BIM 技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計階段的應用探究

劉喻可馨 葉子銘

（江西理工大學，江西 贛州 341000）

1 BIM 技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計階段的應用價值

近年來，隨著我國數(shù)字信息技術(shù)的快速發(fā)展，BIM技術(shù)在建筑行業(yè)受到了廣泛的關(guān)注和應用，并展現(xiàn)了其高度的實用性和先進性。BIM技術(shù)貫穿了從設(shè)計到施工再到運營維護的工程項目全生命周期，進行一體化管理，實現(xiàn)各階段的信息共享。在設(shè)計階段，BIM使建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、空調(diào)、電氣等各個專業(yè)基于同一個模型進行工作，將整個設(shè)計整合到一個共享的建筑信息模型中，并對施工過程進行仿真模擬，可以將提前檢驗設(shè)備的空間布置是否合理，結(jié)構(gòu)與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備間的沖突以及管線與建筑結(jié)構(gòu)中的碰撞點更加清晰直觀的以三維形式展現(xiàn)出來，設(shè)計人員可以及時地在三維模型中調(diào)整好不合理處再出圖，能夠更加精確地指導構(gòu)件的生產(chǎn)、裝配工序，提高工程質(zhì)量，促進設(shè)計生產(chǎn)施工的一體化過程，加快工程進度。同時，BIM技術(shù)構(gòu)建了一個高效的協(xié)作平臺，使得工程參與各方協(xié)調(diào)合作，項目各階段緊密銜接，提高了工程整體效率，避免返工情況的出現(xiàn)，有效降低工程成本。

2 裝配式建筑BIM 技術(shù)主要設(shè)計流程

2.1 BIM模型構(gòu)建及結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)的二維CAD 圖紙難以做到對細節(jié)的準確設(shè)計，容易導致施工實際情況與設(shè)計相脫節(jié)并且深化設(shè)計效率較低，繼而影響工程的進度及質(zhì)量。而BIM 技術(shù)通過構(gòu)建三維模型能將建筑、結(jié)構(gòu)及安裝各專業(yè)相銜接，設(shè)計人員能更直觀地了解設(shè)計方案存在的問題，并及時作出改進。

首先根據(jù)相關(guān)建筑標準及項目規(guī)劃、投標方案，建筑專業(yè)進行建筑圖紙的設(shè)計和建筑平立面BIM模型的構(gòu)建（本文以使用Revit 軟件為例），提出設(shè)計方案并提交給各相關(guān)專業(yè)。

結(jié)構(gòu)專業(yè)收到建筑模型后，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換端口，可以將Revit 模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析模型，由結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計人員展開分析計算工作并完善和調(diào)整結(jié)構(gòu)模型，最后將結(jié)構(gòu)模型導入回Revit軟件中以供其他專業(yè)使用。當出現(xiàn)信息數(shù)據(jù)缺失，結(jié)構(gòu)模型發(fā)生移位、失真等情況，導致設(shè)計無法銜接連貫時，需要進行人工干預，分析原因后調(diào)整并進行預防。實際工程中，較多使用結(jié)構(gòu)分析軟件有YJK、PKPM和Etbas 等。

2.2 構(gòu)件拆分

裝配式建筑的一大特點就是對不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行生產(chǎn)加工，再組裝成整體的建筑。因此，對裝配式建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行拆分，可以提前確定生產(chǎn)設(shè)備加工生產(chǎn)構(gòu)件的尺寸參數(shù)和連接方式等信息，方便后期工廠加工組裝，對保障裝配式建筑建造的連貫性具有重要意義。隨著裝配式建筑發(fā)展趨向標準化、模塊化，建筑的平立面布置排列和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選擇也趨于相對統(tǒng)一。此時，可以利用Revit 的預制構(gòu)件庫建立標準預制構(gòu)件，在實際工程可以直接調(diào)用標準構(gòu)件庫的相應構(gòu)件，并且只需要簡單地進行參數(shù)修改即可進行模型的拼裝。

構(gòu)件拆分要遵循規(guī)格盡量統(tǒng)一，組合相對靈活，受力必須合理，運輸組裝方便的原則。例如，設(shè)計中，多將柱拆分為單節(jié)柱，更容易統(tǒng)一規(guī)格，保證垂直度，也更加易于裝配運輸。BIM技術(shù)可以在人工拆分構(gòu)件的基礎(chǔ)上對細節(jié)進行優(yōu)化調(diào)整，不僅大大減少了設(shè)計人員進行構(gòu)件拆分的工序和時間，對裝配式建筑降低造價，提高工程質(zhì)量和保證工程的連貫性也具有重大意義。

