基于BIM軟件下的裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

緱濤

（山東省陽光工程設(shè)計(jì)院有限公司，山東濟(jì)南 250101）

1.BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)全稱為建筑信息模型技術(shù)，是建筑行業(yè)中，作為建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程的新工具。建筑信息模型是來形容那些以三維圖形為主、物件導(dǎo)向、建筑學(xué)有關(guān)的電腦輔助設(shè)計(jì)。隨著技術(shù)的完善和發(fā)展，廣義的BIM技術(shù)已經(jīng)不僅僅局限于幾個(gè)軟件或平臺(tái)，而是工程信息化一系列技術(shù)的總稱。通過BIM技術(shù)能夠進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)、建筑預(yù)算、施工導(dǎo)引等多種工作形式，作為輔助工具能直觀的展現(xiàn)建筑信息化模型，進(jìn)而開展工作。

BIM技術(shù)具有多種優(yōu)勢(shì)，最為顯著的優(yōu)勢(shì)是直觀，通過BIM能夠簡(jiǎn)單便捷地展現(xiàn)建筑三維圖形，即便沒有充足的專業(yè)知識(shí)和從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，也可通過三維圖形實(shí)現(xiàn)建筑方案的識(shí)讀。BIM技術(shù)具有交互性，不同于傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)工作中各個(gè)分項(xiàng)設(shè)計(jì)獨(dú)立進(jìn)行的形式，通過BIM技術(shù)能夠使建筑設(shè)計(jì)工作全流程實(shí)現(xiàn)交互，進(jìn)而減少工作失誤和未來整合難度，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)也可將建筑信息模型引入全過程管理中，使建筑施工全過程實(shí)現(xiàn)科學(xué)管控。本文中使用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，當(dāng)前相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨近成熟，已經(jīng)有多個(gè)技術(shù)和平臺(tái)能為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供服務(wù)。

2.裝配式建筑概述

裝配式建筑是指把傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工作轉(zhuǎn)移到工廠進(jìn)行，在工廠加工制作好建筑用構(gòu)件和配件，運(yùn)輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場(chǎng)，通過可靠的連接方式在現(xiàn)場(chǎng)裝配安裝而成的建筑。裝配式建筑的形式已經(jīng)有了較為久遠(yuǎn)的歷史，但是近幾年才在國(guó)內(nèi)發(fā)展并形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模的一種建筑形式。裝配式建筑主要分為混凝土裝配式、鋼結(jié)構(gòu)裝配式、木結(jié)構(gòu)裝配式幾種形式，其中混凝土裝配式在大型建筑中最為常見，且是技術(shù)要點(diǎn)多樣的一種的建筑形式。

裝配式建筑有著高效率、高質(zhì)量的顯著優(yōu)勢(shì)。不同于傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工的形式，組成建筑的主要構(gòu)件不在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)，而是移交到專業(yè)工廠進(jìn)行預(yù)制工作，在整個(gè)預(yù)制過程對(duì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有著嚴(yán)格的要求，而后運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)后施工單位仍會(huì)進(jìn)行再次驗(yàn)收，進(jìn)而保障所使用的構(gòu)件材料是質(zhì)量合規(guī)的，從而保障整個(gè)建筑的主要結(jié)構(gòu)部分質(zhì)量合格，達(dá)到提高建筑質(zhì)量的目的。整個(gè)施工過程在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量少，同時(shí)不需要長(zhǎng)久養(yǎng)護(hù)即可進(jìn)行繼續(xù)施工，整個(gè)施工過程中對(duì)于環(huán)境因素和溫度的影響也比較小，在安裝過程中不受環(huán)境影響，無需長(zhǎng)久養(yǎng)護(hù)，綜合而言是能夠提高施工效率的。此外，裝配式建筑的形式對(duì)于房屋格局的優(yōu)化也有一定意義，內(nèi)部剪力墻結(jié)構(gòu)較少，對(duì)于空間利用和格局優(yōu)化將有更大的發(fā)揮空間。裝配式建筑的施工過程中無需過多操作人員和管理人員，整個(gè)流程施工要點(diǎn)清晰明確，管理過程簡(jiǎn)單，能夠減少人力成本和措施費(fèi)用的支出。裝配式建筑減少現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn)行，進(jìn)而減少材料浪費(fèi)，建筑垃圾產(chǎn)生的數(shù)量隨之減少，也是符合節(jié)能環(huán)保理念的新型建筑模式。

3.裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則與要點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)安全性

