BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

文/中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 張 玲 潘 悅

0 引言

2020年7月，住建部發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，進(jìn)一步推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展。傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)方法中各專業(yè)相對(duì)獨(dú)立，在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行階段性綜合，此種方式雖可滿足裝配式建筑的基本需求，但設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量難以提高，裝配式項(xiàng)目中工廠生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)裝配的時(shí)差及質(zhì)量偏差導(dǎo)致返工成本很高。基于BIM技術(shù)構(gòu)建的一組協(xié)同BIM模型被各專業(yè)共同使用，可完整描述工程設(shè)計(jì)對(duì)象，真實(shí)反映建筑產(chǎn)品信息，輔助各專業(yè)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。另一方面，BIM技術(shù)可作為溝通協(xié)同的工作方式，為建筑產(chǎn)品提供多方共同溝通的載體，確保信息的一致性，是一種新型協(xié)作設(shè)計(jì)模式，可減少浪費(fèi)。

1 BIM技術(shù)與裝配式建筑

BIM技術(shù)是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息為基礎(chǔ)，集成建筑所有的幾何信息、功能和結(jié)構(gòu)信息，建立三維建筑模型，通過(guò)數(shù)字信息模擬建筑物所有的真實(shí)信息。BIM技術(shù)的應(yīng)用使所有相關(guān)方從規(guī)劃方案設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、部品部件生產(chǎn)加工到現(xiàn)場(chǎng)裝配過(guò)程，甚至運(yùn)維過(guò)程的全生命期均可進(jìn)行可視化管理與協(xié)作，相較傳統(tǒng)二維圖紙的抽象化表達(dá)與信息傳遞具有明顯優(yōu)勢(shì)，在裝配式建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)，可打通設(shè)計(jì)各專業(yè)、生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)裝配等各階段的信息壁壘，最大限度發(fā)揮BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)，解決裝配式項(xiàng)目的技術(shù)和管理難點(diǎn)，最終將建筑工程打造為具有工業(yè)級(jí)品質(zhì)的產(chǎn)品。

2 BIM技術(shù)在裝配式項(xiàng)目中的應(yīng)用分析

2.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為朝陽(yáng)區(qū)垡頭地區(qū)焦化廠公租房，總建筑面積54.8萬(wàn)m2，其中地上29.4萬(wàn)m2，地下25.4萬(wàn)m2，包含住宅、商業(yè)、車庫(kù)及配套公共服務(wù)設(shè)施等功能。項(xiàng)目單體預(yù)制率47.80%，裝配率最高達(dá)91%，評(píng)價(jià)為AAA級(jí)裝配式建筑，建成高度為78m，是目前國(guó)內(nèi)最高的超低能耗建筑。該項(xiàng)目從方案設(shè)計(jì)、擴(kuò)初設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)全部采用BIM技術(shù)，如圖1所示，參與BIM設(shè)計(jì)人員60余人，目前項(xiàng)目已交付。本文只選取部分應(yīng)用內(nèi)容闡述BIM技術(shù)在裝配式項(xiàng)目中的應(yīng)用特點(diǎn)和價(jià)值。

圖1 各階段BIM模型

2.2 方案設(shè)計(jì)階段

本項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段主要綜合方案經(jīng)濟(jì)性、可行性及部分規(guī)劃指標(biāo)的要求進(jìn)行方案選型，如在立面設(shè)計(jì)上采用工業(yè)化設(shè)計(jì)邏輯，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)，利用預(yù)制外墻板展現(xiàn)預(yù)制模板肌理變化，通過(guò)不同元素組合，在整體和諧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)個(gè)體差異化；通過(guò)BIM模擬分析，在一類高層建筑的超低能耗應(yīng)用上進(jìn)行抗風(fēng)壓、氣密性等研究；基于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則，采用套型標(biāo)準(zhǔn)化、廚衛(wèi)模塊化及內(nèi)裝部品裝配化設(shè)計(jì)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化套型設(shè)計(jì)構(gòu)成多樣化的套型產(chǎn)品系列，使套型功能空間集約合理；利用BIM信息制作虛擬樣板間（見(jiàn)圖2），通過(guò)VR技術(shù)，在客戶身臨其境體驗(yàn)的同時(shí)，可實(shí)時(shí)更改裝修方案，便于與政府主管部門及業(yè)主代表溝通，提高方案質(zhì)量和客戶滿意度；考慮施工運(yùn)輸路線、吊裝等因素，調(diào)整樓棟定位，既降低施工難度，又滿足建筑全生命周期要求。

