基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

秦硯瑤

摘要：裝配式建筑設(shè)計(jì)在現(xiàn)代化發(fā)展中，建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性成為影響其發(fā)展的主要因素，為解決這一問題提出基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用研究。通過建立BIM裝配式建筑設(shè)計(jì)構(gòu)架，獲取預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)，從而完成裝配式構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比BIM與人工條件下，裝配式建筑設(shè)計(jì)穩(wěn)定性，證明研究的有效性。

關(guān)鍵詞：BIM;裝配式;建筑;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU201

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）07-0112-03

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)與建筑方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展需求，對(duì)傳統(tǒng)建筑方式的變革成為發(fā)展的必然結(jié)果。在傳統(tǒng)建筑方式改變下，建筑工業(yè)化成為未來建筑行于業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。隨著建筑體系與建筑模塊等自動(dòng)化建造方式的出現(xiàn)，建筑工業(yè)化被應(yīng)用于設(shè)計(jì)、運(yùn)輸、施工等各個(gè)建筑環(huán)節(jié)節(jié)。傳統(tǒng)建筑方式在能源消耗方面，不僅耗能、耗水、耗材較多，且現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)機(jī)械化程度較低，需要大量人工勞動(dòng)力，勞動(dòng)強(qiáng)度較大、勞動(dòng)效率較低，受到施工環(huán)境影響，施工過程中會(huì)產(chǎn)生大量建筑垃圾。而工業(yè)化建筑不僅節(jié)約了建筑能源，且實(shí)現(xiàn)了資源循環(huán)利用，機(jī)械化程度較高，在節(jié)約了勞動(dòng)力的同時(shí)提高了整體勞動(dòng)生產(chǎn)效率。采用機(jī)械化施工，施工環(huán)境的改善，減少噪聲、揚(yáng)塵與建筑垃圾的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了建筑整體優(yōu)化。建筑工業(yè)化以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、機(jī)械化施工、信息化管理為目的，使建筑中裝配式結(jié)構(gòu)更好滿足施工需求，因此提出基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用研究。裝配式建筑結(jié)構(gòu)在工廠生產(chǎn)預(yù)構(gòu)件后，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工與構(gòu)造處理，不僅提高了施工效率，更能夠?qū)⒃忻芗同F(xiàn)場(chǎng)人工施工轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)業(yè)化施工。通過BIM技術(shù)構(gòu)件各個(gè)施工環(huán)節(jié)信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、施工等信息共享，提高裝配式建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

1基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用

1.1BIM裝配式建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

裝配式建筑需要一種可靠的連接方式將設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配一系列階段相連接，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)與裝配。BIM技術(shù)在裝配式建筑中的使用，主要借助BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將建筑中材料、設(shè)備與人員等管理對(duì)象信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程共享。BIM裝配式建筑設(shè)計(jì)通過建立智能分配體系，充分利用信息化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將裝配式構(gòu)件全周期信息集合在同一信息平臺(tái)上，方便裝配式建筑各項(xiàng)目能夠通過該平臺(tái)完成項(xiàng)目相關(guān)信息分享，了解裝配構(gòu)件實(shí)時(shí)流轉(zhuǎn)、生產(chǎn)、裝配情況，形成統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理平臺(tái)，最大化發(fā)揮裝配式建筑工業(yè)化優(yōu)勢(shì)，其整體構(gòu)架如圖1所示。

基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用主要信息收集、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)中心以及構(gòu)件應(yīng)用等叫。通過三維激光掃描、無線射頻技術(shù)等，獲取裝配式建筑構(gòu)件信息，采用設(shè)備及時(shí)獲取構(gòu)件生產(chǎn)狀態(tài)、質(zhì)量與進(jìn)度等信息。

1.2BIM裝配式結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)獲取

裝配式結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件想要完成構(gòu)件的挑選需要對(duì)其進(jìn)行分類與選擇。因此以BIM技術(shù)為支撐，明確每個(gè)構(gòu)件人庫實(shí)際信息，使用標(biāo)識(shí)碼對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行區(qū)分。預(yù)制構(gòu)件創(chuàng)建編碼主要以構(gòu)件分類為原則，為方便管理人員與計(jì)算機(jī)識(shí)別預(yù)制構(gòu)件，其編碼應(yīng)具備唯一性，即每個(gè)構(gòu)件使用唯一編碼，編碼應(yīng)遵循構(gòu)件分類原則，盡量使用較少字符區(qū)分各構(gòu)件。建筑信息分類編碼采用層次分類法，編碼一級(jí)定義了包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、配套設(shè)施等大范圍分類。二級(jí)與三級(jí)編碼定義了構(gòu)件的具體分類。其部分編碼，如表1所示。

