BIM 技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計階段的應(yīng)用探究

劉喻可馨 葉子銘

（江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000）

1 BIM 技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計階段的應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(zhǔn)確設(shè)計，容易導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)及項目規(guī)劃、投標(biāo)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(dǎo)入回Revit軟件中以供其他專業(yè)使用。當(dāng)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(dǎo)致設(shè)計無法銜接連貫時，需要進行人工干預(yù)，分析原因后調(diào)整并進行預(yù)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)制構(gòu)件庫建立標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制構(gòu)件，在實際工程可以直接調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫的相應(yīng)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(yù)埋件的設(shè)計及布置

預(yù)埋件是指實現(xiàn)預(yù)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(yù)埋件的數(shù)量、規(guī)格、預(yù)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(yù)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(yù)埋件建模，若同類型預(yù)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(yù)埋件以及預(yù)埋件與預(yù)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(zhǔn)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(yù)制率，本工程采用了新型預(yù)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(yù)制化，單體預(yù)制率為83%。并對預(yù)制柱、預(yù)制外墻、預(yù)制梁、預(yù)制樓板、預(yù)制樓梯等預(yù)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(yù)見問題的產(chǎn)生。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)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(yù)制構(gòu)件之間、預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點直接從節(jié)點庫中調(diào)用，非標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)庫，對于一些不同構(gòu)件相同配筋的情況可直接從標(biāo)準(zhǔn)庫中調(diào)用。預(yù)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(yù)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(fù)雜，基于2D 的設(shè)計很難預(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yīng)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(yù)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(yù)制構(gòu)件和非預(yù)制構(gòu)件的數(shù)據(jù)信息，如現(xiàn)澆混凝土的體積、預(yù)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(yù)制構(gòu)件清單能夠計算出工程的裝配率以及后期的預(yù)算造價工作所需要的指標(biāo)，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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(biāo)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。