BIM技術(shù)在裝配式建筑地下工程設(shè)計(jì)與施工研究

朱未 張一鳴

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430050；2.山河建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇徐州221000）

當(dāng)前，裝配式建筑的發(fā)展日新月異，裝配式混凝土建筑相比于傳統(tǒng)建筑模式而言，具有本質(zhì)上的優(yōu)勢(shì)，成為應(yīng)用廣泛的裝配式建筑結(jié)構(gòu)形式[1]。隨著建筑信息化的要求不斷變化與發(fā)展，基于BIM概念和技術(shù)的裝配式建筑在工程中也逐漸豐富起來(lái)，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程采用BIM技術(shù)，并且獲得信息技術(shù)使用的收益。

1 裝配式建筑BIM技術(shù)目前研究發(fā)展的現(xiàn)狀

對(duì)裝配式建筑的BIM技術(shù)研究中，胡佳星等基于BIM技術(shù)為主要建模軟件的環(huán)境下，分析了以SolidWorks為新建模、組裝模型軟件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[2]。潘敏華對(duì)采用等同現(xiàn)澆設(shè)計(jì)的裝配整體式混凝土框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，為裝配式混凝土框架的設(shè)計(jì)提供參考[3]。王雪飛從預(yù)制裝配式剪力墻施工技術(shù)與質(zhì)量控制方面，顧玉萍從裝配式建筑發(fā)展及其節(jié)點(diǎn)連接施工技術(shù)方面分別開(kāi)展研究。以上的研究豐富了裝配式建筑的理論研究基礎(chǔ)，但是我們也發(fā)現(xiàn)基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工方法的研究還略顯不足。

2 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)施工特點(diǎn)

裝配式建筑從房屋建設(shè)的模式和生產(chǎn)方式上與現(xiàn)澆混凝土建筑有著很大的差別，直接影響了建筑的技術(shù)水平、生產(chǎn)工藝、管理水平、生產(chǎn)能力，運(yùn)輸條件，建設(shè)周期等方面。同時(shí)，BIM技術(shù)的應(yīng)用也給建筑設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)了很大的變化，與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，基于BIM裝配式建筑有著以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

精細(xì)化的設(shè)計(jì)施工流程。裝配式建筑設(shè)計(jì)流程更加復(fù)雜，施工過(guò)程更加精細(xì)，在傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)施工的基礎(chǔ)上，增加了預(yù)制構(gòu)件加工圖設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程。

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與施工。針對(duì)建筑工業(yè)化的要求與標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)施工實(shí)現(xiàn)建筑、部品與構(gòu)件之間的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)施工標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等設(shè)計(jì)的一體化。

協(xié)同一體化。通過(guò)BIM技術(shù)開(kāi)展設(shè)計(jì)施工協(xié)同，能夠有效地利用BIM技術(shù)，打破各參與單位溝通協(xié)同障礙，做到主體結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備、綜合管線(xiàn)、設(shè)計(jì)變更、施工組織的協(xié)同配合，優(yōu)化整個(gè)過(guò)程。

信息化管理與成本控制。利用BIM技術(shù)所帶來(lái)的信息化優(yōu)勢(shì)，充分表達(dá)建筑物的幾何、物理和功能信息，例如，裝配式構(gòu)件或部品信息能直接成為構(gòu)件生產(chǎn)加工依據(jù)，從設(shè)計(jì)階段到施工生產(chǎn)，構(gòu)件拆分環(huán)節(jié)的優(yōu)劣直接影響最終成本控制，而B(niǎo)IM信息化手段能將這一過(guò)程前置，起到節(jié)約成本的目的。

3 工程概況及常見(jiàn)問(wèn)題

本文以某湖.云山居項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目總建筑面積274266.94㎡，可建設(shè)用地面積92906.07㎡，地上建筑面積195984.51㎡地下建筑面積78055.00㎡。住 宅136351.88㎡，商業(yè)52627.10㎡，配套5220.14㎡，總戶(hù)數(shù)1146戶(hù)。圖1為某湖.云山居項(xiàng)目項(xiàng)目概況圖。

