基于BIM技術(shù)的裝配式建筑構(gòu)件庫(kù)的創(chuàng)新研究

孟曉濤

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741025)

1 研究背景

當(dāng)前，我國(guó)建筑業(yè)正處在行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新時(shí)期，裝配式建筑以數(shù)字化、智能化升級(jí)為動(dòng)力，形成涵蓋科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、施工裝配、運(yùn)營(yíng)等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系。正在不斷推進(jìn)建筑行業(yè)工業(yè)化、信息化、綠色建筑的不斷發(fā)展。

裝配式建筑是指由預(yù)制構(gòu)件通過可靠連接方式建造的建筑。也就是將工地為主的建造形式轉(zhuǎn)變?yōu)楣S制造、現(xiàn)場(chǎng)安裝的形式；也就是要實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化。主要包括裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑、裝配式鋼筋混凝土建筑（以下簡(jiǎn)稱“PC建筑”）、裝配式木結(jié)構(gòu)建筑、裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)建筑等形式。

目前，在我們國(guó)家建筑行業(yè)，PC建筑憑借其效率較高、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，成為裝配式建筑的主要發(fā)展方向；同時(shí)，如果能夠在施工過程中，以不同建筑類型作為參考，設(shè)置建立PC構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)，保障裝配式建筑施工的標(biāo)準(zhǔn)化，那么裝配式建筑就能夠大幅度的節(jié)約各種建筑材料，達(dá)到綠色施工、協(xié)同施工。在此基礎(chǔ)上，還能夠保障施工、安裝人員的生產(chǎn)安全。其作為建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，是建筑行業(yè)邁向工業(yè)化、信息化的重要前提條件。裝配式建筑施工模型如圖1所示。

圖1 裝配式建筑施工模型

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)規(guī)模自2014年的4.2億元迅速增長(zhǎng)到2019年的320億元，裝配式建筑在我國(guó)正處在飛速的發(fā)展期。但是，相比國(guó)外的裝配式建筑施工技術(shù)，還存在著諸多不足及難點(diǎn)。例如，我國(guó)目前的裝配式建筑企業(yè)沒有形成專業(yè)化的分工，無法達(dá)到信息化的相關(guān)要求，也就無法形成各自的專業(yè)優(yōu)勢(shì)。PC構(gòu)件的稅收政策比現(xiàn)澆混凝土建筑要高，目前，PC建筑企業(yè)需要繳納17%的稅率的增值稅，相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)來說較高，這些都為裝配式建筑的發(fā)展帶來極大阻力。同時(shí)，在PC構(gòu)件設(shè)計(jì)階段，土建、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等專業(yè)協(xié)同程度較低，相關(guān)專業(yè)之間無法更好的協(xié)同設(shè)計(jì)，導(dǎo)致在安裝現(xiàn)場(chǎng)，還需要錨固管線或者鑿開構(gòu)件重新埋設(shè)，影響結(jié)構(gòu)安全。

那么，裝配式建筑要想規(guī)模化的發(fā)展，就必須打破常規(guī)，建立其規(guī)格化、模數(shù)化及標(biāo)準(zhǔn)化。但是筆者經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前，在裝配式PC構(gòu)件設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師仍然按照設(shè)計(jì)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的模式進(jìn)行PC構(gòu)件設(shè)計(jì)，認(rèn)為PC建筑設(shè)計(jì)只是附加設(shè)計(jì)的部分內(nèi)容。到現(xiàn)場(chǎng)安裝階段時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的承載力或者連接件的錨固出現(xiàn)問題。特別是在建筑結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)上，僅僅依靠現(xiàn)行的施工技術(shù)，關(guān)鍵構(gòu)件的制作、安裝，很容易出現(xiàn)生產(chǎn)事故。例如：PC構(gòu)件連接點(diǎn)的灌漿飽滿程度、PC構(gòu)件灌漿料孔洞堵塞。類似這些問題都是在PC建筑中很容易出現(xiàn)的生產(chǎn)問題，也是制約裝配式建筑發(fā)展的一系列核心問題。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)，稱之為“建筑信息模型”，能夠創(chuàng)建數(shù)字化建筑模型，這種模型可以幫助各建設(shè)方實(shí)現(xiàn)建筑數(shù)據(jù)集成，從建筑的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維一直到建筑的壽命周期終結(jié)，所有的建設(shè)信息始終存儲(chǔ)在該三維模型信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，參建方各方人員可以基于BIM進(jìn)行協(xié)同工作，有效提高工作效率、節(jié)省資源、降低成本、以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。對(duì)工程施工項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等全過程進(jìn)行管理、優(yōu)化的過程及技術(shù)。其最大的優(yōu)勢(shì)就是能夠?qū)崿F(xiàn)工程項(xiàng)目的信息化、協(xié)調(diào)化，有利于建設(shè)項(xiàng)目的精細(xì)化建造。

