BIM技術(shù)在裝配式建筑裝飾集成體系設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究①

吳勝南,曹燁君

(合肥師范學(xué)院,安徽 合肥 230061)

0 引 言

BIM技術(shù)一經(jīng)在裝配式建筑集成體系設(shè)計(jì)中應(yīng)用，便因其在設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、施工過程簡潔、模塊化集成程度的特點(diǎn)，以及在降低能源浪費(fèi)、減少環(huán)境污染、加快施工進(jìn)度、提高施工效率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面的巨大優(yōu)勢，逐漸成為裝配式建筑集成施工設(shè)計(jì)主流。BIM技術(shù)，是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，以模擬工程建設(shè)項(xiàng)目全生命周期各組成項(xiàng)目數(shù)據(jù)為依據(jù)，以形成具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等效果為主要目標(biāo)，通過數(shù)字集成三維模型的設(shè)計(jì)過程。將BIM技術(shù)應(yīng)用在項(xiàng)目現(xiàn)場裝配成型的預(yù)制部件設(shè)計(jì)，使大部分預(yù)制部件提前由廠家制作完成，能夠施工成本減少、機(jī)械化程度提高、工期能夠縮短、能源和材料消耗降低有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化[1]。BIM技術(shù)的可視化利用可以實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)“玩具模型式”任意拆解、組合，便于施工操作人員更加直觀、清晰的理解和把握。這一技術(shù)的深度優(yōu)化利用可以通過高度的數(shù)據(jù)模型集成，將建筑構(gòu)筑物的幾何形狀尺寸、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)造等物理信息數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)、安裝過程的難點(diǎn)通過模擬設(shè)計(jì)進(jìn)行深度優(yōu)化，減少因工程設(shè)計(jì)或其他過程紕漏影響工程建設(shè)進(jìn)行的現(xiàn)象發(fā)生，期望通過研究為促進(jìn)建筑行業(yè)綠色發(fā)展提供參考借鑒。

1 BIM技術(shù)在裝配式建筑裝飾集成體系設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值

1.1 提高裝配式建筑裝飾集成體系設(shè)計(jì)效率

在裝配式建筑裝飾集成體系設(shè)計(jì)中，需要提前設(shè)計(jì)預(yù)埋和預(yù)留各類預(yù)制構(gòu)件，對(duì)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)性和配合的緊密性有較高要求，將BIM技術(shù)應(yīng)用在裝配式建筑裝飾集成體系設(shè)計(jì)階段，能夠方便相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)信息的快速傳遞，對(duì)彼此的設(shè)計(jì)方案做好同步[2]。將BIM技術(shù)和云技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)人員完成的設(shè)計(jì)模型能夠上傳至統(tǒng)一管理的云平臺(tái)，平臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行信息比對(duì)，自動(dòng)糾正同一位置數(shù)值不匹配的錯(cuò)誤，查找出設(shè)計(jì)中的專業(yè)沖突，能夠迅速定位到設(shè)計(jì)中的問題，極大減少了人工比對(duì)的成本。應(yīng)用BIM技術(shù)的裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的拼裝和智能拆分，能夠提升至少20%的設(shè)計(jì)效率，同時(shí)能夠有效提升甲方對(duì)設(shè)計(jì)的滿意度，減少甚至避免因設(shè)計(jì)返工導(dǎo)致的項(xiàng)目交付延期和成本支出增加[3]。

1.2 實(shí)現(xiàn)裝配式建筑裝飾集成體系標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，能夠推動(dòng)設(shè)計(jì)信息的開放共享，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑裝飾集成體系標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員上傳設(shè)計(jì)方案到服務(wù)器，在“云端”實(shí)現(xiàn)信息整合，構(gòu)建建筑裝飾集成體系各類預(yù)制構(gòu)件的“族”庫，并在使用過程中不斷進(jìn)行豐富，對(duì)比形成建筑裝飾集成體系預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)形狀和模數(shù)尺寸，方便形成設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。利用這些“族”庫能夠進(jìn)一步豐富裝配式建筑裝飾集成體系的設(shè)計(jì)戶型，大大減少戶型設(shè)計(jì)消耗的時(shí)間，并能夠滿足各種類型居住者的不同需求[4]。

1.3 降低裝配式建筑裝飾集成體系的設(shè)計(jì)誤差

利用BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)人員能夠更加精細(xì)地設(shè)計(jì)裝配式建筑裝飾集成體系的建筑結(jié)構(gòu)和預(yù)制構(gòu)件，減少施工階段可能出現(xiàn)的偏差，提前對(duì)預(yù)制構(gòu)件的重要參數(shù)做更為精準(zhǔn)的定位和設(shè)計(jì)[5]。通過BIM模型的展示，設(shè)計(jì)人員能夠看到預(yù)制構(gòu)件拼裝后的契合度并進(jìn)行模擬碰撞檢測，增加連接節(jié)點(diǎn)之間的穩(wěn)定性，減少和排除裝配沖突的發(fā)生，避免因設(shè)計(jì)誤差導(dǎo)致的安裝偏差、工期延誤、材料浪費(fèi)等問題。