圖1 某湖.云山居項(xiàng)目項(xiàng)目概況圖

該工程的地下工程在實(shí)際施工過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

（1）施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多，隱患大，給施工造成了一定困難。比如，在預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝的過(guò)程，因預(yù)制構(gòu)件自重大，在施工時(shí)存在一定風(fēng)險(xiǎn)和困難。此外，豎向預(yù)支構(gòu)件連接采用灌漿套筒或漿錨連接，給裝配式建筑墻體帶來(lái)壓力，導(dǎo)致裝配式建筑地下墻體滲漏風(fēng)險(xiǎn)加劇，灌漿質(zhì)量也很難保證。同時(shí)，構(gòu)件水平位置縫，通過(guò)灌漿方式連接，因不是整體澆筑，很難保證不漏水漏漿，建筑整體防水性能下降嚴(yán)重。

（2）多專(zhuān)業(yè)協(xié)同過(guò)程中存在溝通不暢，設(shè)計(jì)、施工一體化信息銜接問(wèn)題比較突出。比如，建筑，結(jié)構(gòu)與設(shè)備之間在按圖施工過(guò)程中存在的錯(cuò)漏碰缺，這些問(wèn)題導(dǎo)致較多的設(shè)計(jì)變更，同時(shí)輔助設(shè)計(jì)的加入，設(shè)備管線(xiàn)與結(jié)構(gòu)凈高問(wèn)題的發(fā)生，對(duì)于提升溝通效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，驗(yàn)證、優(yōu)化施工圖設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，為保障后續(xù)施工順利進(jìn)行，需要做大量的前期準(zhǔn)備工作。

（3）從業(yè)人員素質(zhì)與現(xiàn)實(shí)施工之間存在差距，導(dǎo)致施工質(zhì)量得不到保證。一線(xiàn)施工人員是裝配式建筑施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素，這與裝配式建筑施工特點(diǎn)有很大關(guān)聯(lián)，例如，BIM技術(shù)帶來(lái)的施工信息化需要從業(yè)人員轉(zhuǎn)變思路，提高技術(shù)服務(wù)水平，對(duì)目前行業(yè)發(fā)展水平來(lái)講，存在一定挑戰(zhàn)，此外，施工工法也提高了難度，例如利用坐漿法施工，泥漿灌注的質(zhì)量影響后續(xù)模板安裝和鋼筋連接。以上這些問(wèn)題都需要從業(yè)人員從自身綜合素質(zhì)方面做到提升，合理安排施工作業(yè)，對(duì)于整體項(xiàng)目的施工質(zhì)量和性能起著決定性的作用。

4 云山居項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中BIM技術(shù)的應(yīng)用

（1）初步設(shè)計(jì)階段

裝配式建筑設(shè)計(jì)是確保后續(xù)施工過(guò)程連續(xù)可靠和建筑工程質(zhì)量的基礎(chǔ)。依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)自然環(huán)境和工程地質(zhì)等方面的大量的分析和科學(xué)研究。本項(xiàng)目提出以BIM技術(shù)構(gòu)建裝配式建筑模型，使用數(shù)據(jù)可視化創(chuàng)建該項(xiàng)目的建筑、結(jié)構(gòu)與機(jī)電模型，如圖2。其中其中建筑主要表現(xiàn)墻體、門(mén)窗等，結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)預(yù)制梁板柱等，室內(nèi)二次裝飾、結(jié)構(gòu)鋼筋不建模，結(jié)構(gòu)鋼筋力學(xué)分析采用結(jié)構(gòu)分析模型，如圖3，實(shí)線(xiàn)為結(jié)構(gòu)力學(xué)分析線(xiàn)，該線(xiàn)條是地下結(jié)構(gòu)主要受力情況的簡(jiǎn)化模型。室內(nèi)機(jī)電管線(xiàn)模型達(dá)到管線(xiàn)綜合優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)，包括所有機(jī)電明裝主管道的尺寸、路由、閥門(mén)管件等。

圖2 云山居項(xiàng)目地下工程建筑（左一）與結(jié)構(gòu)模型示意圖

圖3 云山居項(xiàng)目地下工程結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型

通過(guò)BIM技術(shù)構(gòu)建的三維模型，建設(shè)單位能夠更直觀地發(fā)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目投資過(guò)程中資源消耗點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)，及時(shí)糾正設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，在施工前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免不必要的設(shè)計(jì)變更，提高管理決策水平，使建設(shè)單位投資能盡可能精準(zhǔn)有效，工程質(zhì)量也能得到保障。

