基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅模塊化設(shè)計研究

林威，賈莉莉，沈萬玉

（1.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽富煌鋼構(gòu)股份有限公司，安徽 巢湖 238076）

0 引言

隨著我國建筑市場的不斷發(fā)展和進步，傳統(tǒng)粗放式發(fā)展方法和經(jīng)濟管理模式正在逐漸突出，其存在的諸多問題如：資源的利用、環(huán)境污染、生產(chǎn)效率、施工安全等。為了解決這些問題，國家正在大力發(fā)展新型裝配式建筑。該鋼結(jié)構(gòu)建筑具有了輕質(zhì)高強、清洗環(huán)保、施工迅速、綜合造價相對較低等優(yōu)點，符合了裝配式建筑的高效、快速、簡單、安全、綠色、環(huán)保要求。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化建設(shè)是我國發(fā)展全壽命的綠色建筑、推動住宅產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)型升級、化解當前鋼鐵產(chǎn)能嚴重過剩等主要戰(zhàn)略性需求，更是我國建筑業(yè)實施現(xiàn)代化的必然要求。目前，我國的大型鋼結(jié)構(gòu)房屋多數(shù)仍然沿用著傳統(tǒng)的戶型和設(shè)計方式，由于其模數(shù)不統(tǒng)一，難以實現(xiàn)工業(yè)化和大批量生產(chǎn)，導(dǎo)致這些鋼結(jié)構(gòu)房屋的整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)勢未得到充分發(fā)揮。本文分析了裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅優(yōu)勢以及存在問題，提出了基于BIM的模塊化設(shè)計方法，便于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的工業(yè)化生產(chǎn)。

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)勢

由于鋼結(jié)構(gòu)整體抗拉抗壓以及抗剪強度都相對比較大，同時由于其材料的力學性能優(yōu)良，表面斷面也比較小，自重也比較輕，因此在進行地基處理和施工工作中就相對比較簡單，有效地降低了大量的基礎(chǔ)施工環(huán)節(jié)造價。由于鋼結(jié)構(gòu)本身具有良好的耐震性能，整體空間布局也比較簡單，而且鋼結(jié)構(gòu)主體和部件的占地面積也比較小，增加了室內(nèi)的利用面積。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計標準化程度較高，通過工廠的現(xiàn)場制作和現(xiàn)場安裝可以實現(xiàn)規(guī)模化和模塊化施工，整體的施工周期相對較短，并且受到周圍場地和環(huán)境因素的限制相對較小。鋼結(jié)構(gòu)屬于一種新型綠色環(huán)保的建筑材料，在實際的施工過程中可以對部分的鋼結(jié)構(gòu)材料進行拆除、回收以及再運用，整體的使用效率較高，并且生命周期較長，具有非常良好的經(jīng)濟發(fā)展特點，充分符合了我國節(jié)能環(huán)保的建筑發(fā)展理念。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點是可工廠預(yù)制以及現(xiàn)場安裝等，結(jié)合前期設(shè)計手段以及現(xiàn)場生產(chǎn)手段后，讓各道工序間能夠互相配合和協(xié)調(diào)，并使得施工現(xiàn)場的總體施工效率大幅度提高。在具體的施工過程中，建筑工程施工單位能夠借助于網(wǎng)絡(luò)計算機技術(shù)結(jié)合數(shù)控機床的方式來對施工精準度以及施工效率做出準確、到位的控制。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的主要問題

