BIM 技術在裝配式建筑設計開發(fā)中的應用研究

［錢忠驊 任明宇 王瓊 任剛 黃永慧 董延鋒］

1 引言

2020 年9 月住房和城鄉(xiāng)建設部等9 部門聯(lián)合印發(fā)《關于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》[1]?！兑庖姟诽岢觯罅ν茝VBIM 技術，加快推進BIM 技術在新型建筑工業(yè)化全壽命期的一體化集成應用。加快新型建筑工業(yè)化與高端制造業(yè)深度融合，搭建建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。以新型建筑工業(yè)化帶動建筑業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級，打造具有國際競爭力的“中國建造”品牌，推動城鄉(xiāng)建設綠色發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展。

BIM 技術被認為是繼CAD 之后，建筑業(yè)第二次“科技革命”，也是建筑產(chǎn)業(yè)信息化的重要抓手[2]。要加快信息技術融合發(fā)展，大力推廣BIM 技術，加快應用大數(shù)據(jù)技術，推動傳感器網(wǎng)絡、低功耗廣域網(wǎng)、5G（第五代移動通信技術）等物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧工地的集成應用。在裝配式領域，BIM 應用工具類軟件的生產(chǎn)效率已高于傳統(tǒng)設計方式[3]，成為生產(chǎn)力工具，形成了常態(tài)化工作方式。低成本、易獲取的高精度模型，可實現(xiàn)預制構(gòu)件深化設計自動出圖，可協(xié)同全專業(yè)模型三維展示，降低該類型項目檢查碰撞問題的難度，為工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)發(fā)揮作用提供準確的幾何模型和數(shù)據(jù)模型[4]。

《中國建筑業(yè)BIM 應用分析報告（2020）》[5]指出以BIM 技術應用成果為載體，促進企業(yè)實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，有助于推動建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。為解決建筑工程施工進度領域中的數(shù)據(jù)獲取、分析與模型求解等問題，可以結(jié)合BIM 技術與遺傳算法的優(yōu)勢，構(gòu)建建筑工程施工進度優(yōu)化體系，有助于提升BIM 技術在項目管理領域的應用效果[6]。為了促進預制裝配式建筑產(chǎn)業(yè)中的信息化和工業(yè)化的融合發(fā)展，可以將BIM 技術與物聯(lián)網(wǎng)技術緊密結(jié)合，有助于促進傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)化與信息工業(yè)化的深度融合[7]。為了在施工階段采用一種創(chuàng)新的方法來減少廢物對環(huán)境的影響，可以利用BIM 技術開發(fā)一個內(nèi)置BIM 工具，在綜合環(huán)境中評估轉(zhuǎn)化為廢物的材料對環(huán)境的影響，從而深入分析產(chǎn)生垃圾的主要原因，提出減少垃圾產(chǎn)生的對策[8]。另外，BIM 技術和三維激光掃描技術在預制裝配式建筑智能施工安裝系統(tǒng)研究中發(fā)揮重要作用[9]，通過優(yōu)化現(xiàn)有管理方法與施工工藝，降低了安裝偏差，有助于施工過程的精細化。特別是在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境中，BIM 技術在建筑工程招投標管理中得到很好地應用，可以很好地提高建筑工程的管理效率，幫助企業(yè)降低建筑投入成本[10]。在裝配式軌道交通工程預制構(gòu)件生產(chǎn)管理應用中，將BIM技術和數(shù)字孿生技術相結(jié)合，可以實現(xiàn)實體生產(chǎn)與虛擬施工的信息交互，從而解決生產(chǎn)過程中組織協(xié)調(diào)困難的問題，獲取了良好的綜合效益[11]。在建筑物的震后加固修復過程中，可利用BIM 技術建立一個建筑物震后重建的可視化框架，設計了一個信息采集模板，用于集成損傷信息、加固方法、技術方案、施工措施等多維信息，有助于修復震后建筑物和提高抗震能力[12]。BIM 技術在鋼結(jié)構(gòu)裝配式超低能耗建筑中得到充分應用[13]，將BIM 技術、裝配式建筑以及超低能耗技術相結(jié)合，可實現(xiàn)裝配式建筑的智能化管理和精細化施工，為未來超低能耗建筑領域的發(fā)展開拓廣闊的應用前景。

