BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的優(yōu)化應(yīng)用

黨利榮 ,李 強(qiáng) ,曹家瑋 ,魏宏亮 ,王小虎

（1.甘肅天水綠色裝配式建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，甘肅 天水 741099；2.甘肅建投科技研發(fā)有限公司，甘肅 蘭州 730050）

2011年5月，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《2011—2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》（建質(zhì)函[2011]67號），BIM技術(shù)首次出現(xiàn)在我國行業(yè)政策中。BIM（Building Information Modelling）即建筑信息模型，通過BIM技術(shù)應(yīng)用#提高設(shè)計(jì)與施工效率、節(jié)省工程成本、有利于工程項(xiàng)目的精細(xì)化控制。我國在早期的一些大型復(fù)雜示范項(xiàng)目上就進(jìn)行了BIM技術(shù)應(yīng)用，如2008年開工建設(shè)的中國第一高樓“上海中心大廈”，該項(xiàng)目組建了70余人的專業(yè)BIM技術(shù)團(tuán)隊(duì)，利用BIM技術(shù)在質(zhì)量控制、風(fēng)險(xiǎn)管理、成本優(yōu)化、效率提升等方面起到巨大作用[1]。近年來，隨著國家政策的推動(dòng)，裝配式建筑在我國取得良好地發(fā)展態(tài)勢，而“基于BIM技術(shù)的一體化設(shè)計(jì)”正是住建部采用“一體兩翼”方針推動(dòng)裝配式建筑發(fā)展的其中“一翼”，將BIM技術(shù)與裝配式建筑相結(jié)合，能更好地實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，有效提高裝配式建筑的施工效率與施工進(jìn)度，進(jìn)而確保施工的質(zhì)量與進(jìn)度。由于傳統(tǒng)二維圖紙的局限性，導(dǎo)致在施工過程中常遇到構(gòu)件、管線碰撞錯(cuò)誤或者不匹配等問題，為項(xiàng)目施工帶來困難。裝配式建筑是近年才進(jìn)入我國建筑產(chǎn)業(yè)，目前對于裝配式建筑，尤其是對裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在設(shè)計(jì)等階段通過BIM技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還相對較少。本研究以某裝配式鋼結(jié)構(gòu)展示中心項(xiàng)目為例，主要針對設(shè)計(jì)階段基于BIM技術(shù)的管線優(yōu)化及其他研究應(yīng)用，通過實(shí)際工程應(yīng)用，#為以后在裝配式鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目上應(yīng)用BIM技術(shù)提供借鑒。

1 BIM優(yōu)化設(shè)計(jì)作用與流程分析

1.1 BIM優(yōu)化設(shè)計(jì)作用分析

建筑工程項(xiàng)目是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其設(shè)計(jì)過程中涉及建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、暖通、設(shè)備安裝、消防等多個(gè)專業(yè)，各專業(yè)圖紙由相關(guān)的專業(yè)人員分開進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于傳統(tǒng)二維圖紙的局限性，各專業(yè)設(shè)計(jì)在空間上及規(guī)范要求的間距上不#避免的會(huì)產(chǎn)一定碰撞。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，施工企業(yè)中有45%的都經(jīng)歷過由于圖紙碰撞錯(cuò)誤導(dǎo)致的返工，從而引起經(jīng)濟(jì)損失，同樣對于設(shè)計(jì)單位，也有80%的設(shè)計(jì)公司因?yàn)樵O(shè)計(jì)碰撞原因?qū)е庐a(chǎn)生大量的合同損失[2]。裝配式建筑由于其建筑特點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)建筑多出了構(gòu)件拆分與安裝的環(huán)節(jié)，在施工過程中需要進(jìn)行大量的吊裝作業(yè)，如果在設(shè)計(jì)階段發(fā)生錯(cuò)漏或者構(gòu)件尺寸規(guī)格不匹配等問題，則會(huì)對施工階段的進(jìn)度、質(zhì)量和安全造成很大影響，且設(shè)計(jì)階段是成本管控的最重要的階段，如圖1所示。在設(shè)計(jì)階段做好充分優(yōu)化工作，能夠有效地避免產(chǎn)生諸多的連帶問題與經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 工程項(xiàng)目不同階段成本管控曲線