圖2 VR虛擬樣板間

2.3 擴(kuò)初設(shè)計(jì)階段

為確保項(xiàng)目本身對(duì)裝配率的要求，在擴(kuò)初設(shè)計(jì)階段就與相關(guān)專家、構(gòu)件廠家進(jìn)行交流，最大限度識(shí)別可預(yù)制構(gòu)件及工廠加工可行性。下沉廣場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)采用BIM模型進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)，在結(jié)構(gòu)主體上設(shè)置綜合管廊解決管線外露的問(wèn)題，同時(shí)為內(nèi)外管線綜合提供有力支持。其中2棟樓創(chuàng)新采用地道風(fēng)系統(tǒng)，利用BIM模型直觀推敲該系統(tǒng)的可實(shí)施性及優(yōu)化方案，如圖3所示。充分考慮構(gòu)件加工和現(xiàn)場(chǎng)裝配的可行性，采用新風(fēng)熱回收機(jī)組+戶式冷熱源一體機(jī)解決小套型新風(fēng)，利用BIM模型優(yōu)化后將每層1臺(tái)全熱交換機(jī)組設(shè)置在前室的公共室外設(shè)備平臺(tái)，每戶在入戶玄關(guān)吊頂內(nèi)設(shè)置新風(fēng)冷熱源一體機(jī)，風(fēng)機(jī)高度350mm。外墻洞口的防水防火保溫設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量是裝配式項(xiàng)目的一大難點(diǎn)，連接位置處理不好可能會(huì)出現(xiàn)滲水、冷橋等無(wú)法補(bǔ)救的質(zhì)量事故。在本項(xiàng)目外墻窗洞節(jié)點(diǎn)方案選擇時(shí)，通過(guò)BIM模型進(jìn)行溝通，對(duì)原有方案進(jìn)行多次優(yōu)化，最終確定可滿足立面方案設(shè)計(jì)效果、加工精度及保證現(xiàn)場(chǎng)裝配質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)方案，并在節(jié)點(diǎn)模型中標(biāo)注詳細(xì)的細(xì)部尺寸、關(guān)鍵控制點(diǎn)等信息，為后續(xù)工廠制作、現(xiàn)場(chǎng)裝配提供準(zhǔn)確信息，確保最后的施工質(zhì)量，如圖4所示。

圖3 地道風(fēng)系統(tǒng)

圖4 外墻細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.4 施工圖設(shè)計(jì)階段

施工圖設(shè)計(jì)階段主要是在擴(kuò)初方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步明確細(xì)部做法。與廠家多次溝通后，外墻體采用高效預(yù)制夾心外墻板技術(shù)，并創(chuàng)新運(yùn)用20mm厚VIP真空板+120mm厚硬泡聚氨酯復(fù)合保溫技術(shù)，如圖5所示。預(yù)制夾心外墻采用工廠加工，預(yù)留埋件，現(xiàn)場(chǎng)安裝被動(dòng)窗。公租房全部采用裝配式裝修，實(shí)現(xiàn)干法施工，機(jī)電系統(tǒng)采用管線分離技術(shù)，體現(xiàn)工業(yè)化的技術(shù)特征，如圖6所示。

圖5 裝配式結(jié)構(gòu)外墻外保溫構(gòu)造

圖6 管線分離

3 BIM技術(shù)應(yīng)用效果

裝配式項(xiàng)目目前處于提升與發(fā)展期，由于勞動(dòng)力成本不斷攀升，預(yù)制構(gòu)件加工精度與質(zhì)量、施工技術(shù)和管理水平不斷提高，隨著一系列政策的出臺(tái)，裝配式項(xiàng)目在新建項(xiàng)目中的占比會(huì)不斷提高。裝配式建筑可提升建造效率和工程質(zhì)量，降低建造成本，同時(shí)提升綠色節(jié)能效果，其推廣和普及在一定程度上可拉動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，在此期間總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)對(duì)加速產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要?，F(xiàn)階段裝配式相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈及政策法規(guī)仍有很大提升空間，裝配式項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)尚未完全發(fā)揮，隨著各項(xiàng)條件的不斷完善和成熟，裝配式項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)將更加凸顯。以下是基于該項(xiàng)目總結(jié)BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用效果，該成果在當(dāng)前環(huán)境下具備一定普遍性。