2.3 預埋件的設(shè)計及布置

預埋件是指實現(xiàn)預埋或安裝在隱蔽工程中的構(gòu)件，對提高工程內(nèi)部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)固性起著重要作用。主要分為結(jié)構(gòu)連接件（鋼筋、錨固件）、支模吊裝件、填充物、水電暖同等功能件和其它功能件?？紤]到構(gòu)件的截面尺寸和構(gòu)件之間的連接節(jié)點設(shè)計，要求預埋件的數(shù)量、規(guī)格、預埋深度和高度設(shè)計精確，一經(jīng)設(shè)計生產(chǎn)便不可輕易更改位置。鋼筋族可以利用軟件中已經(jīng)配置了“鋼筋形狀樣板文件”創(chuàng)建，但是這樣創(chuàng)建的鋼筋無法嵌套入其它的族文件中，很難進行預制構(gòu)件參數(shù)化配筋。一般利用Revit“公制常規(guī)模型”功能進行預埋件建模，若同類型預埋件尺寸有差異時，可通過新建族類型進行參數(shù)設(shè)置。

2.4 碰撞檢查

碰撞檢查主要是指在生產(chǎn)前檢查構(gòu)件與構(gòu)件、鋼筋與鋼筋、鋼筋與預埋件以及預埋件與預埋件的碰撞。BIM軟件可以將不同專業(yè)的模型整合成一個三維模型，進行本專業(yè)的構(gòu)件間和不同專業(yè)的構(gòu)件之間的碰撞分析。并且能夠?qū)⑦B接細節(jié)和碰撞檢查出的問題直觀地進行可視化展現(xiàn)，設(shè)計人員能更好地進行優(yōu)化調(diào)整。此外，不同的軟件間還支持相互轉(zhuǎn)換導入，因此可以實現(xiàn)所有專業(yè)的碰撞檢查，并自動生成檢查報告，設(shè)計人員可以實時提取數(shù)據(jù)信息并進行集成分析，可以最大程度避免實際工程中碰撞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3 BIM 技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計階段應用實例

3.1 工程概況

項目位于德清縣雷甸鎮(zhèn)浙江建工集團鋼構(gòu)基地內(nèi)，建筑主要功能為集體宿舍，共兩層，總建筑面積1040 平方米，單層建筑面積為520 平方米。設(shè)計層高為一層3.6m，二層3.4m，建筑總高度為7.6m,裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)。

3.2 BIM模型建立

本項目利用BIM進行正向設(shè)計，介于該項目功能繁多、設(shè)計難度大，故分專業(yè)進行模塊化建模，構(gòu)建了不同專業(yè)的協(xié)同模型（圖1），包括建筑、結(jié)構(gòu)、機電、給排水四個專業(yè)。各專業(yè)分開建模導致信息數(shù)據(jù)較為分散，需要組合為一個整體模型。通過Revit 創(chuàng)建鏈接命令，確定統(tǒng)一基準點，進行信息關(guān)聯(lián)，將各專業(yè)獨立的模型整合到一起，便于后期數(shù)據(jù)的有效分析和信息的完整傳送。

圖1 各專業(yè)協(xié)同模型

3.3 構(gòu)件拆分

為了增強結(jié)構(gòu)抗震性能和提高預制率，本工程采用了新型預制框架結(jié)構(gòu)，用斜鋼撐取代了現(xiàn)澆混凝土墻，并實現(xiàn)了主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件梁、柱、外墻、樓板的裝配整體化和其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如樓梯等構(gòu)件全預制化，單體預制率為83%。并對預制柱、預制外墻、預制梁、預制樓板、預制樓梯等預制構(gòu)件進行了精細化拆分、參數(shù)化設(shè)置及族的創(chuàng)建等工作，提高了設(shè)計的精確度和避免了生產(chǎn)施工中的一些可預見問題的產(chǎn)生。

圖2 標準層構(gòu)件拆分

3.4 節(jié)點設(shè)置

在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，本工程各預制構(gòu)件之間、預制構(gòu)件與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間的標準節(jié)點直接從節(jié)點庫中調(diào)用，非標準節(jié)點則進行參數(shù)設(shè)置創(chuàng)建新的節(jié)點。利用參數(shù)化設(shè)置同樣可以對鋼筋的類型、彎鉤、長度等參數(shù)進行設(shè)置并導入標準庫，對于一些不同構(gòu)件相同配筋的情況可直接從標準庫中調(diào)用。預留孔洞則通過插件和三維開洞技術(shù)確定孔洞的尺寸及布設(shè)位置。

3.5 碰撞檢查

通過建筑、結(jié)構(gòu)、機電、給排水專業(yè)的模型構(gòu)建和模型整合，對各專業(yè)的進行碰撞點檢測。主要進行機電專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)的自檢，機電專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)的交互檢查以及節(jié)點的檢查。