通過裝配式建筑設(shè)計(jì)階段的BIM技術(shù)應(yīng)用，#對設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行多個(gè)方位的優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)碰撞。基于BIM#建立#視化的三維模型，進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，將各專業(yè)的設(shè)計(jì)圖紙共同反映在三維模型上，能夠直觀看到具體的空間碰撞點(diǎn)，便于尋找設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤，有利于設(shè)計(jì)人員及時(shí)進(jìn)行碰撞修改，提高設(shè)計(jì)的精細(xì)化程度。而且對于建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備管線等還#進(jìn)行具體的優(yōu)化，如進(jìn)行凈高檢查分析優(yōu)化、空間布局優(yōu)化、管線排布優(yōu)化、裝飾裝修優(yōu)化等，使得設(shè)計(jì)理念及其功能性能夠更好地體現(xiàn)，降低因返工#能產(chǎn)生的造價(jià)風(fēng)險(xiǎn)。此外，BIM模型上存有部品部件的基本信息，也能便于各專業(yè)設(shè)計(jì)人員之間、設(shè)計(jì)人員與施工人員之間進(jìn)行信息共享，實(shí)現(xiàn)#視化的技術(shù)交底，從而提高溝通效率。

1.2 優(yōu)化流程分析

BIM 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程如圖2所示。在應(yīng)用過程中，首先對于設(shè)計(jì)圖紙根據(jù)專業(yè)進(jìn)行劃分，在由專業(yè)建模人員建立相應(yīng)部分的BIM模型，其中土建部分模型主要包括建筑和結(jié)構(gòu)兩部分，安裝部分則涉及電氣、設(shè)備、暖通、消防、給排水等方面，兩大部分模型建立完成后，再根據(jù)原圖紙進(jìn)行查缺補(bǔ)漏。模型各自檢查完成后，將其進(jìn)行整合統(tǒng)一到一個(gè)模型空間中去，形成BIM綜合模型。然后基于綜合模型，通過#視化功能和相應(yīng)的檢查功能，對管道碰撞等問題進(jìn)行檢測，并根據(jù)各專業(yè)具體安全距離要求、空間布局及經(jīng)濟(jì)性要求等，對綜合模型進(jìn)行整體優(yōu)化，優(yōu)化完成后進(jìn)行模型檢測，如果滿足各方面要求，則將其作為施工的模型生成，若優(yōu)化完成的模型尚不能滿足各方要求，則對模型進(jìn)行二次優(yōu)化，直到能夠滿足相應(yīng)的要求后，再生成施工模型。該模型#以用于指導(dǎo)工程施工，施工單位也#將該模型根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行深化后，再進(jìn)行使用。

圖2 BIM優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

2 應(yīng)用項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目以天水市某展示中心項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，結(jié)構(gòu)類型為鋼框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積20 774.0 m2，二類高層公共建筑，項(xiàng)目效果如圖3所示。

圖3 項(xiàng)目效果圖

該項(xiàng)目由主樓、裙房A、裙房B三個(gè)單體組成，地上十層，地下一層。項(xiàng)目主樓地上部分采用裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)，地下部分采用型鋼混凝土柱、混凝土梁的框架結(jié)構(gòu)形式[3]，功能分區(qū)分別如圖4所示。

圖4 項(xiàng)目功能分區(qū)圖

3 BIM技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用分析

3.1 綜合管線布置優(yōu)化

通過優(yōu)化，擬將本項(xiàng)目每層管道優(yōu)化布置兩層，局部有排煙風(fēng)管地方布置三層。走道位置盡#能布置綜合支吊架，全部優(yōu)化預(yù)留檢修空間，以滿足運(yùn)營期間設(shè)備檢修和更換要求。本次走廊區(qū)域內(nèi)綜合管線位置布置為：橋架層、消防主管道、給排水主管道、采暖空調(diào)主管道在最大鋼梁下300 mm布置，進(jìn)房間支管向上翻彎，貼梁底布置，風(fēng)管在管道層下布置。優(yōu)化均按管道中心標(biāo)高，同一層管道按最大管道考慮做綜合支架和洞口預(yù)留。各管線最小凈距要求參考相關(guān)規(guī)范要求，主要管線排布間距如表1所示，綜合管線路排布如圖5-圖7所示。經(jīng)過優(yōu)化后，避免了原有管線與鋼梁的碰撞，有效減少管線安裝作業(yè)過程中的問題，增大了凈空高度，結(jié)合二次裝修，#實(shí)現(xiàn)較好的建筑效果。