（2）設(shè)計(jì)校核階段

云山居項(xiàng)目地下工程設(shè)計(jì)校核階段一共包含綜合審查與易錯(cuò)點(diǎn)檢查兩個(gè)類(lèi)別，共計(jì)五個(gè)子類(lèi)別及17項(xiàng)審查內(nèi)容，如表1。

表1 云山居項(xiàng)目設(shè)計(jì)校核內(nèi)容

裝配式建筑設(shè)計(jì)校核階段，在信息模型設(shè)計(jì)之后，可能出現(xiàn)多種類(lèi)型的問(wèn)題，云山居項(xiàng)目主要問(wèn)題包含兩個(gè)土建與機(jī)電設(shè)備兩大方面其中項(xiàng)目土建部分經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)校核一共發(fā)現(xiàn)了18項(xiàng)綜合檢查類(lèi)問(wèn)題，機(jī)電設(shè)備存在12項(xiàng)易錯(cuò)點(diǎn)檢查類(lèi)問(wèn)題。通過(guò)校核階段的檢查，我們可以將裝配式建筑常見(jiàn)問(wèn)題歸納總結(jié)為以下幾類(lèi)：

1 ）預(yù)制構(gòu)件碰撞或連接問(wèn)題。預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)完成之后，在組裝拼接過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)沖突碰撞的問(wèn)題，例如B1層1-H軸網(wǎng)上預(yù)制梁與14,15,24號(hào)現(xiàn)澆柱對(duì)預(yù)制梁高度未標(biāo)明，梁板未搭接，這種問(wèn)題特別容易發(fā)生在拐角、標(biāo)高變化部位，設(shè)計(jì)人員由于工作量比較大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)缺陷。如圖4所示，門(mén)廳的左側(cè)梁未注明升高，梁板不搭接，在圖中可以明顯看出，預(yù)制梁深入現(xiàn)澆柱結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并且高度尺寸未標(biāo)注，施工時(shí)，容易產(chǎn)生延誤，工程量統(tǒng)計(jì)時(shí)，深入現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)部分也會(huì)被重復(fù)統(tǒng)計(jì)，造成工程量誤差，對(duì)預(yù)算不利。

圖4 B1層1-H軸網(wǎng)上預(yù)制梁與14，15，24號(hào)現(xiàn)澆柱碰撞位置簡(jiǎn)圖

2 ）留洞類(lèi)問(wèn)題。設(shè)計(jì)過(guò)程中，模型與圖紙表達(dá)不一致，產(chǎn)生設(shè)計(jì)信息缺失，導(dǎo)致圖紙與實(shí)際情況不符，這種問(wèn)題通常出現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員對(duì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)理解不透的時(shí)候，信息缺失導(dǎo)致設(shè)計(jì)缺陷，例如圖5，1-C與1-L軸網(wǎng)墻體與1-B軸網(wǎng)與1-D軸網(wǎng)處56號(hào)預(yù)制柱形成封閉空間，該空間無(wú)門(mén)洞連通，形成建筑死角，經(jīng)設(shè)計(jì)人員開(kāi)展資料審查與比對(duì)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件將此范圍標(biāo)注為非人防區(qū)域，未注明板厚，且此區(qū)域梁無(wú)尺寸標(biāo)注，實(shí)際情況是地下部分為地下人防電站，應(yīng)表示為人防設(shè)施，同時(shí)要設(shè)置門(mén)洞，方便后期電站維修。

圖5 1-C與1-L軸網(wǎng)墻體與1-B軸網(wǎng)與1-D軸網(wǎng)處56號(hào)預(yù)制柱封閉空間示意圖

3 ）凈高不足的問(wèn)題。土建部分與機(jī)電設(shè)備部分協(xié)同中，存在大量錯(cuò)綜復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備管路，通風(fēng)管，排水管，輸電線(xiàn)路管道，因在垂直上下范圍上疊加，同事地下人防工程因標(biāo)準(zhǔn)需要要滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求，在布置過(guò)程中，容易產(chǎn)生問(wèn)題。如圖6所示，1/D-78號(hào)預(yù)制柱軸交1-D軸交匯處，層高3600mm，梁900mm，風(fēng)管厚320mm，梁下50mm安裝，風(fēng)管底面距建筑面2300mm，不滿(mǎn)足2400凈高要求。經(jīng)設(shè)計(jì)校核之后發(fā)現(xiàn)，人防梁無(wú)法修改，局部?jī)舾咧荒茏龅?200mm，因此，在后期運(yùn)維過(guò)程中，此位置不宜設(shè)置車(chē)位或放置超高設(shè)備。