本文以合肥市紅蓮園安置房小區(qū)項目為例，介紹BIM 技術在本項目裝配式建筑中的應用。首先，在深化設計階段建立高效的全樓預制構(gòu)件BIM 模型，由模型自動生成輸出預制構(gòu)件加工圖紙。其次，在預制構(gòu)件階段深化設計BIM 幾何模型和信息模型，延伸了BIM 模型和數(shù)據(jù)的應用場景。在項目實施過程中，BIM 技術的運用提高了裝配式建筑預制構(gòu)件深化設計的效率和質(zhì)量，實現(xiàn)了模型和數(shù)據(jù)傳遞，具有很好的工程應用前景。

2 裝配式BIM 深化設計模型和方法

傳統(tǒng)深化設計使用CAD 軟件，設計師手動繪制預制構(gòu)件的三視圖、統(tǒng)計鋼筋預埋件的數(shù)量，輸出成果為PDF或DWG 圖紙。制圖過程繁瑣，重復工作量大；深化設計成果與建筑、結(jié)構(gòu)、機電專業(yè)之間的協(xié)同，均基于二維圖紙，碰撞檢查難度大，對設計師的經(jīng)驗和空間想象能力要求極高。為了解決該問題，使用BIM 技術進行裝配式建筑深化設計，可實現(xiàn)預制構(gòu)件BIM 模型自動出圖，快速生成全樓預制構(gòu)件模型。BIM 模型中所有預制構(gòu)件均可導出為XML 格式文件（可擴展標記語言）。支持在新的項目模型文件中導入生成相同的預制構(gòu)件，并支持繼續(xù)編輯修改，有效減少設計師相似預制構(gòu)件重復建模的工作量。相比使用傳統(tǒng)的族庫軟件管理預制構(gòu)件族文件的方式，本項目技術能夠管理復雜度更高、規(guī)模更大的族嵌套關系，對實際項目預制構(gòu)件形狀、鋼筋布置、預埋件種類多樣的情況適應性更好。

2.1 基于BIM 技術的裝配式建筑深化設計模型

使用BIM 技術進行裝配式建筑深化設計，可實現(xiàn)預制構(gòu)件BIM 模型自動出圖，快速生成全樓預制構(gòu)件模型，如圖1 所示。從而充分發(fā)揮三維模型可視化優(yōu)勢和多專業(yè)協(xié)同能力，為繪制預制構(gòu)件圖紙、統(tǒng)計BOM 表數(shù)據(jù)、校核碰撞問題提供新的解決方案。同時，在深化設計過程中，可同步完成預制構(gòu)件預拼裝。協(xié)同建筑、結(jié)構(gòu)、機電、裝修BIM 模型，設計師可方便地檢查預制構(gòu)件內(nèi)部碰撞、構(gòu)件與構(gòu)件之間、預制構(gòu)件與機電管線之間的沖突問題。

圖1 BIM 技術預制構(gòu)件三維模型圖

傳統(tǒng)深化設計工作輸出成果為紙質(zhì)圖紙，基于BIM技術的預制構(gòu)件深化設計方式，設計端輸出成果是圖紙和三維模型，預制構(gòu)件幾何模型和信息模型能夠數(shù)據(jù)化，從而實現(xiàn)設計端與預制構(gòu)件加工廠之間的數(shù)據(jù)打通，節(jié)省工廠生成管理系統(tǒng)內(nèi)信息重復錄入的工作量，為工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)三維進度展示提供模型骨架。如圖2 所示，系統(tǒng)讀取BIM 幾何模型和信息模型效果展示圖。

圖2 系統(tǒng)讀取BIM 幾何模型和信息模型效果展示圖

預制構(gòu)件BIM 模型既是深化設計出圖的前置條件，也是深化設計師工作的副產(chǎn)品。預制構(gòu)件模型精度可達LOD400，對現(xiàn)場問題可以進行全面、準確、直觀的描述。并根據(jù)對應的材料表設置，正確分配不同樓層預制構(gòu)件的屬性信息、構(gòu)件身份編碼，生成全樓預制構(gòu)件清單。如圖3 所示。

圖3 預制構(gòu)件LOD400 精度模型

2.2 基于BIM 技術的裝配式深化設計方法和軟件

在裝配式BIM 深化設計軟件方面，使用canvas 畫布模式參數(shù)化地建立預制構(gòu)件混凝土、洞口，建立鋼筋模型，布置線盒、吊點預埋件等預埋件，操作界面定制化程度更高，更專業(yè)。如圖4 所示，操作界面根據(jù)不同種類的部件的構(gòu)成特點高度定制化，相比全三維模式建模，設計師工作效率大幅提高。

