淺談BIM技術在裝配式建筑結構設計的應用

曾百卉

（深圳市華陽國際工程設計股份有限公司廣州分公司，廣東廣州 510653）

0 引言

進入“十四五”時期以來，信息化建設在建筑業(yè)中的地位逐漸提高，隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，建筑工程建設與城市功能越來越完善，人們生活水平進一步提高，我國提出了“數(shù)字建造”的轉型目標。即在城市建設中要構建新一代信息基礎設施，將建筑信息模型賦予坐標定位至城市信息模型，運用信息化技術建造智慧城市，實現(xiàn)更加智能化精細化的管理。在國內的建筑業(yè)中，BIM技術應用與裝配式建筑建設是現(xiàn)階段建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢，而設計作為建筑業(yè)發(fā)展的龍頭，是信息化建設的基礎與前提。隨著科學技術的發(fā)展，建筑工程設計已經從手繪畫圖板時代進入二維計算機圖紙時代，最終將進入三維數(shù)字化模型時代。

使用BIM技術設計可以在工人面前直接顯示的形式建模，可以足夠的視覺效果，在施工之前幫助相關人員對任何一個建設項目的結構元素，設計或工藝的調整，可以保證安裝的準確性和實際施工后能正常工作[1]。在實踐中，BIM技術還具有模擬、協(xié)調、繪圖等優(yōu)點，針對工程設計中的意見分歧，其內含有的碰撞檢測可以產生有效的報告和協(xié)調方案，優(yōu)化施工方案，還可以在3D模型的基礎上，添加適當?shù)臈l件，將其轉換為4D施工模式，并制定施工計劃，在4D仿真的基礎上又可以增加5D仿真的技術，保證成本控制的有效實施，更進一步，6D技術，即全生命周期管理應用，如圖1所示。而在上述環(huán)節(jié)中，隨時可以在二維圖紙與三維模型的展示方式間切換，讓相關參與者、使用者對構件物理及功能特性的信息有更詳細、更直觀的了解。

圖1 BIM技術全生命周期管理應用

1 BIM技術的優(yōu)勢

BIM技術在現(xiàn)代建筑工程建設中的作用不可忽視，尤其是在方案創(chuàng)新和個性化的時代，BIM技術有著不可替代的作用，此外還可以協(xié)調解決實際建設中出現(xiàn)的問題，從而提出具體可行的建設方案[1]。每一次創(chuàng)新式的技術發(fā)展都將與行業(yè)中為人熟知的傳統(tǒng)部分產生碰撞，BIM技術亦是如此，它將會取代現(xiàn)階段傳統(tǒng)方式中低效率與低精確度的工作。在過程管理中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出和交換，進一步將各環(huán)節(jié)、各專業(yè)從業(yè)人員加入數(shù)據(jù)共享的平臺。舉例來說，BIM技術除了可以在裝配式建筑結構設計預制構件拆分、結構算量方面提質增效，另一方面在多專業(yè)協(xié)同方面也有很大的好處，在二維圖紙上，由于分布管道的復雜性，管道之間發(fā)生碰撞是不可避免的，但是利用BIM技術建立三維模型（圖2），可以及時解決問題，保證設計的準確性和安全性。另一方面，BIM技術具有模擬的優(yōu)勢，在應用過程中，可以通過仿真將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為直觀的3D模型，施工企業(yè)可以利用模型指導施工，也可以將施工階段的問題前置，有效預防可能發(fā)生的施工問題，提高施工質量，進而提升施工效率。