2 BIM技術(shù)在裝配式建筑集成體系設(shè)計(jì)中應(yīng)用的方法

2.1 裝配式建筑集成體系遵循的原則

摒棄傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)中施工過程和各環(huán)節(jié)相互割裂、獨(dú)立設(shè)計(jì)的理念，消除建筑過程過分強(qiáng)調(diào)建筑主體建設(shè)、材料運(yùn)送、施工驗(yàn)收等各工程建設(shè)階段相互脫節(jié)的弊端。BIM技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)容十分廣泛，涉及到裝配式建筑建設(shè)的各個(gè)方面，通過在裝配式建筑體系設(shè)計(jì)中運(yùn)用基于BIM技術(shù)，確保建筑全過程協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，執(zhí)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)完整統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)密切融合，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化提高施工效率、提升建筑品質(zhì)。BIM技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化的設(shè)計(jì)思想，而且能保證水、電、暖、通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和設(shè)備安裝設(shè)計(jì)與工程主體建設(shè)一體化，確保設(shè)計(jì)方案與施工過程運(yùn)行維護(hù)BIM技術(shù)支持下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行[6]。在信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)字應(yīng)用方面的優(yōu)勢和強(qiáng)大的信息數(shù)據(jù)模塊支撐下，可以使建筑物構(gòu)件的幾何尺寸、型種類匹配度更高，通過軟件模擬可以進(jìn)行工程建設(shè)全過程模擬和管理過程的沙盤演練，能夠及早發(fā)現(xiàn)問題和質(zhì)量缺陷采取措施加以解決。

2.2 裝配式建筑集成體系設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)體系是通過建立裝配式建筑體系的基準(zhǔn)平臺(tái)，借助BIM技術(shù)的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和信息技術(shù)優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)建筑標(biāo)準(zhǔn)及建筑模塊性能要求，把建筑施工過程管理的實(shí)用性、適用性、安全性充分融入在設(shè)計(jì)理念中，建立起標(biāo)準(zhǔn)化的操作模式。從實(shí)現(xiàn)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)的總體布局和各施工過程功能的實(shí)際出發(fā)，把建筑性能體系和對(duì)整個(gè)裝配式建筑要求分解到各個(gè)構(gòu)件、各施工環(huán)節(jié)、各項(xiàng)材料的選用，以建筑系統(tǒng)中各組成部分的標(biāo)準(zhǔn)化確保建筑整體功能使用、需求使用、竣工驗(yàn)收以及將會(huì)使用后運(yùn)營維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化[7]。緊扣新時(shí)代建筑業(yè)由粗放型、能源消耗型向精細(xì)管理型、環(huán)保節(jié)約型轉(zhuǎn)型期間的要求，圍繞資源利用低、環(huán)境破壞度小、生產(chǎn)效率高的建筑品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

3 BIM技術(shù)在裝配式建筑集成體系中的具體應(yīng)用

3.1 根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際確定BIM技術(shù)運(yùn)用的重點(diǎn)難點(diǎn)

近年來裝配式建筑的規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，2017年裝配式建筑規(guī)模為160km2，2018年上升到289km2，2019年更是達(dá)到了418km2，在實(shí)際建設(shè)時(shí)需要從設(shè)計(jì)施工等各個(gè)方面保障質(zhì)量，這就要求充分發(fā)揮BIM技術(shù)的作用。以上海市某大型居住社區(qū)為例。該項(xiàng)目占地面積達(dá)到2450，這一工程在應(yīng)用BIM技術(shù)時(shí)需要注重其中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。其中重點(diǎn)體現(xiàn)在對(duì)這一項(xiàng)目使用BIM技術(shù)時(shí)要把握裝配式建筑體系設(shè)計(jì)原則，結(jié)合建筑項(xiàng)目鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、全預(yù)制的裝配式施工的形式和特點(diǎn)，在搞清基礎(chǔ)層地上地下結(jié)構(gòu)、建筑面積與比鄰構(gòu)建物關(guān)系、建筑樓層高度等詳細(xì)的詳細(xì)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配式建筑中的應(yīng)用設(shè)計(jì)[8]。這一項(xiàng)目在應(yīng)用BIM技術(shù)時(shí)需要注意難點(diǎn)主要體現(xiàn)在把握工程設(shè)計(jì)和實(shí)施過程的具體要求，通過統(tǒng)籌研究進(jìn)行設(shè)計(jì)程序的歸納深化，確保預(yù)制構(gòu)件的結(jié)構(gòu)頒布合理、達(dá)到彼此間不發(fā)生碰撞的物理保護(hù)要求。組織技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場技術(shù)交底，按照施工程序吃透設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)容，確保對(duì)構(gòu)件裝置施工精準(zhǔn)快速，為高質(zhì)量完成裝配任務(wù)創(chuàng)造條件。