圖4 預制構(gòu)件參數(shù)化建模界面

依據(jù)BIM 模型，自動生成預制構(gòu)件深化設計圖紙，包涵平面圖、剖面圖，BOM 表信息，將設計師從繁瑣的統(tǒng)計鋼筋工作中解放。預制構(gòu)件BIM 模型修改后，圖紙、BOM 表自動更新調(diào)整，對項目方案頻繁修改有較強的適應性。項目實施過程中，單個復雜預制外墻的深化設計出圖所需工時從傳統(tǒng)方式的3 個小時，減少為30 分鐘。高效的建模、出圖能力有效保障BIM 技術可實施、可落地。

裝配式BIM 設計軟件可在樓層之間批量復制預制構(gòu)件，最終生成全樓預制構(gòu)件模型。根據(jù)對應的樓層材料表設置，使用定制開發(fā)的軟件功能，可根據(jù)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的需求，輸出預制構(gòu)件的位置，尺寸，材料，鋼筋信息，預埋件信息等。傳遞的數(shù)據(jù)格式更自由，規(guī)模更大。后期可對接工廠的自動加工設備，輸出對應格式的加工文件。數(shù)據(jù)輸入輸出流程圖如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)輸入輸出流程圖

3 裝配式BIM 設計方法在合肥紅蓮園項目中的應用

3.1 項目概況

安徽省合肥市紅蓮園安置房小區(qū)項目，位于安徽省合肥市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，總建筑面積39 萬平方米，共23 棟住宅，建筑高度81 米，采用裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系，預制裝配率要求50%，裝配式建筑實施面積23 萬平方米，住宅單體設計采用標準化戶型模塊。本項目使用的預制構(gòu)件類型包括：（1）預制混凝土復合保溫外墻板、（2）預制混凝土內(nèi)墻板、（3）預制混凝土PCF 板、（4）預制混凝土樓板、（5）預制樓梯，（6）預制梁，（7）預制混凝土陽臺板，如圖7 所示。項目共使用423 種預制構(gòu)件，預制構(gòu)件總數(shù)量5.9 萬片，預制構(gòu)件總方量4.68 萬立方米。

圖7 預制構(gòu)件類型

3.2 應用案例

以合肥市紅蓮園安置房小區(qū)項目為例，在項目深化設計階段，通過建立全樓預制構(gòu)件BIM 模型，由模型自動生成輸出預制構(gòu)件加工圖紙。然后，在預制構(gòu)件階段，深化設計的BIM 幾何模型和信息模型，可數(shù)據(jù)化傳遞，延伸了BIM 模型和數(shù)據(jù)的應用場景。項目流程如圖8 所示，BIM技術在本項目裝配式建筑中的應用效果圖如圖9所示。

圖8 項目流程圖

圖9 項目效果圖

目前，裝配式BIM 設計方案已經(jīng)應用于建筑工程項目中，在系統(tǒng)應用期間，沒有出現(xiàn)構(gòu)件重復制作以及構(gòu)件質(zhì)量等管理問題，并且由于該系統(tǒng)具有實時操作記錄功能，極大的提高了報表效率，減輕了文員和管理員的統(tǒng)計工作。同時，相比于傳統(tǒng)方法，使用裝配式BIM 設計方法大大提升了項目的設計效率，其中多專業(yè)協(xié)同效率、出圖效率、圖紙準確率等都有明顯提升，并且通過構(gòu)件編碼規(guī)則優(yōu)化后，所有構(gòu)件一件一碼，一一對應，方便了全過程管控。

4 結(jié)論

本文使用基于BIM 技術的預制構(gòu)件深化設計方式，充分發(fā)揮了三維模型可視化優(yōu)勢和多專業(yè)協(xié)同能力，提高了裝配式建筑預制構(gòu)件深化設計效率和質(zhì)量。以合肥市紅蓮園棚戶區(qū)改造項目為例，本文提出的BIM 設計方法實現(xiàn)了設計端的模型和數(shù)據(jù)傳遞，提升了管理效率，展現(xiàn)了良好的工程應用價值。越來越多的建筑企業(yè)應用BIM技術，但是BIM 技術應用大規(guī)模裝配式建筑的軟件定制化開發(fā)和快速自適應建模方面需要進一步加強技術研發(fā)。