圖6 1/D-78號(hào)預(yù)制柱軸與1-D軸交匯處凈高示意圖

（3）深化設(shè)計(jì)階段

本項(xiàng)目中，建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分在設(shè)計(jì)校核階段能夠解決后續(xù)施工中的絕大多數(shù)問(wèn)題，但機(jī)電設(shè)備部分的問(wèn)題在校核之后還有著管道優(yōu)化設(shè)計(jì)這一問(wèn)題。機(jī)電設(shè)備管道線(xiàn)路的排布位置十分關(guān)鍵，如果無(wú)法精準(zhǔn)定位管線(xiàn)的固定位置，那么精度不夠，就會(huì)影響到工程的整體質(zhì)量，導(dǎo)致工程質(zhì)量不合格，出現(xiàn)二次返工[4]。云山居項(xiàng)目作為裝配式建筑中，其機(jī)電管道施工方法和傳統(tǒng)的澆筑施工方法在應(yīng)用過(guò)程中有一定相似性，但也存在差異，其深化設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)在為管道綜合設(shè)計(jì)與凈高配合設(shè)計(jì)上。本項(xiàng)目大面積層高3600mm，大部分梁高800mm，梁下凈高2800mm，風(fēng)管厚320mm貼梁底安裝，風(fēng)管底2480mm，預(yù)留80mm安裝噴頭及支架，管底2400mm，橋架、給水管、消防管與風(fēng)管一層敷設(shè)，在梁窩內(nèi)上翻，滿(mǎn)足車(chē)道2400mm凈高要求，如圖7所示。

圖7 云山居地下工程立面結(jié)構(gòu)示意圖

在裝配式建筑中，機(jī)電設(shè)備安裝環(huán)節(jié)包含了設(shè)備的主體部分安裝、線(xiàn)路分布和設(shè)計(jì)等[5]。本項(xiàng)目滿(mǎn)足2400mm凈高要求從實(shí)際角度出發(fā)是為了方便后期車(chē)位車(chē)道的設(shè)置，從實(shí)際出發(fā)，對(duì)管道設(shè)計(jì)走線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化，如圖8所示。地下工程7#樓地下門(mén)廳附近頂部管線(xiàn)在深化設(shè)計(jì)之前，通風(fēng)管，排水管，電線(xiàn)管路等上下堆疊，影響到管線(xiàn)下方2400mm凈高要求，我們通過(guò)改線(xiàn)的方式，將排水管，電線(xiàn)管路移動(dòng)至預(yù)支結(jié)構(gòu)梁平行位置，不僅能為通風(fēng)管騰出垂直空間，同時(shí)，也不影響其他管線(xiàn)的輸送排放，一般管線(xiàn)深化設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)線(xiàn)路全局把握清楚，同時(shí)對(duì)地下工程各結(jié)構(gòu)段大底板標(biāo)高分布圖要有清晰認(rèn)識(shí)，統(tǒng)籌考慮之后，完成優(yōu)化。

圖8 7#樓地下門(mén)廳綜合管線(xiàn)優(yōu)化前后對(duì)比圖

5 結(jié)論

當(dāng)前，BIM技術(shù)在裝配式建筑上的使用領(lǐng)域在我國(guó)不斷擴(kuò)大，并且已經(jīng)取得了比較明顯的成效，使建筑建造更加高效、綠色。本文通過(guò)對(duì)云山居項(xiàng)目裝配式建筑地下工程的設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)能為全方位了解后續(xù)施工過(guò)程可能面對(duì)的問(wèn)題，做到事前預(yù)防，把信息化設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)施工相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)解，為提高建筑工業(yè)化，標(biāo)準(zhǔn)化及信息化生產(chǎn)起到良好的促進(jìn)作用。