2.1 基于PC結(jié)構(gòu)理念的鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計

目前國內(nèi)建筑行業(yè)的工業(yè)化主要有預(yù)制鋼筋混凝土裝配式結(jié)構(gòu)（英文縮寫：PC結(jié)構(gòu)）與鋼框架結(jié)構(gòu)（又稱鋼框架）兩種。盡管我國的建筑行業(yè)工業(yè)化已經(jīng)取得了長期的進步，但即便是大城市，工業(yè)化的生產(chǎn)率也并非低。目前，我國的建筑行業(yè)依然還是以粗放型建筑為主，建設(shè)標準化的工作進展比較滯后，對相應(yīng)零部件的標準化、通用性程度較低，新型建筑的結(jié)構(gòu)制造體系仍然是處于探索階段，出現(xiàn)了許多PC建筑工業(yè)化的體系，都未經(jīng)過市場的充分審批，但都沒有少數(shù)示范性項目。由于鋼結(jié)構(gòu)住宅工業(yè)化的建筑設(shè)計在當時我國起步較晚，很多家庭住宅的設(shè)計尚是根據(jù)傳統(tǒng)PC結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，導(dǎo)致其所建造的戶型開間進深、尺寸沒有形成少規(guī)格多組合的原則，不能夠適合于工業(yè)化的建設(shè)與發(fā)展。很多住宅設(shè)計還是根據(jù)傳統(tǒng)的PC結(jié)構(gòu)設(shè)計，導(dǎo)致建造的戶型開間進深、尺寸沒有形成少規(guī)格多組合的原則，不適合工業(yè)化的發(fā)展。

2.2 部品部件規(guī)格不統(tǒng)一

在進行鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計時，沒有按照模塊化的標準進行設(shè)計，導(dǎo)致構(gòu)件的尺寸規(guī)格較多，工廠加工作業(yè)增加，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場時需要進行裁剪，不僅耗費了大量的鋼材和人力，而且墻板的安裝在水平、豎直方向排列不統(tǒng)一。構(gòu)件規(guī)格較多增加了建筑的成本，降低了建筑本身的美觀性。

由于部件沒有按照模數(shù)協(xié)調(diào)設(shè)計，造成構(gòu)件在施工現(xiàn)場堆放隨意，種類太多、規(guī)格復(fù)雜，降低了施工安裝質(zhì)量。部件的互換性較低，與建筑設(shè)計匹配性差，部件不能大規(guī)模地生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)效率，不利于構(gòu)件的標準化、通用化生產(chǎn)。

2.3 缺少全裝修和設(shè)備一體化的集成化設(shè)計

目前我國的裝配式建筑還仍然處于發(fā)展的初級階段，結(jié)構(gòu)、零部件、機電器具、裝配施工、室內(nèi)裝飾和建筑裝修等方面的一體化集成設(shè)計技術(shù)能力存在嚴重欠缺，設(shè)計人員對于裝配式建筑的技術(shù)、質(zhì)量、效率、經(jīng)濟效益等方面的總體可靠性控制認識不夠。設(shè)計的標準化水平較低，模塊化的設(shè)計應(yīng)用較少，而且建筑信息模型技術(shù)正被廣泛應(yīng)用到了裝配式建筑設(shè)計這個領(lǐng)域。未能做到全裝修設(shè)計和施工一體化，裝修、主體框架結(jié)構(gòu)施工、機電器具安裝等各個環(huán)節(jié)的銜接較為順暢。標準化、集成化、模塊化裝修設(shè)計、施工方案等亟待探索和推進，整體廚衛(wèi)、輕質(zhì)隔墻等新型材料、生產(chǎn)車間及設(shè)備的管線集成化技術(shù)的應(yīng)用也亟待提高。

3 BIM技術(shù)和模塊化設(shè)計原則

3.1 BIM技術(shù)特點

隨著我國建筑產(chǎn)品和服務(wù)行業(yè)的迅猛發(fā)展，計算機技術(shù)逐步被引進到了建筑產(chǎn)品和服務(wù)中。BIM技術(shù)作為一種綜合性地應(yīng)用于工程設(shè)計施工和建造管理的數(shù)字化方法和工具，BIM技術(shù)充分地整合了建設(shè)工程項目中的各種資料和信息，創(chuàng)建了一個可以反映實際情況的三維模型。在整個建筑的整個生命周期中，通過一種建筑物的信息模式就可以實現(xiàn)了集成化的管理。通過BIM技術(shù)就能夠模擬出一個建筑物的行為，大大提高了項目的效率。BIM技術(shù)具有以下特點：