結(jié)構(gòu)安全是所有建筑的共同需求，在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中同樣需遵循該原則。結(jié)構(gòu)安全的內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)自身安全、連接安全、荷載安全。自身安全即在施工和使用過程中結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性及在內(nèi)力和重力影響下的安全性；連接安全即為各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在連接過程中所呈現(xiàn)的穩(wěn)定性，以及是否在正常使用狀態(tài)下發(fā)生的形變下仍能保持穩(wěn)定；荷載安全指的是在建造和使用過程中，來自其他構(gòu)件的荷載，使用階段的可變荷載等，在荷載下能否保持穩(wěn)定。此外對(duì)于大部分建筑而言，有著抗震性能的需求，其與結(jié)構(gòu)安全有著較大關(guān)系[1]。

3.2 結(jié)構(gòu)耐久性

大部分結(jié)構(gòu)具有最低使用年限的需求，而使用年限的規(guī)定約束的是建筑主體結(jié)構(gòu)的使用年限。裝配式建筑作為一種建造技術(shù)和模式，對(duì)于使用年限的需求遵循普通建筑形式的需求，一般而言在50年以上。而耐久性需求并不僅僅是簡(jiǎn)單的材料或結(jié)構(gòu)能夠使用到目標(biāo)年限，還需在達(dá)到目標(biāo)年限后仍具有結(jié)構(gòu)性能。耐久性的影響主要與材料規(guī)格的選擇和設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)有關(guān)。材料強(qiáng)度越高、性能越好，則建筑結(jié)構(gòu)耐久性越好；結(jié)構(gòu)優(yōu)化形式越好，單個(gè)結(jié)構(gòu)受到的消耗越小，則建筑結(jié)構(gòu)耐久性越好。裝配式建筑同樣有著結(jié)構(gòu)耐久性需求，以達(dá)成使用年限的目的。

3.3 結(jié)構(gòu)拆分特性

結(jié)構(gòu)拆分特性與傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工工藝中具有較大差異性。裝配式建筑的構(gòu)件在工廠中生產(chǎn)預(yù)制完成，而后運(yùn)送到工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。因生產(chǎn)工藝和運(yùn)輸措施的限制，結(jié)構(gòu)尺寸不可能與建筑尺寸一致，而需要進(jìn)行分割。將結(jié)構(gòu)分割之后，內(nèi)部的受力情況，整體的性能情況將會(huì)受到影響，而這種影響通常是現(xiàn)澆建筑形式無需考慮的。結(jié)構(gòu)的拆分需注意構(gòu)件尺寸能否滿足生產(chǎn)及運(yùn)輸需要，同時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因分割造成的影響，此外在分割之后，如何進(jìn)行安裝和連接，安裝連接的穩(wěn)定性與施工可行性，均會(huì)影響最終建筑質(zhì)量與施工工藝。裝配式建筑在施工階段能夠減少工作量，降低施工難度，但在設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)拆分特性是重難點(diǎn)工作之一[2]。

3.4 結(jié)構(gòu)尺寸兼容性

裝配式建筑的安裝過程類似于搭積木，構(gòu)件的主要材料是鋼筋混凝土。鋼筋混凝土作為常用的建筑材料具有性價(jià)比高、強(qiáng)度需求靈活等多種優(yōu)勢(shì)。在裝配式建筑中，為了便于各個(gè)構(gòu)件的安裝，對(duì)于構(gòu)件尺寸有一定兼容性要求。對(duì)于混凝土構(gòu)件本身而言，因工程量大、整體尺寸大，難以避免地會(huì)存在尺寸變動(dòng)，同時(shí)混凝土材料隨著溫度的影響可能會(huì)影響自身體積尺寸，構(gòu)件運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)之后也會(huì)因溫度變化的熱脹冷縮效應(yīng)而出現(xiàn)尺寸變化?；诙喾N原因的尺寸變化將會(huì)對(duì)安裝過程造成影響。為了保障安裝工作的順利運(yùn)營(yíng)，對(duì)尺寸進(jìn)行兼容性設(shè)計(jì)是很有必要的，但構(gòu)件之間的連接方式及距離同樣會(huì)造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的折損。從該角度而言，構(gòu)件被分割后的尺寸也是在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要解決的問題。