對(duì)于裝配式建筑，BIM技術(shù)能夠最大化的實(shí)現(xiàn)各專業(yè)間的協(xié)調(diào)化、可視化，這一點(diǎn)尤為重要。例如，在實(shí)際PC工程建設(shè)項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)階段，土建專業(yè)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)后，重點(diǎn)需要考慮PC構(gòu)件的拆分方式。此拆分方式能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)電設(shè)計(jì)之間的協(xié)同化起到至關(guān)重要的作用。以此為基礎(chǔ)，還可以應(yīng)用BIM技術(shù)平臺(tái)（國(guó)內(nèi)主要包括：魯班、廣聯(lián)達(dá)、PKPM等BIM軟件）能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測(cè)、信息整合的作用，避免出現(xiàn)資源浪費(fèi)，進(jìn)一步的保障工程施工質(zhì)量。如圖2所示。

圖2 BIM技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)思路

圖2主要是基于BIM技術(shù)的裝配式建筑構(gòu)件設(shè)計(jì)思路，可以看到，通過該設(shè)計(jì)思路，可以明確的在BIM協(xié)同平臺(tái)平行分析建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電水暖不同專業(yè)的設(shè)計(jì)信息，實(shí)現(xiàn)協(xié)同化設(shè)計(jì)，避免不同專業(yè)之間的信息堵塞。同時(shí)，對(duì)特定的建筑物，利用BIM技術(shù)和平臺(tái)建立好參數(shù)化模型及相關(guān)信息后，還需要進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，主要包括PC構(gòu)件的拆分設(shè)計(jì)及原有模型的碰撞檢查。使PC構(gòu)件能夠在滿足建筑結(jié)構(gòu)要求的同時(shí)，便于制作、運(yùn)輸和安裝。不同專業(yè)之間的連接點(diǎn)可以達(dá)到充分的考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)土木建筑來說，影響其生產(chǎn)目標(biāo)的不只包括設(shè)計(jì)、施工等，還包括工程管理等相關(guān)分析，在生產(chǎn)時(shí)，利用BIM技術(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整能力實(shí)現(xiàn)工程施工組織、場(chǎng)地運(yùn)營(yíng)布置、5D動(dòng)態(tài)調(diào)整及管理的優(yōu)化，保障生產(chǎn)安全及參建方的權(quán)益。

3 設(shè)計(jì)施工項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化PC構(gòu)件

《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》 （GB/51231—2016）中相關(guān)規(guī)定提到“裝配式混凝土建筑應(yīng)采用模塊及模塊組合的設(shè)計(jì)方法，遵循少規(guī)格、多組合的原則”?！吧僖?guī)格”的含義就是提高現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)效率，降低工程管理的難度，降低施工成本，進(jìn)一步為土建、結(jié)構(gòu)、機(jī)電專業(yè)之間的協(xié)作提供扎實(shí)基礎(chǔ)?！岸嘟M合”重點(diǎn)要求少量的構(gòu)件組合成多樣化的產(chǎn)品，最終滿足不同的使用需求。模塊組合其實(shí)就是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的一種方式，其應(yīng)該通過參數(shù)化設(shè)計(jì)為工業(yè)化生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)安裝提供便利。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)要求，充分利用BIM技術(shù)建立標(biāo)準(zhǔn)化PC建筑構(gòu)件庫(kù)，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，為施工現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化施工創(chuàng)造條件。

3.1 裝配式建筑設(shè)計(jì)方向

根據(jù)裝配式PC建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，綜合分析目前各專業(yè)間需要進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

建筑物整體所建立的模型庫(kù)，實(shí)際應(yīng)該包含建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電三種類型的模型合集，模型合集中所有基本構(gòu)件，都需要滿足不同生產(chǎn)階段對(duì)模型深度的要求。在建筑設(shè)計(jì)模型完成后，從結(jié)構(gòu)專業(yè)戶型庫(kù)中選取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，匹配建筑模型，完成整體性的建筑——結(jié)構(gòu)創(chuàng)建。如圖3所示。