結(jié)構(gòu)模型的自檢主要檢測各結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間、構(gòu)件和預留洞口的沖突情況。例如檢測門窗的開洞位置與結(jié)構(gòu)柱的布置是否發(fā)生重疊，樓梯或電梯與樓板的開洞位置是否產(chǎn)生碰撞。本案例中出現(xiàn)了一層梁、墻空調(diào)洞口錯位，墻板碰撞重合，相鄰墻板尺寸設(shè)計誤差20mm；外墻墻縫寬度設(shè)置不一致，與相鄰墻縫相差20mm，需要對圖紙進行修訂。

機電專業(yè)的管線交錯復雜，基于2D 的設(shè)計很難預估實際的排布狀況，高密度的管線間的容易出現(xiàn)碰撞交疊的情況，以及因為管線尺寸選擇和排布不合理造成凈高不足的問題，特別是管線更加密集的地下部分。需要在結(jié)構(gòu)、建筑模型基礎(chǔ)上建立機電管線模型，核查碰撞問題，優(yōu)化管線走向布置。

將機電專業(yè)和建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)模型整合成構(gòu)建全專業(yè)模型，檢查對管線是否出現(xiàn)穿梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的情況，以及管線的排布是否和預留洞口的位置相吻合等情況。本工程中出現(xiàn)了在后勤倉庫處消防管道預留凈高不足，與截面尺寸為1200mm*500mm 的梁發(fā)生碰撞，需要考慮穿梁通過。

節(jié)點的檢查優(yōu)化主要包括預埋件和鋼筋的碰撞檢查及調(diào)整優(yōu)化。埋件的檢查優(yōu)化主要在結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上建立預埋件模型，通過碰撞檢查和模擬施工檢測節(jié)點設(shè)計的合理性和預埋件的連接情況，對存在碰撞沖突的構(gòu)件進行分析優(yōu)化。鋼筋的碰撞檢查主要通過建立鋼筋模型并進行組裝，發(fā)現(xiàn)并解決節(jié)點鋼筋碰撞問題，并對相應的鋼筋位置進行優(yōu)化。（圖3～6）

圖3 結(jié)構(gòu)專業(yè)碰撞檢查

圖4 管線碰撞檢查

圖5 預埋件碰撞檢查

圖6 鋼筋碰撞檢查

3.6 工程量統(tǒng)計

利用BIM 軟件能夠統(tǒng)計工程項目所有預制構(gòu)件和非預制構(gòu)件的數(shù)據(jù)信息，如現(xiàn)澆混凝土的體積、預制混凝土的體積、配筋情況以及內(nèi)外維護構(gòu)件的表面積等詳細的工程數(shù)據(jù)。通過提取預制構(gòu)件清單能夠計算出工程的裝配率以及后期的預算造價工作所需要的指標，提供了數(shù)據(jù)支撐，減少了人工誤差。通過在Revit 軟件中提取構(gòu)件的加工圖，自動統(tǒng)計材料清單并加以編號歸類，對于后期的生產(chǎn)采購、設(shè)備選型工作提供了依據(jù)，提高了工作效率。

3.7 BIM成果出圖

經(jīng)過設(shè)計方多次的調(diào)整優(yōu)化，已獲得最佳設(shè)計方案。此時，利用Revit 軟件的出圖功能直接導出三維的BIM模型，進行三維表達，能更直觀地展示設(shè)計成果。若發(fā)生設(shè)計變更時，能夠直接調(diào)整三維模型，導出新的圖紙，減少了因設(shè)計變更所產(chǎn)生的巨大工作量也避免了細節(jié)信息數(shù)據(jù)的遺漏。同時，Revit 軟件可以批量導出DWG 格式的二維圖紙，進行三維輔助出圖。

4 結(jié)論

裝配式建筑的BIM技術(shù)的碰撞是我國建筑業(yè)朝著智能化、工業(yè)化轉(zhuǎn)型的必經(jīng)環(huán)節(jié)。BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計階段主要高效完成結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化、構(gòu)件深化設(shè)計、工程量清單統(tǒng)計、圖紙輸出、構(gòu)件指標分析等工作內(nèi)容，對推進裝配式建筑的快速發(fā)展作出重要貢獻。然而，BIM技術(shù)不僅僅是解決建模、碰撞等問題，它更主要的是強調(diào)各項目參與方的協(xié)同合作。但現(xiàn)階段設(shè)計人員之間及各參與方之間還無法實現(xiàn)高效地協(xié)同合作，這是BIM技術(shù)發(fā)展亟需解決的問題。但相信隨著技術(shù)難關(guān)的突破以及配套政策的完善，BIM技術(shù)與裝配式建筑能更加深入融合，為我國建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供新思路、新前景。