圖2 三維數(shù)字化建筑模型

2 裝配式建筑結構設計BIM應用要點

現(xiàn)階段多數(shù)項目結構專業(yè)使用BIM技術均是以二維施工圖紙為基礎再建立三維模型，但從行業(yè)未來的發(fā)展方向來看，結構專業(yè)應先建立三維BIM模型再導出二維施工圖紙。與其他專業(yè)不同，BIM技術在結構專業(yè)中的應用有一個明顯的不同，即用于結構計算分析中使用的三維模型與現(xiàn)階段建筑結構設計中使用的BIM模型數(shù)據(jù)保存格式不同，即結構專業(yè)的BIM模型可以輸出具有法律效力并用于施工的二維施工圖圖紙輸出，但不能直接用于結構計算分析。但建筑工程設計環(huán)節(jié)并非僅結構專業(yè)一個專業(yè)，更需要的是全專業(yè)協(xié)同配合。一直以來，在實際施工中因建筑專業(yè)修改或是結構專業(yè)與其他專業(yè)碰撞產生的變更所占比例不小，因此結構專業(yè)設計的三維BIM模型在專業(yè)配合、后期修改與現(xiàn)場處理方面可真正實現(xiàn)提質增效。目前在更多項目中實踐的實現(xiàn)路徑是先根據(jù)建筑專業(yè)提資在結構計算軟件（如盈建科、PKPM等）中建模計算，分析調整后在三維軟件中建立結構BIM模型或直接將結構計算模型以格式轉換的形式導入BIM軟件，從而建立結構專業(yè)的BIM模型。后一種方法可以實現(xiàn)結構計算模型與結構BIM模型同步修改，減少錯漏。而結構BIM模型隨著設計進一步深化，可以參與管線綜合設計、墻身構件進一步深化并最終導出結構專業(yè)施工圖，可輸出非預制構件配筋大樣圖，又可輸出裝配式建筑的結構預制構件拆分圖。因此，結構專業(yè)的三維模型不僅可以提升結構安全性，更可以提升建筑工程設計質量。裝配式建筑工程類型多、設計范圍廣、技術特點不同、差異很大，而BIM技術的應用可以很好的擴展到其中，解決大部分裝配式建筑工程建設問題和規(guī)劃問題[2]。下面，從多方面簡述BIM技術在裝配式建筑結構設計中的應用。

2.1 平面整體布局

目前BIM技術應用廣泛，在裝配式建筑工程的設計過程中已經得到了有效的應用。在模型制作過程中，可以為施工人員在后續(xù)的施工中打下良好的基礎。在預制裝配式建筑設計時，遵守協(xié)調性的基礎原則，合理地調整預制模塊，可以從根本上提高設計工作的合理程度，彰顯預制構件的典型特點，進而提高工程的建設質量，控制成本的損耗。對套型模塊予以合并，使其成為標準化的單元組合式模塊，對建筑物進行構造，可以讓承重墻與管井的位置具備更強的合理化特征，空間呈現(xiàn)出更強的靈活多變性外，也可以提高技術人員的工作效率和設計方案對比能力。在進行功能劃分時，需要根據(jù)實際需求來開展合理有效的功能設計工作，使得布局工作合理化程度更強，從而使得空間內所設置的承重墻數(shù)量得以控制，也可為建筑可拆卸內墻板布局做好輔助。當BIM技術應用于裝配式建筑布局時，相關技術人員可以利用BIM技術的視覺對比方法，準確確定接口尺寸和裝配式建筑布局角度，最終獲得最高效的設計方案，從而有效地提高裝配式建筑安裝的準確性[3]。

2.2 協(xié)同設計的應用

裝配式建筑工程設計是一項系統(tǒng)的工作，在這個過程中，協(xié)同設計的重要性就顯得尤為重要，設計的各個環(huán)節(jié)和各個專業(yè)要相互協(xié)調，才能呈現(xiàn)出完整的項目，在協(xié)同設計過程中，大量的數(shù)據(jù)和信息需要并行處理，不僅結構專業(yè)是其中一個重要環(huán)節(jié)，更是多專業(yè)并行的協(xié)同修改，這個過程不僅耗時且難免出現(xiàn)錯漏，因此在裝配式建筑工程設計中，可以利用BIM技術建立各專業(yè)匯總的信息模型，通過協(xié)同設計，可以對建筑設計施工相關的信息進行匯總對比，特別是跨專業(yè)信息的計算和修改，另外還可以提高各個專業(yè)在各個環(huán)節(jié)的協(xié)調性和協(xié)同性。

2.3 參數(shù)設計中的應用

建筑信息模型設計過程，就是對構件賦予物理與功能的參數(shù)化數(shù)據(jù)。預制裝配式的建筑中所設計的構件種類與規(guī)格相對比較多，為了能夠提升預制裝配式建筑物結構設計的合理化程度，在設計構件的過程中，需要結合標準與模塊的具體設計要求對構件種類和規(guī)格進行合理化的控制，唯有如此，使得安裝的流程進行簡化，有效控制成本的消耗，對工程安裝品質進行提升。由于參數(shù)和構件信息是建模的基礎，所以調整參數(shù)達到設定標準，可以對提升裝配式建筑設計質量起到輔助作用。