1）基于BIM的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升效果明顯，但設(shè)計(jì)效率和成本優(yōu)勢(shì)并不明顯。通過(guò)BIM協(xié)同平臺(tái)將各專業(yè)數(shù)據(jù)信息共享和深度集成，各專業(yè)設(shè)計(jì)互為約束、互為條件，強(qiáng)化專業(yè)協(xié)同，BIM軟件的部分自動(dòng)約束功能在一定程度上可降低對(duì)人員專業(yè)能力的要求，減少“錯(cuò)、漏、碰、缺”導(dǎo)致的設(shè)計(jì)變更，從而提升設(shè)計(jì)質(zhì)量；另一方面，受設(shè)計(jì)人員BIM技能、平臺(tái)本身存在的技術(shù)問(wèn)題等因素影響，設(shè)計(jì)人員的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)習(xí)慣改變?nèi)孕枰欢ㄟ^(guò)程，同時(shí)，現(xiàn)階段在政策標(biāo)準(zhǔn)層面對(duì)二維圖紙尚有強(qiáng)制要求，這些因素均對(duì)設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)成本產(chǎn)生較大影響。

2）基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)全過(guò)程協(xié)同對(duì)確保最終建筑產(chǎn)品的質(zhì)量、降低建造成本、確保工期效果明顯。裝配式建筑是高度集成的工業(yè)化產(chǎn)品，現(xiàn)階段部品部件的供應(yīng)和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化程度仍在完善過(guò)程中，如何確保設(shè)計(jì)成果的可實(shí)施性，最大程度提高其經(jīng)濟(jì)性，需要設(shè)計(jì)單位、構(gòu)件加工企業(yè)及施工企業(yè)充分協(xié)作和溝通，消除信息溝通盲點(diǎn)，避免出現(xiàn)建筑質(zhì)量下降、成本增加、工期延長(zhǎng)等問(wèn)題，真正體現(xiàn)建筑工業(yè)化的優(yōu)勢(shì)。

4 BIM技術(shù)應(yīng)用影響因素

BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的深入應(yīng)用無(wú)疑會(huì)有效促進(jìn)裝配式建筑各專業(yè)、各環(huán)節(jié)、各參與方的協(xié)同工作，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證交付產(chǎn)品質(zhì)量。目前，BIM技術(shù)應(yīng)用深度和廣度不斷提升，與此同時(shí)也發(fā)現(xiàn)一些影響B(tài)IM技術(shù)推廣的問(wèn)題。

1）人員 對(duì)人員的要求包括相關(guān)技術(shù)技能和意識(shí)、習(xí)慣兩方面的要求。設(shè)計(jì)階段的BIM人員包括基于BIM技術(shù)的復(fù)合型專業(yè)設(shè)計(jì)人員，這類人員可通過(guò)技能培訓(xùn)和學(xué)習(xí)培養(yǎng)；基于BIM技術(shù)的協(xié)作管理模式與傳統(tǒng)協(xié)作溝通方式差別較大，習(xí)慣和意識(shí)的轉(zhuǎn)變對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要，需要行業(yè)人員以開(kāi)放的心態(tài)在客觀理解其價(jià)值的基礎(chǔ)上逐漸轉(zhuǎn)變。

2）技術(shù) 專業(yè)的BIM集成和協(xié)同平臺(tái)需完善，協(xié)同平臺(tái)專業(yè)度仍需提升，缺乏統(tǒng)一開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口，造成協(xié)作效率降低和應(yīng)用復(fù)雜，如基于BIM的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制構(gòu)件部品庫(kù)尚不完善，相當(dāng)一部分技術(shù)、設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)及運(yùn)維的各方管理協(xié)同銜接不佳，既影響效率，又不利于信息集中傳遞。因此需要相關(guān)軟件企業(yè)完善接口標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)符合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)環(huán)境和發(fā)展階段的相關(guān)軟件、平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)。

3）標(biāo)準(zhǔn) 由于行業(yè)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，特別是針對(duì)裝配式項(xiàng)目BIM相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各專業(yè)間缺少統(tǒng)一的行業(yè)技術(shù)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致不同專業(yè)BIM模型集成出現(xiàn)信息丟失、無(wú)法集成等問(wèn)題；設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠家之間數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)接、流轉(zhuǎn)。對(duì)此，還需政府和行業(yè)主管部門加大政策引導(dǎo)力度，通過(guò)行業(yè)標(biāo)桿完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)化生產(chǎn)建造模式及一體化建造技術(shù)在裝配式建筑中的深度應(yīng)用更有利于發(fā)揮BIM技術(shù)信息共享和集成優(yōu)勢(shì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，為設(shè)計(jì)方帶來(lái)效益。同時(shí)，我們也應(yīng)該客觀看待現(xiàn)階段存在的問(wèn)題，積極面對(duì)，未來(lái)BIM技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)促進(jìn)裝配式建筑快速發(fā)展。