BIM 正向設(shè)計在裝配式建筑設(shè)計中的應(yīng)用探索

張淑雅 李 坤 (山東理工大學建筑工程學院 山東 淄博 255049)

引言

2020年6月,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13個部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見》,提出大力發(fā)展以建筑工業(yè)化為載體,以數(shù)字化、智能化升級為動力,形成涵蓋科研、設(shè)計、生產(chǎn)加工、施工裝配、運營等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系,使中國邁入智能建造世界強國行列。在行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下,圍繞數(shù)字模型構(gòu)建“平臺+工具+數(shù)據(jù)+模型”的新型生產(chǎn)管理模式成為建筑業(yè)的主流發(fā)展方向,BIM 正向設(shè)計即可推動這一新型模式的實現(xiàn),打破傳統(tǒng)的2D-3D-2D的設(shè)計模式,提高設(shè)計和出圖效率。但目前BIM 正向設(shè)計應(yīng)用并不廣泛,缺乏統(tǒng)一明確的標準及設(shè)計規(guī)范,缺少相關(guān)設(shè)計實踐經(jīng)驗,在設(shè)計初期可能存在諸多問題,對后期的更改優(yōu)化增加了難度,實現(xiàn)全專業(yè)協(xié)調(diào)設(shè)計較為困難。本文詳細探究BIM 正向設(shè)計在裝配式建筑設(shè)計過程中的應(yīng)用特點,分析存在的問題,提出改進方法,以期BIM 正向設(shè)計成果延伸至施工、運營、維護、管理等全壽命周期。

1 BIM 正向設(shè)計概述

BIM 正向設(shè)計是指設(shè)計師將自己的設(shè)計思想優(yōu)先呈現(xiàn)在三維模型之中,通過設(shè)置構(gòu)件的參數(shù)信息來完成三維模型的建立,再由3D 模型輸出2D 圖紙。在設(shè)計過程中,設(shè)計師的部分工作量交給計算機的參數(shù)化功能來完成,使設(shè)計師全身心專注于建筑設(shè)計之中,當發(fā)現(xiàn)錯誤時,可直接進行三維模型的修改和完善,三維模型與二維圖紙聯(lián)動,可避免傳統(tǒng)二維設(shè)計圖紙重復(fù)修改帶來的不便。BIM 正向設(shè)計具有協(xié)同作業(yè)、計算和模型一體化、出圖自動化、設(shè)計信息參數(shù)化等特點,在設(shè)計階段,運用BIM 技術(shù)可以有效建立參數(shù)化的預(yù)制構(gòu)件庫,標準預(yù)制件的設(shè)計完成后可以供設(shè)計人員重復(fù)利用,可大大加快設(shè)計流程。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠可根據(jù)設(shè)計成果進行規(guī)模化生產(chǎn),對于有特殊形狀和功能的構(gòu)件進行單獨生產(chǎn),使標準化的生產(chǎn)更加符合多元化的設(shè)計?；谘b配式建筑設(shè)計“模數(shù)化”和“標準化”的核心思想和BIM 正向設(shè)計的特點,將BIM 正向設(shè)計應(yīng)用在裝配式建筑中有極大優(yōu)勢。在行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下,掌握BIM 正向設(shè)計能力,并具有圍繞大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等數(shù)字新技術(shù)的應(yīng)用學習能力已成為建筑類專業(yè)人才順應(yīng)社會發(fā)展的新要求。

2 BIM 正向設(shè)計在裝配式建筑設(shè)計中存在的主要問題

2.1 各專業(yè)協(xié)同設(shè)計難度大

由于裝配式建筑本身是集設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、存放、吊裝、裝修與管理維護為一體的集成化建筑,在工程項目的全壽命周期都需要構(gòu)件生產(chǎn)、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員與安裝工程的相關(guān)者等各專業(yè)設(shè)計人員的溝通協(xié)調(diào),共同配合完成整個工程項目的建設(shè),但目前國內(nèi)缺乏一個能涉及工程項目全壽命周期的BIM 裝配式一體化平臺,各專業(yè)協(xié)同設(shè)計難度大,沒有辦法實現(xiàn)一個模型做到底。國內(nèi)BIM 技術(shù)應(yīng)用大多僅停留在Revit建模階段,很難實現(xiàn)技術(shù)突破。此外,由于設(shè)計人員的專業(yè)性問題,各專業(yè)獨立設(shè)計,在設(shè)計初期可能存在諸多問題,對后期的更改優(yōu)化增加了難度。