表1 管線綜合排布間距 (mm)

圖5 綜合管線排布

圖6 某風(fēng)管在鋼梁處的位置優(yōu)化

圖7 某水管在鋼梁處的優(yōu)化處理

3.2 地下室優(yōu)化

地下室主要有換熱站、消防水泵房、生活水泵房、配電室、柴發(fā)機(jī)房、送風(fēng)排風(fēng)機(jī)房組成。所有管道均集中在走廊，地下室底標(biāo)高為-6.0 m，最大梁底標(biāo)高為-0.85 m，本次共優(yōu)化排布5層，局部四層，管道距墻邊預(yù)留450 mm檢修空間，管最上層為橋夾層、重力排水管道，中間三層為采暖、空調(diào)、消防管道層，其中給水管道、噴淋支管在管道間隙安裝。通過優(yōu)化，對原有排布進(jìn)行調(diào)整，避免了管線間的碰撞并保證了管線和建筑間的合理距離。

3.3 場平布置優(yōu)化

施工現(xiàn)場場地布置對后續(xù)施工的開展有著重要影響，裝配式建筑施工過程中吊裝作業(yè)多，且鋼構(gòu)件需要場地進(jìn)行構(gòu)件堆放，若場平布置不合理，則會(huì)產(chǎn)生大量二次搬運(yùn)工作，影響工作效率并造成資源浪費(fèi)。在本項(xiàng)目中采用BIM技術(shù)對施工現(xiàn)場道路、辦公室、加工場地、庫房、設(shè)備位置等科學(xué)合理地優(yōu)化布置，使其更適用于本項(xiàng)目的裝配式施工，減少了施工現(xiàn)場的材料和機(jī)具的搬運(yùn)工作，提升場地利用率和作業(yè)效率，如圖8所示。

圖8 場平布置優(yōu)化

3.4 施工過程模擬

基于BIM模型通過動(dòng)畫進(jìn)行施工過程模擬，能夠#視化地體現(xiàn)施工中具體工藝流程，如圖9所示。本工程中現(xiàn)場場布、基坑降水、基礎(chǔ)施工、主體施工、裝飾裝修等各個(gè)環(huán)節(jié)均通過相應(yīng)的BIM動(dòng)畫進(jìn)行了展示，如在主體施工過程中，鋼梁與鋼柱連接節(jié)點(diǎn)采用栓焊連接，豎向柱構(gòu)件先通過連接板采用臨時(shí)螺栓連接，然后再進(jìn)行焊接，待焊接完成后拆除臨時(shí)螺栓和連接板的工藝，通過BIM動(dòng)畫都#精細(xì)地體現(xiàn)出來，采用動(dòng)畫能夠使現(xiàn)場人員更為全面和形象的了解施工過程。此外，BIM模型中本身就存儲(chǔ)有信息數(shù)據(jù)[4]，通過輕量化處理后，#將BIM模型導(dǎo)入移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)上就#隨時(shí)查詢模型，有利于施工現(xiàn)場進(jìn)行技術(shù)交底及施工進(jìn)度把控等，大大提高工程施工管控的精細(xì)度和效率。

圖9 施工過程模擬

4 結(jié)語

裝配式建筑優(yōu)點(diǎn)眾多，在“碳達(dá)峰、碳中和”政策的推動(dòng)與支持下，具有節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)的裝配式建筑將被建筑行業(yè)進(jìn)行廣泛推廣與應(yīng)用，與之相結(jié)合的BIM技術(shù)也必將在此過程進(jìn)行更好地應(yīng)用。BIM技術(shù)#應(yīng)用于裝配式建筑的設(shè)計(jì)、施工、部品部件生產(chǎn)和運(yùn)維等各個(gè)階段，提高各階段的管控效率，但目前實(shí)際項(xiàng)目上還大都只是應(yīng)用于設(shè)計(jì)與施工階段，其實(shí)際應(yīng)用廣度還遠(yuǎn)不及工程的全生命周期，且每個(gè)階段的應(yīng)用深度也具有很大的挖掘潛力。因此，通過更大范圍和更深程度的將BIM技術(shù)融合應(yīng)用于裝配式建筑，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化施工，將會(huì)更進(jìn)一步地提升裝配式建筑的施工效率，推動(dòng)我國新型建筑工業(yè)化的健康發(fā)展。