3.2 BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用

BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)要做好規(guī)劃選址、選址后場地分析過程中如何運(yùn)用BIM技術(shù)的分析研究。消除忽視分析場地的偏激思想，真正把分析場地當(dāng)作項(xiàng)目高度的關(guān)鍵組成來對(duì)待，通過科學(xué)合理地場地分析確保裝配建筑工程定位的正確性和合理性。有效利用BIM技術(shù)三維模型的先進(jìn)技術(shù)，通過現(xiàn)場實(shí)地調(diào)研收集翔實(shí)可靠的資料，建立與建筑物的場地條件、空間信息，完成數(shù)據(jù)相契合的高質(zhì)量施工模型為后續(xù)施工做好鋪墊。發(fā)揮BIM技術(shù)繪制圖紙清晰、直觀、可見的優(yōu)勢，把工程建設(shè)的所有元素、包含含義是BIM技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)通過BIM技術(shù)建設(shè)模型進(jìn)行全面表達(dá)，不斷改進(jìn)和完善設(shè)計(jì)方法使之達(dá)到不斷優(yōu)化[9]。

在這一工程的3號(hào)樓建設(shè)中，利用BIM技術(shù)建立模型之后，針對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)安裝中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了模擬安裝，發(fā)現(xiàn)在墻板預(yù)留處與構(gòu)造柱豎向鋼筋中出現(xiàn)了碰撞的情況，并利用這一技術(shù)進(jìn)行了處理，優(yōu)化了施工的方案，減少后期修改圖紙以及返工問題的出現(xiàn)。圖1、圖2分別為同一項(xiàng)目的BIM效果圖和傳統(tǒng)技術(shù)繪圖，通過圖1與圖2的對(duì)比可以得知傳統(tǒng)方式繪圖與BIM技術(shù)存在的區(qū)別，傳統(tǒng)的繪圖無法展示整個(gè)建筑直觀的場景，在傳統(tǒng)的繪圖中如果其中一部分需要進(jìn)行修改，那么整個(gè)繪圖都需要進(jìn)行修正，但是BIM技術(shù)的應(yīng)用可以解決這一問題，實(shí)現(xiàn)全面仿真模擬，更加高效便捷。

圖1 BIM效果圖

圖2 傳統(tǒng)技術(shù)繪圖

3.3 BIM技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)加工中的應(yīng)用

在施工中，把預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)加工設(shè)計(jì)放置在BIM同一平臺(tái)上進(jìn)行，確保預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)加工從專業(yè)技術(shù)、制作工藝到形成產(chǎn)品實(shí)施的全過程都在統(tǒng)一的技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行達(dá)到最后統(tǒng)一確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，發(fā)揮BIM軟件中圖紙具有的自動(dòng)完成深化功能優(yōu)勢，保持從生產(chǎn)材料選購、途中運(yùn)輸直至車間生產(chǎn)加工全體系過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，人為操作導(dǎo)致的失誤減少、改善生產(chǎn)效率。加強(qiáng)預(yù)制件出廠后期管理，實(shí)行預(yù)制構(gòu)件編碼登記造冊制度，將每件預(yù)制構(gòu)件的包括的生產(chǎn)人員、檢驗(yàn)人員、綁扎鋼筋、孔洞預(yù)留、生產(chǎn)日期等全部納入信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)行預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)加工管理“質(zhì)量終身制度”，保證全部構(gòu)件外形齊整、內(nèi)在質(zhì)量完好無缺陷。在裝配式建筑裝飾集成體系設(shè)計(jì)中，需要確定整個(gè)工程的施工量、技術(shù)物資的供應(yīng)量，并得到施工的方案。傳統(tǒng)的方式無法準(zhǔn)確而高效地得到相應(yīng)部件的計(jì)算量，一旦發(fā)現(xiàn)問題則需要推翻重新計(jì)算。應(yīng)用BIM技術(shù)可以直接計(jì)算得出整個(gè)項(xiàng)目的工程量，并得到每一部件的具體使用要求，在后期修改中也可以針對(duì)每一部件進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，這是傳統(tǒng)的技術(shù)無法達(dá)到地效果[10]。