2.2 國內(nèi)BIM 技術(shù)缺乏統(tǒng)一明確的設(shè)計規(guī)范和標準

目前,國內(nèi)對于利用BIM 技術(shù)進行初步設(shè)計、方案設(shè)計、施工圖設(shè)計等缺乏相應(yīng)的政策引導和技術(shù)支持,使設(shè)計工作難以順利開展;在輸出圖紙階段,目前的制圖標準和規(guī)范仍服務(wù)于傳統(tǒng)設(shè)計,由于BIM 設(shè)計的成果最終要達到交付的標準,但是采用BIM 平臺建立三維模型后導出的二維CAD圖紙并不規(guī)范,并不能達到施工圖紙交付的要求,需要后期對圖紙進行修改,但其工作量不亞于直接用CAD繪圖,并沒有很好地發(fā)揮BIM 正向設(shè)計的優(yōu)勢。如果完全執(zhí)行BIM 正向設(shè)計,審批部門審核的標準也應(yīng)該以三維模型審核為主導,但目前國內(nèi)在這方面的審核標準和BIM 審圖平臺還不夠成熟,這些局限性使BIM 正向設(shè)計難以推廣。

2.3 設(shè)計人員由2D轉(zhuǎn)化為3D設(shè)計思維模式困難

國內(nèi)外傳統(tǒng)建筑行業(yè)的設(shè)計模式都是2D 設(shè)計形式,即結(jié)合建筑設(shè)計相關(guān)知識,根據(jù)二維平面與三維空間的聯(lián)系,設(shè)計師把自己的設(shè)計成果體現(xiàn)在二維圖紙上,經(jīng)過不斷修改和完善形成設(shè)計施工說明、建筑和結(jié)構(gòu)平面圖、立面圖、剖面圖、樓梯大樣圖和節(jié)點詳圖等施工圖圖紙。再根據(jù)需要利用Revit等建模工具生成三維可視化模型,進行設(shè)計的優(yōu)化和完善,為后續(xù)的施工工作提供依據(jù)。而BIM 正向設(shè)計則要求設(shè)計人員打破思維定式,并且熟練掌握BIM建模軟件,直接將設(shè)計成果體現(xiàn)在三維可視化模型中。目前設(shè)計院也極少采用BIM 正向設(shè)計形式,即使進行BIM 正向設(shè)計,也很難提高設(shè)計的質(zhì)量和效率。

3 BIM 正向設(shè)計一體化框架

基于BIM 實現(xiàn)正向設(shè)計一體化,結(jié)合模型庫、全專業(yè)集成、模塊化&參數(shù)化三個核心舉措,借用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等,構(gòu)建BIM 正向設(shè)計一體化平臺,實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計方式,優(yōu)化設(shè)計流程,提高設(shè)計速度和質(zhì)量。全專業(yè)集成即采用工作集的形式使結(jié)構(gòu)、建筑、給排水、暖通、電氣全專業(yè)產(chǎn)業(yè)化協(xié)同設(shè)計,并可快速出圖加算量。模塊化即利用裝配式建筑PC構(gòu)件的標準化特點和BIM 構(gòu)件庫的模塊化設(shè)計相關(guān)聯(lián),研發(fā)標準戶型模塊,即以房間為單位建立戶型模塊,再逐層拼裝,通?？蛇m用于住宅建筑、工業(yè)廠房、學?；蜥t(yī)院等功能標準化的建筑,形成“少規(guī)格多組合”的模塊化,便于工廠標準化的生產(chǎn)和施工單位模塊化的施工。參數(shù)化即直接選取構(gòu)件庫中已有的構(gòu)件,直接修改構(gòu)件的參數(shù)信息,例如對門窗、欄桿、家具,潔具等尺寸快速調(diào)整,快速達到設(shè)計師想要的參數(shù)效果。利用規(guī)模化效應(yīng),有效降低單個項目的設(shè)計時間,人力成本,及設(shè)計難度,并可同時提升設(shè)計質(zhì)量,推動建筑行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