①可視化。隨著當前我國現(xiàn)代建筑業(yè)的快速發(fā)展進步和不斷發(fā)展，建筑物的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，只靠一張CAD的二維圖紙難以想象地繪出一個大型建筑物的整體結(jié)構(gòu)形狀，BIM為現(xiàn)代大眾設(shè)計提供了一種具有可視覺變化的建筑設(shè)計表現(xiàn)思路，將以往過于傳統(tǒng)的建筑線條結(jié)構(gòu)圖形以一種三維建筑實物圖的表現(xiàn)形式重新呈現(xiàn)出來在了當今人們的面前。技術(shù)人員可以通過實物圖盡早發(fā)現(xiàn)施工中可能遇到的各種問題，提前規(guī)避掉，減少施工問題發(fā)生的概率。

②協(xié)調(diào)性。在企業(yè)進行工程設(shè)計和現(xiàn)場施工時，由于各部門專業(yè)工程技術(shù)人員的信息溝通保障措施落實不到位，可能就這樣會容易產(chǎn)生機械碰撞等安全問題?？赡軙a(chǎn)生碰撞問題。BIM建筑信息模塊系統(tǒng)可以在前期有效地針對碰撞性問題作出協(xié)調(diào)，而且該模型還能夠?qū)ㄖ煌δ苣K之間做出相應(yīng)的協(xié)調(diào)，提高了一體化建筑信息系統(tǒng)集成和設(shè)計的能力。而且模型還可以對建筑不同的功能模塊進行協(xié)調(diào)，提高了建筑的一體化集成設(shè)計能力。

③模擬性。BIM不僅能夠模擬建筑的外觀和結(jié)構(gòu)模型，還能夠用來模擬建筑結(jié)構(gòu)的受力和運動模型以及一些實際現(xiàn)實中看得到的東西，提高了建筑的施工質(zhì)量，降低了建筑施工的風險。

④可出圖性。BIM可以對建筑信息進行快速的整合和處理，根據(jù)技術(shù)人員、業(yè)主等不同的人群提供有效的圖紙。

3.2 模塊化設(shè)計原則

實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化首先要實現(xiàn)模數(shù)化。部品在工廠進行生產(chǎn)，更適合工業(yè)化工廠中的模數(shù)化體系。

模塊化設(shè)計主要是在充分考慮整個建筑系統(tǒng)的不同功能時，將整個建筑系統(tǒng)劃分為若干個層次相對較低、可以進行互換的、獨立空間基礎(chǔ)設(shè)施單元等多個模塊，然后根據(jù)用戶的不同要求，將各個空間設(shè)計單元進行了組合，設(shè)計制作出不同類型的戶型設(shè)計單元。模塊化設(shè)計需要對不同功能空間進行劃分，再分別就不同功能模塊進行了類型和數(shù)量化設(shè)計，形成一個規(guī)整統(tǒng)一的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件。模數(shù)化的設(shè)計解決了結(jié)構(gòu)構(gòu)件規(guī)格較多的問題，同時有利于形成模數(shù)協(xié)調(diào)的柱中心線，使得建筑設(shè)計滿足少規(guī)格多組合的原則。這種建筑設(shè)計方法不但可以充分滿足客戶各種個性化建筑的需要和選型，而且節(jié)約了建筑物的施工成本，得到了開發(fā)商、施工方和建筑設(shè)計人員的認可。

4 基于BIM技術(shù)的模塊化設(shè)計方法

4.1 戶型庫的建立

常見的戶型有臥室、客廳、廚房、衛(wèi)生間等功能模塊組成，根據(jù)部件的精細化設(shè)計能夠確定模塊的大致尺寸，在考慮模數(shù)協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，提出幾種通用的功能模塊。同時，不同的功能模塊之間能夠相互組合，形成不同的戶型。就現(xiàn)代建筑戶型而言，經(jīng)過長期淘汰與篩選，人們對戶型的需求已經(jīng)比較明顯。利用BIM技術(shù)可以建立建筑戶型模型（如圖1），形成通用的戶型庫。設(shè)計師要保證戶型內(nèi)各功能的合理劃分、結(jié)構(gòu)的合理布置以及水電暖等設(shè)備的合理安裝。