圖3 PC建筑主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

例如，在建筑設(shè)計(jì)中，平面形狀設(shè)計(jì)是PC建筑設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，考慮到施工成本及抗震性能要求，平面形狀布置越簡(jiǎn)單越好?！堆b配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中要求：裝配式建筑應(yīng)該選用大開間、大進(jìn)深的平面布置。那么在進(jìn)行平面形狀設(shè)計(jì)時(shí)，就必須和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)同分析，考慮該建筑物的PC范圍，也就是哪些部分必須PC化，哪些部分需要現(xiàn)澆。

需要強(qiáng)調(diào)的是，構(gòu)件拆分、連接作為裝配式建筑設(shè)計(jì)、施工的重點(diǎn)，是PC構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)能夠順利安裝的前提條件。因此，在設(shè)計(jì)中，必須格外重視構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)是否合理。前文講到，在PC構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，目前仍然采用等同原理設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過可靠的連接技術(shù)和必要的構(gòu)造措施，PC結(jié)構(gòu)構(gòu)件和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)基本等同。但是通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在目前的裝配式建筑市場(chǎng)上，等同原理技術(shù)效果要求沒有完全達(dá)到。因此，連接點(diǎn)的設(shè)計(jì)構(gòu)造在裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中起到很重要的作用。

其次，構(gòu)件（以梁為例）連接設(shè)計(jì)必須能夠保障構(gòu)件的鋼筋和預(yù)留洞口、預(yù)埋件等相協(xié)調(diào)。連接后的接縫剪切力、法向拉力、彎矩也必須滿足承載要求。

公式中：V：剪切力設(shè)計(jì)值

N：法向拉力設(shè)計(jì)值

M：彎矩設(shè)計(jì)值

αr：錨筋層數(shù)影響系數(shù)

αv：錨筋的受剪承載力系數(shù)

αb：錨板的彎曲變形折減系數(shù)

fy：錨筋的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度

3.2 BIM技術(shù)在PC構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的應(yīng)用

3.2.1 設(shè)計(jì)原則

PC構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循適用性強(qiáng)、適宜生產(chǎn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)以下原則。

1）以裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GBT 51231—2016）及住建部發(fā)布的建筑工程信息模型存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2）通過調(diào)研數(shù)據(jù)，綜合分析現(xiàn)有項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)算，歸納形成標(biāo)準(zhǔn)化的PC建筑戶型，使構(gòu)件數(shù)據(jù)滿足適用性的要求。

3）標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件的設(shè)計(jì)需要充分考慮生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)能力及設(shè)備性能。

3.2.2 設(shè)計(jì)思路

考慮到在PC建筑施工過程中，出現(xiàn)的諸如生產(chǎn)、施工中的預(yù)埋件或孔洞不夠標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致后期施工時(shí)，還需要在外部錨固或者鑿開構(gòu)件，影響構(gòu)件安全；又或者外伸鋼筋長(zhǎng)度不夠，導(dǎo)致錨固長(zhǎng)度不夠，出現(xiàn)安全事故。因此，在PC構(gòu)件設(shè)計(jì)前，必須引入BIM技術(shù)。以實(shí)際工程項(xiàng)目為載體，利用BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)構(gòu)件的協(xié)同分析、施工模擬等特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)件進(jìn)行提前分析，建立PC構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)，主要包含墻、板、梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件；同時(shí)兼顧裝飾、保溫等作用。該構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?qū)νN類型建筑的施工起到指導(dǎo)作用。

在建立構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，必須遵守裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GBT 51231—2016）的設(shè)計(jì)要求，側(cè)重研究考慮該項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化戶型規(guī)格，滿足通用要求。還要遵循《建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50002相關(guān)規(guī)定要求：必須采用模數(shù)協(xié)調(diào)PC構(gòu)件、設(shè)備管線等之間的尺寸關(guān)系，做到部品部件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)安裝相互間尺寸協(xié)調(diào)。對(duì)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)和部件的接口尺寸采用模數(shù)數(shù)列分別為cM/2、nM/5、nM/10。