圖3.1-1 BIM 一體化設(shè)計構(gòu)思圖

4 BIM 正向設(shè)計一體化在裝配式建筑中的應(yīng)用

4.1 初步設(shè)計階段的深化設(shè)計

在初步設(shè)計階段,利用BIM 信息的可視化和協(xié)同性,及時有效地實現(xiàn)設(shè)計人員和業(yè)主以及預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠之間的溝通配合,減少設(shè)計返工,使PC構(gòu)件生產(chǎn)廠快速規(guī)?；a(chǎn)。在設(shè)計過程中以BIM 模型為核心,進行專業(yè)內(nèi)部與專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計并進行建筑沖突檢測、規(guī)范檢查與質(zhì)量分析,達到優(yōu)化方案與綜合協(xié)調(diào)的目的。例如,深化設(shè)計人員用BIM 軟件對管線設(shè)計進行碰撞檢測,根據(jù)檢測結(jié)果,可預(yù)見管線布置是否合理,各構(gòu)件間是否發(fā)生沖突,從而達到快速完善深化設(shè)計圖紙的效果。

4.2 施工圖設(shè)計階段的各專業(yè)協(xié)同設(shè)計

利用BIM 正向設(shè)計一體化平臺,可有效實現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備施工圖的協(xié)同設(shè)計。在正式開展施工圖設(shè)計工作之前,各專業(yè)設(shè)計人員可預(yù)先根據(jù)建設(shè)單位的設(shè)計要求和建筑物的設(shè)計特點進行協(xié)調(diào)溝通,在設(shè)計協(xié)同點處,各專業(yè)達成一致,避免形成沖突,最終形成精確完整的三維信息模型。在施工圖設(shè)計階段,除常規(guī)施工圖設(shè)計內(nèi)容外,各專業(yè)的內(nèi)容都應(yīng)該落實到裝配式設(shè)計內(nèi)容中,與裝配式有關(guān)的外部單位,如門窗、幕墻、精裝也需進行集成設(shè)計,此階段需要完成平、立面拆分圖,詳細的預(yù)制率計算表格,典型構(gòu)件制作、運輸、吊裝工況計算書及節(jié)點連接計算書等。

4.3 標準構(gòu)件及構(gòu)件拆分設(shè)計

裝配式建筑設(shè)計階段的關(guān)鍵就是實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的標準化設(shè)計,對構(gòu)件的科學合理的拆分是實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件標準化設(shè)計的核心環(huán)節(jié)。設(shè)計人員在綜合考慮模具加工、構(gòu)件生產(chǎn)、運輸、吊裝的情況下,可運用BIM 正向設(shè)計一體化平臺的模型庫和參數(shù)化設(shè)置功能進行預(yù)制構(gòu)件的標準化設(shè)計和合理的構(gòu)件拆分設(shè)計,運用BIM 的三維可視化和信息化特點,使拆分后的構(gòu)件進行合理的組裝,驗證拆分是否科學合理,從而進一步優(yōu)化設(shè)計方案。對于有特殊功能或特殊形狀的PC構(gòu)件,無法直接引用模型庫中的現(xiàn)有構(gòu)件時,可自定義新建構(gòu)件,設(shè)置好后可導入模型庫進行信息的存儲,方便后期重復(fù)使用,加快設(shè)計進度。利用BIM 技術(shù)對裝配式建筑開展多專業(yè)協(xié)同正向設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件三維可視化設(shè)計,較大程度提高裝配式建筑的設(shè)計精度。

4.4 裝配式建筑施工階段的虛擬吊裝

裝配式建筑具有設(shè)計、生產(chǎn)、施工集成化特點,其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤,都會導致項目的建設(shè)成本增加,工期延后,甚至可能造成設(shè)計返工,尤其在預(yù)制構(gòu)件的吊裝階段,如果出現(xiàn)吊點位置不當或構(gòu)件擺放位置不精確等問題,極易造成構(gòu)件損壞。因此,在實際施工前,需利用BIM 正向設(shè)計一體化平臺進行虛擬吊裝,模擬模具的安裝和拆除,可預(yù)先發(fā)現(xiàn)錯誤并及時調(diào)整,實現(xiàn)標準構(gòu)件的精細化吊裝,提高裝配質(zhì)量,加快施工進度。

5 推進BIM 正向設(shè)計一體化發(fā)展

5.1 加強技術(shù)與平臺研發(fā)