圖1 戶型模型

4.2 戶型的平面組合

戶型間設(shè)計主要是考慮戶型與戶型組合形成建筑單元時的連接問題。戶型內(nèi)設(shè)計完成了內(nèi)部功能空間的劃分，戶型之間組合才能形成完整的建筑模型。戶型在連接時需要考慮墻、柱的重合問題，所以前期通用功能模塊的設(shè)計為戶型間的組合提供了基礎(chǔ)。戶型與戶型之間組合方式有連接組合和重合組合，在建筑、結(jié)構(gòu)方面的組合主要是重合組合，其他設(shè)備主要是連接組合。建筑、構(gòu)造戶型中主要相互重合的組成部分為內(nèi)墻、內(nèi)外隔墻、柱子及剪力墻。解決這種戶型重合的主要途徑之一就是：盡量刪除與其他重合的部位構(gòu)件，保留其中比較長的一個（如圖2）。

圖2 戶型的組合

4.3 標準層的創(chuàng)建

樓層的標準層不僅包括戶型之間的組合，還包括交通模塊與戶型的組合。一個完整的房屋標準層應(yīng)該是由戶型、樓梯、電梯、前室、走廊、電梯井等組成，還有一些不符合標準的結(jié)構(gòu)。在建筑設(shè)計中，不僅需要有一些標準化的功能模塊，還要配備一些不符合標準要求的構(gòu)造。只有將這些層次組合在一起，才能建立一個完整的房屋標準層（如圖3）。

圖3 標準層設(shè)計

標準層設(shè)計時，戶型通常對稱布置。戶型對稱設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)更規(guī)整，規(guī)則性的柱網(wǎng)設(shè)計就是我們應(yīng)該盡量去實現(xiàn)的一種安全穩(wěn)態(tài)。在建筑設(shè)計時，先完成標準層的設(shè)置，其他的樓層可根據(jù)標準層進行簡單的變化。

4.4 整體建筑的協(xié)同設(shè)計

整體建筑的協(xié)同設(shè)計是將建筑的首層、標準層等其他部分組合起來，使得各樓層形成一個整體樓層。同時，在連接各部分樓層時，要保證建筑、結(jié)構(gòu)等各專業(yè)整體的協(xié)調(diào)性。建筑的整體協(xié)同設(shè)計包括各專業(yè)內(nèi)的協(xié)同性以及專業(yè)間的協(xié)同性。專業(yè)內(nèi)的協(xié)同性要依據(jù)建筑相關(guān)標準、規(guī)范進行合理的設(shè)計，專業(yè)間的協(xié)同性要避免建筑、結(jié)構(gòu)等不同專業(yè)設(shè)計時發(fā)生碰撞。

建筑的協(xié)同設(shè)計有利于各專業(yè)技術(shù)人員之間的信息交流，減少了建筑設(shè)計中可能出現(xiàn)的各種問題。加強了建筑過程信息化的共享，避免了可能出現(xiàn)建筑過程信息化的孤島，加強了從技術(shù)研究產(chǎn)品開發(fā)過程到產(chǎn)品設(shè)計、制造、物流、裝配，以及對建筑信息化工程技術(shù)工作進行了全整個流程的互聯(lián)貫通，提供了一個完整的建筑過程工業(yè)信息系統(tǒng)和一個建筑過程工業(yè)整體性信息解決問題方案。

5 結(jié)語

本文通過對基于BIM的建筑模塊化設(shè)計在建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅中的實際使用進行分析，可以了解和得出BIM模塊化技術(shù)的實際使用情況，這將更好地促進了建筑裝配式的鋼結(jié)構(gòu)住宅和建筑工業(yè)化的完美融合，能夠合理地推動建筑物和住宅的有效轉(zhuǎn)型以及經(jīng)濟社會發(fā)展，并且更好地幫助企業(yè)和社會進行節(jié)能低碳減排，獲得了技術(shù)創(chuàng)新，同時也幫助了企業(yè)為自己開拓市場，繼而加速了中國房地產(chǎn)行業(yè)整體發(fā)展速度，同時也促進了我國建筑行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。