基于BIM技術(shù)的預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

周衛(wèi)來

(黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑工程施工是采用工廠預(yù)制的混凝土構(gòu)件，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝與吊裝，以此完成建筑主體結(jié)構(gòu)施工，施工簡(jiǎn)單、速度快，施工效益明顯，使其在建筑工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。然而其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響著后續(xù)一系列的施工工序與施工質(zhì)量，為了保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精確性，應(yīng)積極引用BIM技術(shù)探尋高效化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在混凝土結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)的3個(gè)階段，充分利用BIM技術(shù)的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可視化、動(dòng)態(tài)化、模擬化和協(xié)調(diào)化設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與可操作性。

1 BIM技術(shù)特征

BIM技術(shù)為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，是建筑工程中常用到的設(shè)計(jì)、建造、管理的信息化工具，其基于三維數(shù)字模型集約化管理建筑工程從設(shè)計(jì)、施工直至竣工驗(yàn)收的整個(gè)生命周期管理。BIM技術(shù)在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，打造出三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)和生成混凝土結(jié)構(gòu)的平面圖、立面圖、剖面圖、詳圖、三維圖，以及一些明細(xì)表等，圖表上的數(shù)據(jù)信息之間存在著邏輯關(guān)系，設(shè)計(jì)人員只需改動(dòng)其中一項(xiàng)數(shù)據(jù)，相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)自動(dòng)變化，并直接體現(xiàn)在圖表上，極大地提高了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率。

1.1 可視化

從預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面來看，在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)人員用腦想象，然后再進(jìn)行具體的繪制。而BIM技術(shù)具備實(shí)時(shí)可視化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員直接按照自己的想象在BIM軟件中，使用其中的構(gòu)件進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的搭建，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)出三維實(shí)體模型的設(shè)計(jì)效果。目前，其他建筑設(shè)計(jì)軟件也可生成效果圖，圖中也標(biāo)注了參數(shù)信息，但是這些數(shù)據(jù)信息之間沒有關(guān)聯(lián)，如果改動(dòng)其中一處數(shù)據(jù)，與該數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，BIM技術(shù)彌補(bǔ)了這一方面的不足，全程可視化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用之外，還可用于造價(jià)、招標(biāo)、施工、竣工驗(yàn)收，以及建筑投入使用后的運(yùn)維管理之中。

1.2 協(xié)調(diào)性

在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)階段，各參與主體之間需要高質(zhì)量的協(xié)調(diào)配合，方可保證工程建設(shè)的有序開展，比如，在設(shè)計(jì)變更時(shí)，需要設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位、施工單位和業(yè)主方等共同參與，探討變更的原因，共同商量解決對(duì)策。而在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，引入BIM技術(shù)后，在技術(shù)交底過程中，各參建單位基于三維模型進(jìn)行可視化分析，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，并且使用BIM進(jìn)行不同專業(yè)施工的碰撞檢查，然后對(duì)實(shí)際專業(yè)施工進(jìn)行協(xié)調(diào)，提升設(shè)計(jì)與實(shí)際施工的匹配度，在很大程度上避免了碰撞與設(shè)計(jì)變更問題[1]。

1.3 模擬性

BIM技術(shù)具有強(qiáng)大的模擬功能，不但在設(shè)計(jì)中構(gòu)建建筑的實(shí)體數(shù)字模型，還可對(duì)施工過程進(jìn)行模擬。比如，在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以采用3D模擬，將各個(gè)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行組合，構(gòu)建出混凝土結(jié)構(gòu)的三維模型；在施工過程中進(jìn)行4D施工模擬論證施工方案的可行性，以作為實(shí)際施工中的參考；以及在工程造價(jià)管理中，基于4D施工模擬實(shí)施5D模擬，對(duì)施工過程中的成本進(jìn)行控制，或者是在工程投入使用后，可基于工程的三維模型，針對(duì)突發(fā)狀況進(jìn)行處置預(yù)案的模擬。

2 基于BIM技術(shù)探析預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1 確立設(shè)計(jì)思路

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工的實(shí)質(zhì)是，采用工廠預(yù)制的混凝土構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是裝配施工的基礎(chǔ)，利用BIM軟件中的混凝土構(gòu)件在虛擬的環(huán)境下搭建三維數(shù)字實(shí)體模型，以作為實(shí)際施工中的指導(dǎo)性文件。所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中充分利用BIM技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)細(xì)節(jié)，最大程度上提升預(yù)制構(gòu)件的通用性，實(shí)現(xiàn)最少構(gòu)件類型設(shè)計(jì)多樣化空間的目的，提高結(jié)構(gòu)空間的可操作性。以及仿真模擬施工過程，使施工各個(gè)專業(yè)之間協(xié)同聯(lián)動(dòng)配合。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，應(yīng)根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行BIM構(gòu)件庫(kù)的完善建設(shè)，為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)支撐。