政府鼓勵相關(guān)企業(yè)自主研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的BIM 正向設(shè)計一體化平臺,重視云計算、互聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)和人工智能的集成開發(fā),加強數(shù)字化技術(shù)與BIM 軟件的深度融合,實現(xiàn)軟硬件協(xié)同發(fā)展,突破BIM 軟件技術(shù)瓶頸。相關(guān)BIM 軟件企業(yè)加強與高校和IT 行業(yè)的交流合作,組建既具有精確把握BIM 數(shù)字化建筑行業(yè)的需求趨勢,又能熟練掌握IT技術(shù)的專家團隊,以多源數(shù)據(jù)融合的技術(shù)積累為基礎(chǔ),明確分階段發(fā)展模式。同時政府應(yīng)結(jié)合當前智能化建筑行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,給予企業(yè)相應(yīng)的減稅優(yōu)惠政策,增加知識產(chǎn)權(quán)保護力度,創(chuàng)造良好的競爭環(huán)境。

5.2 完善BIM 正向設(shè)計標準體系

技術(shù)的發(fā)展和進步離不開政策引導,隨著BIM 技術(shù)的興起,近年來,國家出臺了一系列BIM 標準,涵蓋了BIM 技術(shù)在標準管理、設(shè)計、施工、應(yīng)用、系統(tǒng)研發(fā)等方面的政策引領(lǐng)和技術(shù)指導。裝配式建筑物理模型的構(gòu)建必須首先建立裝配式建筑的某些物理標準,以確?？梢蚤_展設(shè)計并添加核心概念,然后逐步建立裝配式建筑物的實際情況和實際特征,并對裝配式建筑物內(nèi)部和外部進行多維分析,確保裝配式建筑物的合理性。為適應(yīng)BIM 正向設(shè)計發(fā)展理念、推廣BIM 技術(shù)在裝配式建筑中正向設(shè)計的應(yīng)用,我國應(yīng)基于這七項BIM 標準,提出3D模型正向設(shè)計總體標準、模型構(gòu)件庫應(yīng)用指南、模型標準模塊化和參數(shù)化應(yīng)用標準、協(xié)同管理平臺應(yīng)用標準、模型成果輸出標準、模型智能審查驗收標準、計量計價標準等組成BIM 正向設(shè)計標準體系。相關(guān)企業(yè)應(yīng)重視對BIM 宏觀政策、“BIM+”的研究,不斷探索適應(yīng)BIM正向設(shè)計環(huán)境的平臺,工程項目的各相關(guān)者都應(yīng)嚴格遵守BIM 標準體系。

5.3 加快復(fù)合型人才培養(yǎng)

國家、政府、企業(yè)應(yīng)高度重視培養(yǎng)數(shù)字化智能化建筑行業(yè)的專業(yè)復(fù)合型人才,構(gòu)建BIM 正向設(shè)計人才培養(yǎng)體系,培養(yǎng)出既具有專業(yè)正向設(shè)計能力,又能掌握BIM 數(shù)字化技術(shù),使BIM 正向設(shè)計技術(shù)與裝配式建筑完美融合的創(chuàng)新型人才,推動智能建造高質(zhì)量發(fā)展 政府加大對設(shè)計院的投入,營造良好氛圍,鼓勵設(shè)計院運用BIM 正向設(shè)計,從傳統(tǒng)的二維設(shè)計轉(zhuǎn)型到三維設(shè)計模式,打破各專業(yè)間、行業(yè)間的知識壁壘。企業(yè)加強與科研機構(gòu)、高等院校的合作,持續(xù)引進和培養(yǎng)數(shù)字化高端跨界人才。

結(jié)語

值得關(guān)注的是,BIM 正向設(shè)計的重點還是在于“設(shè)計”,只是將設(shè)計BIM 化,讓建筑信息模型更好的服務(wù)于設(shè)計。在信息化集成的時代,BIM 正向設(shè)計已是大勢所趨,政府和企業(yè)應(yīng)不斷探索BIM 發(fā)展的驅(qū)動力,將BIM正向設(shè)計應(yīng)用到裝配式建筑項目中,實現(xiàn)全方位、全過程的信息化協(xié)同設(shè)計、可視化裝配,推進綠色裝配建筑步入新時代。