構(gòu)件編碼主要考慮到構(gòu)件選擇時(shí)載荷、跨度等影響因素，忽略一些不必要的因素，對(duì)于構(gòu)件的次要因素主要通過添加信息的形式來進(jìn)行信息補(bǔ)充。

構(gòu)件編碼主要作用為區(qū)分各個(gè)構(gòu)件信息，便于設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中完成構(gòu)件識(shí)別。而在建筑設(shè)計(jì)中，對(duì)各個(gè)構(gòu)件的信息需求量與深度不同，考慮到信息接收量與分析難度，因此對(duì)構(gòu)件信息進(jìn)行深度分級(jí)。利用BIM技術(shù)區(qū)分包括構(gòu)件幾何尺寸、定位信息、材料性能、材料做法等幾何與非幾何信息。根據(jù)不同信息閾值與使用功能，以實(shí)用性為原則制定構(gòu)件信息深度統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

根據(jù)構(gòu)件信息深度分類采用最大化理論確定構(gòu)件信息深度等級(jí)：

其中，I為構(gòu)件幾何信息深度，取值范圍為1.0～5.0;K為非幾何信息深度等級(jí)，取值范圍為1.0～5.0，兩組取值全部為正整數(shù)。

根據(jù)構(gòu)件信息深度等級(jí)，計(jì)算整體建筑中構(gòu)件深度等級(jí)，對(duì)裝配式建筑合理性進(jìn)行初步分析。

1.3裝配式構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)裝配式建筑構(gòu)件進(jìn)行初步選擇后，使用BIM技術(shù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)預(yù)先進(jìn)行仿真模擬。裝配式建筑模擬必須具備合理性與有效性，需要對(duì)整體模擬結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能進(jìn)行分析。將BIM模型轉(zhuǎn)化為有限元分析方法，考慮到建筑結(jié)構(gòu)精細(xì)化有限元分析中整體結(jié)構(gòu)，計(jì)算模擬建筑彈性模量為：

其中，E為鋼筋混凝土彈性模量;Ec為混凝土彈性模量;Es為鋼筋彈性模量;A。為混凝土截面積;As為鋼筋截面積。

根據(jù)公式（2）得到設(shè)計(jì)建筑正截面承載能力：

其中，x為等效矩形應(yīng)力混凝土受壓區(qū)高度;b為截面寬度;ho為截面有效高度;a為受壓區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，完成對(duì)整體裝配式建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用成果，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比BIM技術(shù)與人工兩種施工方式下，裝配式建筑設(shè)計(jì)效果。實(shí)驗(yàn)在仿真環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)計(jì)建筑工程項(xiàng)目為某處工業(yè)用地，總建筑34318m'，其中包含地上面積25841m'，與地下面積8477m'。建筑層數(shù)為地上建筑6層，地下層數(shù)1層，建筑高度為23.1m。主體采用框架式結(jié)構(gòu)。7級(jí)抗震，地上建筑耐火等級(jí)為2級(jí)，地下建筑耐火等級(jí)為1級(jí)，建筑防水等級(jí)為2級(jí)。整體建筑工程為半裝配式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)柱為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)、樓板為預(yù)制預(yù)應(yīng)力疊合板與非預(yù)應(yīng)力疊合板。分別采用BIM技術(shù)與人工兩種施工方式，對(duì)比兩組方法整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中，兩組方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

通過上表3分析可以看出，人工設(shè)計(jì)方法的裝配式結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較為明顯，整體結(jié)構(gòu)布置存在不合理情況使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在這一作用下，整體結(jié)構(gòu)樓層間最大位移在正常使用條件下會(huì)出現(xiàn)水平位移，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，整體建筑穩(wěn)定性有待提升。而BIM設(shè)計(jì)方法整體結(jié)構(gòu)更為合理，使結(jié)構(gòu)不至于出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度大于標(biāo)準(zhǔn)值，大于規(guī)定要求的整體穩(wěn)定性數(shù)值，從而證明其研究有效性。

3結(jié)語

基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用研究中，將BIM技術(shù)、止水建造等相關(guān)理論應(yīng)用于裝配式建筑設(shè)計(jì)中，解決了裝配式建筑在施工過程中所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、施工安全等諸多相關(guān)問題，為裝配式建筑向著工業(yè)化發(fā)展提供良好的解決方案。BIM技術(shù)主要應(yīng)用裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與施工等整個(gè)項(xiàng)目工程階段，提出BIM技術(shù)實(shí)用價(jià)值的建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)，同時(shí)獲取預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸與裝配信息，合理設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)。裝配式建筑作為我國(guó)建筑行業(yè)工業(yè)化發(fā)展的主要方向，裝配式結(jié)構(gòu)通過多種信息技術(shù)的融合，完成智能化裝配式建筑設(shè)計(jì)。

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