以此作為基礎(chǔ)，利用BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)施工模擬、碰撞檢測(cè)等活動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)還要考慮前文提到的構(gòu)建連接接縫處理及預(yù)埋件的標(biāo)準(zhǔn)化處理。應(yīng)用Revit軟件強(qiáng)大和快速的建模能力，同時(shí)搭配二次開發(fā)PDST軟件的翻模能力，將構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，即完善的構(gòu)件庫(kù)。首先在Revit軟件中建立BIM構(gòu)件模板，然后再代入數(shù)據(jù)，由該模板設(shè)計(jì)衍生出符合構(gòu)件要求的模型。通過分析，裝配式建筑PC構(gòu)件的預(yù)埋件主要有使用階段和安裝階段的制作，其中，使用階段主要包括構(gòu)件安裝、機(jī)電安裝等預(yù)埋件；安裝階段的預(yù)埋件包括支撐件、吊裝件等。不同PC構(gòu)件的預(yù)埋件種類及作用也不相同。在施工安裝過程中，參照二維施工圖紙，施工工人很容易出現(xiàn)錯(cuò)位、構(gòu)件碰撞等問題。通過建立構(gòu)件預(yù)埋件標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，可以直接在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中選擇相應(yīng)埋件，在三維可視化界面中布置埋件，提高了PC預(yù)留預(yù)埋位置的精準(zhǔn)度。如圖4所示。

圖4 PC結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.3 PC構(gòu)件庫(kù)設(shè)計(jì)存在的影響因素

在裝配式建筑構(gòu)件庫(kù)設(shè)計(jì)分析時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)研究在現(xiàn)行環(huán)境條件、設(shè)計(jì)下的施工目標(biāo)和施工成本等方面的因素，確保庫(kù)存構(gòu)件能夠保障形成標(biāo)準(zhǔn)化路徑，最終適合形成制定可行性方案，避免設(shè)計(jì)——施工生產(chǎn)產(chǎn)生偏差。同時(shí)，裝配式建筑實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的理念仍不清晰，目前設(shè)計(jì)單位的裝配式建筑設(shè)計(jì)人員比較稀缺，缺乏足夠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)PC構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，不能夠準(zhǔn)確把握生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)對(duì)構(gòu)件的影響，也會(huì)出現(xiàn)例如構(gòu)建破損或者漏筋裂縫等情況。

數(shù)據(jù)分析，我國(guó)國(guó)內(nèi)目前的裝配式建筑占新建建筑比例仍然較低，平均大概只占5%左右，但是國(guó)家近些年在大力推廣，從裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，道各式各樣的其他結(jié)構(gòu)。施工工藝在不斷發(fā)展，但是裝配式建筑發(fā)展進(jìn)程然比較緩慢，主要原因在于成本，構(gòu)件沒有標(biāo)準(zhǔn)，或者設(shè)計(jì)、施工中標(biāo)準(zhǔn)不一致，導(dǎo)致制作、安裝等生產(chǎn)過程不斷出現(xiàn)相關(guān)問題；同時(shí)，我國(guó)目前的PC構(gòu)件相關(guān)稅收政策較為滯后，稅率達(dá)到17%左右。這些因素都對(duì)實(shí)線裝配式建筑PC構(gòu)件集成化產(chǎn)生影響。

如果能在現(xiàn)行基礎(chǔ)政策下，側(cè)重分析研究建立裝配式PC建筑構(gòu)件庫(kù)，合理使用BIM技術(shù)的協(xié)同分析、可視化模擬等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行施工模擬，就可避免在生產(chǎn)中產(chǎn)生的預(yù)埋件位置不合理、棱角受損等現(xiàn)象。從目前的市場(chǎng)分析來看，施工單位現(xiàn)場(chǎng)管理人員仍然不能轉(zhuǎn)變觀念，思想傾向停留在使用傳統(tǒng)現(xiàn)澆技術(shù)。在管理過程中，出現(xiàn)專業(yè)分包后，構(gòu)建深化設(shè)計(jì)不能同步，或者出現(xiàn)技術(shù)交底及現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)問題，導(dǎo)致出現(xiàn)大量返工及生產(chǎn)資料浪費(fèi)。

4 結(jié)語

裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)的設(shè)計(jì)，能夠提高構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率及構(gòu)件的穩(wěn)定性，同時(shí)有效進(jìn)行造價(jià)控制，降低增量成本。實(shí)踐分析驗(yàn)證，通過PKPM、廣聯(lián)達(dá)等BIM軟件建立PC構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)能夠在裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、安裝過程中避免出現(xiàn)連接縫、拆分誤差等問題。以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，建立的構(gòu)件庫(kù)，能夠全面提升裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化施工水平，對(duì)推進(jìn)我國(guó)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)升級(jí)能夠起到重要作用。