4.BIM技術(shù)對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

4.1 結(jié)構(gòu)性能計(jì)算

為了保障結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中均需進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。通過理論層面數(shù)據(jù)用來計(jì)算結(jié)構(gòu)的抗震性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，以確定設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)性能能夠滿足建筑需要。BIM技術(shù)能夠簡(jiǎn)化整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能計(jì)算過程，通過BIM解決方案，將預(yù)選取的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定，完善的信息交互平臺(tái)能夠便捷可行地調(diào)用材料性能數(shù)據(jù)并根據(jù)布設(shè)情況完成自動(dòng)計(jì)算。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)思路首先通過需求確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求，然后根據(jù)該強(qiáng)度需求進(jìn)行鋼筋、混凝土的數(shù)量規(guī)格確定，最后再進(jìn)行驗(yàn)算。通過BIM技術(shù)的形式能夠優(yōu)化整個(gè)過程，通過信息平臺(tái)數(shù)據(jù)交互與軟件功能實(shí)現(xiàn)，在確定建筑基本需求后，可根據(jù)BIM平臺(tái)給出的性能需求數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而簡(jiǎn)化性能計(jì)算的流程，減少錯(cuò)誤的同時(shí)提高工作效率[3]。

4.2 結(jié)構(gòu)安全性與可行性檢驗(yàn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中當(dāng)確定初步方案后要進(jìn)行可行性檢驗(yàn)，主要檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)能否滿足使用需求及施工過程中的可行性。一方面保障結(jié)構(gòu)落地后的全過程中需求實(shí)現(xiàn)；另一方面確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能夠適用于工程施工工作。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下，通過結(jié)構(gòu)拆解、承載力試算的形式進(jìn)行，當(dāng)前對(duì)于結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算與極限荷載計(jì)算雖已趨于完善，但驗(yàn)證過程中復(fù)雜繁瑣。例如：在建筑空間內(nèi)某一位置的可變荷載，其經(jīng)由樓板最終將荷載分散承擔(dān)至臨近的承重結(jié)構(gòu)，但可變荷載的位置不同對(duì)于各個(gè)結(jié)構(gòu)的受力分配比例不同，而對(duì)該過程進(jìn)行分析是繁瑣且復(fù)雜的。BIM技術(shù)通過三維圖形的形式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)方案中的結(jié)構(gòu)落實(shí)到三維圖形中，進(jìn)而從多個(gè)角度檢驗(yàn)該設(shè)計(jì)方案的安全性與可行性。

4.3 結(jié)構(gòu)分割優(yōu)化

結(jié)構(gòu)分割過程對(duì)于裝配式建筑而言是較為重要的過程，結(jié)構(gòu)分割的合理性也直接決定整個(gè)裝配式工程在構(gòu)件生產(chǎn)、構(gòu)件運(yùn)輸、安裝施工等階段的可靠性與安全性。裝配式建筑的構(gòu)件分割工作均需借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行，在該過程中引入BIM技術(shù)將對(duì)于分割過程能夠進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化。以建筑三維模型的形式，在分割過程中能夠清晰的知悉各個(gè)部分的連接關(guān)系，以及分割后結(jié)構(gòu)的整體性影響，整個(gè)過程能夠全面統(tǒng)籌結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)分割工作的進(jìn)行。對(duì)于構(gòu)件尺寸問題，也可通過BIM技術(shù)開展試算，明確因分割和尺寸兼容帶來的性能折損，進(jìn)而采取針對(duì)性解決方案。

4.4 動(dòng)態(tài)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作除結(jié)構(gòu)自身性能滿足要求之外，對(duì)于施工可行性、建筑外形外觀、工程成本等均有一定要求，在上述條件的約束下，裝配式建筑的結(jié)構(gòu)性能也不會(huì)越高越好，在合理成本內(nèi)達(dá)成需求，同時(shí)不損害其他因素的設(shè)計(jì)方案才為科學(xué)合理的設(shè)計(jì)工作成果。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作形式對(duì)于設(shè)計(jì)方案需要進(jìn)行反復(fù)出具和修改的形式，反復(fù)工作較多。通過BIM技術(shù)進(jìn)行三維圖形建立之后，即可進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的形式，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的過程中可同時(shí)檢驗(yàn)其他多種約束條件，還可便捷地進(jìn)行多種方案的橫向?qū)Ρ?，進(jìn)而達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。使用三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，對(duì)校驗(yàn)建筑外觀、實(shí)時(shí)試算成本等均能簡(jiǎn)單便捷完成，從而科學(xué)全面地完成建筑設(shè)計(jì)工作。