例如，在這一項(xiàng)目中針對(duì)裝配式建筑鋼材的工程量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要明確的計(jì)算的規(guī)則，按照理論的重量進(jìn)行計(jì)算，則可以用到兩種不同的方式，具體如下：

(1)鋼材的重量=鋼材的體積×鋼材的密度；

(2)鋼材的重量=鋼材的長度×單位長度鋼材的重量，其中常用的鋼材的密度是7.85×103kg/m3。

其中，H型鋼梁的計(jì)算公式如下，b為寬度，h為高度，t1為鋼板梁腹板厚度，t2為鋼梁翼緣厚度，L為鋼梁長度：

M=(2bt2+ht1-2t1t2)L×7.85×10-9

3.4 BIM技術(shù)在施工階段應(yīng)用

首先，建立預(yù)制結(jié)構(gòu)件保留、領(lǐng)取和使用負(fù)責(zé)人制度。在整個(gè)裝配式建筑的施工階段中，相關(guān)負(fù)責(zé)人要根據(jù)不同施工階段，不同部位構(gòu)件、不同使用時(shí)間、不同裝配復(fù)雜程度的特點(diǎn)，防止裝配施工過程中構(gòu)件丟失、錯(cuò)用、損壞等問題出現(xiàn)。其次，施工現(xiàn)場項(xiàng)目經(jīng)理要結(jié)合BIM技術(shù)模擬現(xiàn)場的功能，通過精確計(jì)算施工數(shù)據(jù)模擬施工過程，做到流程合理、組織有序、銜接順暢，防止出現(xiàn)二次搬運(yùn)、工序間停等影響施工效率。另外，加強(qiáng)預(yù)制結(jié)構(gòu)件運(yùn)輸過程的管理，出廠建立檢驗(yàn)制度、進(jìn)入施工現(xiàn)場設(shè)置門禁系統(tǒng)，質(zhì)量檢驗(yàn)人員要第一時(shí)間實(shí)施進(jìn)場前材料，保證預(yù)制構(gòu)件在裝配施工中的使用安全。同時(shí)，在正式施工之前，根據(jù)這一工程的實(shí)際特點(diǎn)，利用BIM技術(shù)進(jìn)行了仿真模擬，并結(jié)合結(jié)構(gòu)模型、場地模型及施工計(jì)劃等方面的內(nèi)容，生成了施工模擬動(dòng)畫，提前掌握了施工的工序、要求及計(jì)劃等，并查找整個(gè)方案中存在的問題，從而達(dá)到科學(xué)施工的要求。

3.5 BIM技術(shù)在運(yùn)營維護(hù)過程中的應(yīng)用

首先，在裝配式建筑集成過程中要通過BIM軟件動(dòng)態(tài)監(jiān)測建筑物各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，確保包括設(shè)備，管理人員在內(nèi)的所有工程項(xiàng)目建設(shè)元素在狀態(tài)安全的情況下運(yùn)行工作。其次，通過BIM技術(shù)在進(jìn)行建筑擴(kuò)建、以及特殊情況下進(jìn)行是拆除裝配式作業(yè)時(shí)必須設(shè)置嚴(yán)格的防碰撞、防不均勻受力發(fā)生形變等措施，避免和預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷。再次，BIM技術(shù)應(yīng)用過程要樹立綠色環(huán)保理念，多選擇可回收處理再生資源、深入開展綠色環(huán)保施工技術(shù)和材料的運(yùn)用研究，減少建筑污染排放、降低建筑材料和能源使用損耗，推進(jìn)施工企業(yè)綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展。運(yùn)維階段BIM技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的對(duì)比，BIM技術(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化監(jiān)督和可視化呈現(xiàn)，而傳統(tǒng)技術(shù)高度依賴人力、維護(hù)難度大，BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠更好地方便裝配式建筑集成體系的運(yùn)營維護(hù)。

4 結(jié) 語

BIM技術(shù)在裝配式建筑集成體系設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式相比具有明顯優(yōu)勢，在裝配式建筑體系設(shè)計(jì)應(yīng)用中需要遵循設(shè)計(jì)的原則，實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)體系。BIM技術(shù)在裝配式建筑體系中的應(yīng)用中，要準(zhǔn)確把握BIM技術(shù)運(yùn)用的重點(diǎn)難點(diǎn)。加強(qiáng)此項(xiàng)技術(shù)在設(shè)計(jì)階段、預(yù)制件生產(chǎn)加工階段以及施工和運(yùn)營維護(hù)階段的運(yùn)用，更好地發(fā)揮BIM技術(shù)在裝配式建筑集成在提高建筑品位、降低能源消耗、減少環(huán)境污染中的作用，推進(jìn)施工企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展。