通過研究發(fā)現(xiàn)，雖然傳統(tǒng)的設(shè)計流程有些許不足，但隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，將二維設(shè)計軟件轉(zhuǎn)換為BIM軟件后，可以有效地彌補這些不足，對于裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計更為有利，為裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了新的思路。