5.BIM技術(shù)在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用中的必要性

5.1 提高設(shè)計(jì)效率

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)影響因素多樣，實(shí)施過程繁瑣的工作，而裝配式建筑因其特殊形式有著更多注意要點(diǎn)。裝配式建筑的設(shè)計(jì)工作具有多種約束和特殊需求，尤其對(duì)于構(gòu)件的分割與施工方式的確定，在整個(gè)裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是與普通建筑形式最大的不同點(diǎn)。BIM技術(shù)中通過對(duì)建筑進(jìn)行三維模型的建立，通過三維模型的形式將使整個(gè)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行更為直觀，同時(shí)能夠明確多個(gè)指標(biāo)之間的約束關(guān)系，進(jìn)而保障設(shè)計(jì)工作的科學(xué)性與合理性。不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中方案反復(fù)更改修正的形式，BIM技術(shù)能夠?qū)⒔ㄖO(shè)計(jì)中各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行明確關(guān)聯(lián)，而后使修改工作變得簡(jiǎn)單，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作效率實(shí)現(xiàn)提高[4]。

5.2 設(shè)計(jì)方案合理

設(shè)計(jì)方案的合理性對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言十分必要。合理性方面的需要主要有結(jié)構(gòu)安全、結(jié)構(gòu)耐久性等，在裝配式建筑中結(jié)構(gòu)合理性還應(yīng)檢驗(yàn)構(gòu)件分割后的合理性。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中對(duì)于結(jié)構(gòu)合理性并無檢驗(yàn)依據(jù)和可靠的檢驗(yàn)辦法，在設(shè)計(jì)工作中引入BIM技術(shù)后，可通過有限元分析、模擬荷載分析等多種形式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)，從而確保設(shè)計(jì)方案的合理。在整個(gè)過程中，可通過三維模型模擬的形式來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)自身安全和穩(wěn)定性，也可模擬使用階段可變荷載對(duì)于性能的影響。

5.3 設(shè)計(jì)方案便于施工落地

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的除需在理論層面滿足需求之外，也需考慮施工階段的便捷性與合理性。對(duì)于裝配式建筑而言，該需要不僅僅體現(xiàn)在施工環(huán)節(jié)，而構(gòu)件的生產(chǎn)、運(yùn)輸、拼接、安裝等環(huán)節(jié)均有措施和設(shè)備的限制。裝配式建筑的順利落地需確保各個(gè)環(huán)節(jié)工作的順利進(jìn)行，同時(shí)保障施工質(zhì)量與施工合理性。通過BIM技術(shù)的形式能夠?qū)⒔ㄖ^程拆解，進(jìn)而檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案確定之后，還可通過BIM技術(shù)形成的三維模型來輔助編寫施工流程，制定施工方案，同時(shí)能夠作為質(zhì)量交底的參考資料。整個(gè)過程中采用同一BIM模型即可實(shí)現(xiàn)。BIM技術(shù)直觀的特點(diǎn)也更有利于檢驗(yàn)施工方案，便于方案落地。

5.4 便于協(xié)同工作

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作涉及要點(diǎn)多，專業(yè)分項(xiàng)復(fù)雜，通常而言需要多個(gè)技術(shù)人員的參與。通過BIM技術(shù)能夠提供交互式設(shè)計(jì)解決方案，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中能夠便捷的實(shí)現(xiàn)同步設(shè)計(jì)，從而對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行逐步完善，減少無效溝通，杜絕重復(fù)工作。BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠直觀的體現(xiàn)設(shè)計(jì)工作開展過程與進(jìn)度，同時(shí)能夠使初稿、檢驗(yàn)、審核的工作流程實(shí)現(xiàn)痕跡化處理與修改，對(duì)于設(shè)計(jì)方案的溯源、逆轉(zhuǎn)等操作也更為便捷。

6.結(jié)語

裝配式建筑是一種新型建筑形式，其具有高質(zhì)量、高效率的顯著特點(diǎn)。在施工中，裝配式建筑相比傳統(tǒng)建筑模式的管控要點(diǎn)較少，技術(shù)指標(biāo)直觀，但在設(shè)計(jì)階段有多個(gè)重點(diǎn)要注意，這與傳統(tǒng)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同。BIM技術(shù)是建筑信息化的應(yīng)用解決方案，通過BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑三維模型的建立能夠簡(jiǎn)化建筑設(shè)計(jì)過程，提供全面科學(xué)的設(shè)計(jì)方案。將BIM技術(shù)引入裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、促進(jìn)裝配式建筑發(fā)展有積極意義。