2.4 可視化設計的應用

在裝配式建筑設計中，傳統(tǒng)的設計模式中的修改需要借助信息化平臺，依需修改，費時易操作，特別是對建筑管道進行維修改造時，給各個專業(yè)都將帶來影響。而BIM技術可以利用自身優(yōu)勢實現(xiàn)多專業(yè)的信息數(shù)據(jù)采集和傳輸，提高信息的準確性和真實性，進而通過建模構建其可視化3D模型，不僅可以實時對應調整修改，也可以減少這一環(huán)節(jié)對結構設計的影響。設計人員可以根據(jù)建筑信息建模系統(tǒng)中包含的碰撞檢測功能多專業(yè)綜合分析，進而對管道數(shù)據(jù)進行一一調整。采用BIM技術制作的建筑模型精度高，讓碰撞分析可以得出最準確的結論，設計師可以判斷方案是否合理[4]。

2.5 構件設計

BIM技術可以根據(jù)具體工程方案，對裝配式建筑進行構件設計，在設計過程中，將設計方案與工程實際情況有機結合，對設計方案進行詳細分析，將大量工程實際問題前置，減少后期工作量。舉例來說，在結構設計中不僅需要保證結構安全，讓裝配式疊合結構的設計強度達到類比于現(xiàn)澆結構的預期設計強度，還要與其他專業(yè)協(xié)調配合。簡單來說，要根據(jù)結構形式、樓板尺寸來對疊合樓板分布、尺寸劃分予以合理設計，并且要將預埋管線一并綜合考慮才能實現(xiàn)預期的設計目標。在對上述數(shù)據(jù)進行綜合分析后，匯總至三維BIM模型中，以便在下一環(huán)節(jié)中使用。

2.6 工程算量方面的應用

裝配式建筑工程設計復雜，將信息建模技術應用到建筑設計中，可以有效提高設計質量。除了建筑算量外，結構專業(yè)也需根據(jù)建筑造型、建筑用材等確認細部結構設計以及作用于結構上的荷載變化。因此，在施工前為保證施工材料能夠滿足裝配式建筑建設的需要，需要按照施工方案制定施工材料清單，分析各種材料的數(shù)量和應用，然后通過圖紙進行統(tǒng)計和測量。簡言之，建筑信息建模技術的應用為設計人員提供了更準確的信息和數(shù)據(jù)，讓設計的質量進一步得到提高。在這個過程中，可以利用三維BIM模型與二維圖紙的相互轉化功能，通過修改模型再導出圖紙的方式進行實時修改和數(shù)據(jù)調整，由于三維BIM模型內部數(shù)據(jù)之間的聯(lián)動關系較密切，任何修改都有可能會產生牽一發(fā)而動全身的影響效果，所以在具體的施工過程中，如果產生設計變更，設計師可以利用三維BIM模型對設計圖進行實時調整，完善建筑結構材料清單的編制，控制項目成本并保證施工進度與施工質量。

3 結語

綜上所述，BIM技術作為我國信息技術發(fā)展的領先技術，在建筑行業(yè)具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)技術的優(yōu)勢，呈現(xiàn)出可視化、協(xié)同化、仿真化的特點，但現(xiàn)階段，在大多數(shù)項目中，我國BIM技術在不同環(huán)節(jié)與不同專業(yè)之間的應用是混合而難以協(xié)作的。信息化，不僅需要建立數(shù)據(jù)之間的關系，還需要更深層次的建立數(shù)據(jù)背后，也就是參與者、使用者的關系，想要打破參與者、使用者信息孤島的特點，達到各專業(yè)從規(guī)劃、設計、施工、運維乃至拆除階段都僅使用同一個項目模型的目標，還需要各環(huán)節(jié)與各專業(yè)從業(yè)人員作出更多努力。因此，加強BIM技術的應用，并進一步加強各環(huán)節(jié)各專業(yè)的數(shù)據(jù)互享，將其貫徹到建筑工程設計的全設計過程中，就可以進一步打通數(shù)據(jù)壁壘。在裝配式建筑結構設計時，運用BIM技術一方面可以實現(xiàn)結構三維可視化，打通設計施工環(huán)節(jié)的技術壁壘將可能存在的問題前置，另一方面將結構專業(yè)三維計算的模型直接導入至三維結構模型中，可以進一步提升結構設計人員的工作效率與建筑結構的計算準確性，不僅推動裝配式建筑發(fā)展，還可以保證建筑結構安全。因此，大力推廣BIM技術的應用，可以進一步加強我國建筑結構設計的質量和水平。