2.2 理清設(shè)計(jì)流程

整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程是：方案設(shè)計(jì)→初步設(shè)計(jì)→施工圖設(shè)計(jì)。①方案設(shè)計(jì)，為結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)階段，從確定建筑的戶型開始，逐步完成標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)，制定預(yù)制混凝土構(gòu)件拆分方案，以及構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的位置設(shè)計(jì)等；②初步設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是構(gòu)件尺寸與類型的確定。混凝土構(gòu)件影響著建筑結(jié)構(gòu)后續(xù)的施工方案和施工效果，需從整個(gè)建筑工程設(shè)計(jì)入手，并結(jié)合施工的實(shí)際條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整與完善；③施工圖設(shè)計(jì)，該階段為設(shè)計(jì)的深化，形成施工實(shí)際中應(yīng)用的圖紙，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行細(xì)致的檢驗(yàn)調(diào)整，確保施工圖與施工實(shí)際的一致性，還需對(duì)參數(shù)信息進(jìn)行補(bǔ)充和延伸，為實(shí)際施工提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐[2]。

2.3 建立規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫(kù)

在進(jìn)行預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需使用到不同類型與不同尺寸的混凝土構(gòu)件，像是預(yù)制外墻、預(yù)制梁、預(yù)制柱、預(yù)制樓梯和預(yù)制樓板等，由這些構(gòu)件搭建成混凝土的結(jié)構(gòu)。而這些構(gòu)件是工廠按照工程混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行提前預(yù)制，這對(duì)于工廠混凝土構(gòu)件制造質(zhì)量和水平有著很高的要求，要想實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，需在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行BIM構(gòu)件庫(kù)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，豐富構(gòu)件庫(kù)的同時(shí)，完善構(gòu)件的技術(shù)參數(shù)，打造通用模型庫(kù)與常用的構(gòu)件族，一方面是進(jìn)行原有構(gòu)件的整理分類，按照構(gòu)件類型、通用性和加工工藝等進(jìn)行劃分；另一方面是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注重通用性構(gòu)件的運(yùn)用，同時(shí)注意適用性較強(qiáng)構(gòu)件的收集，比如，結(jié)構(gòu)墻的類型、結(jié)構(gòu)樓板類型和混凝土結(jié)構(gòu)梁類型等，不斷地充實(shí)構(gòu)件庫(kù)，并編制好常用的明細(xì)表，以此來提升混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率?；炷翗?gòu)件庫(kù)的良好建設(shè)，為后期構(gòu)件工廠化生產(chǎn)提供了輔助，基于BIM技術(shù)進(jìn)行混凝土構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)，搭建結(jié)構(gòu)三維數(shù)字實(shí)體模型，檢驗(yàn)構(gòu)件尺寸是否正確，并通過施工過程的模擬，進(jìn)一步進(jìn)行混凝土構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免構(gòu)件尺寸精度出現(xiàn)偏差[3]。

2.4 搭建混凝土結(jié)構(gòu)模型

在明確設(shè)計(jì)思路，理清設(shè)計(jì)流程與完善構(gòu)件庫(kù)建設(shè)之后，正式進(jìn)入預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。構(gòu)件庫(kù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)人員參照工程設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)模型搭建的具體實(shí)施，從構(gòu)件庫(kù)中直接將構(gòu)件拖拽至設(shè)計(jì)界面，進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的整體搭建，如果構(gòu)件圖中缺少某個(gè)構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，進(jìn)行構(gòu)件的針對(duì)性設(shè)計(jì)，應(yīng)用之后存儲(chǔ)至構(gòu)件庫(kù)。一是采用結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)平面，進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)圖的設(shè)計(jì)；二是利用結(jié)構(gòu)模板平面，搭建混凝土結(jié)構(gòu)三維數(shù)字模型，并使用3D視圖檢查模型是否存在問題；三是應(yīng)用結(jié)構(gòu)布置平面，進(jìn)行技術(shù)參數(shù)的標(biāo)注，主要包括構(gòu)件的尺寸、注釋和編號(hào)等；四是結(jié)構(gòu)配筋平面，主要用于混凝土結(jié)構(gòu)梁、板和柱等構(gòu)件中鋼筋的設(shè)計(jì)與標(biāo)注。在結(jié)構(gòu)模型搭建過程中，隨時(shí)進(jìn)行模型中構(gòu)件調(diào)整與參數(shù)信息的修正，逐步完善結(jié)構(gòu)模型的搭建。在結(jié)構(gòu)模型審核過程中，當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)位置、尺寸等適配性較差時(shí)，需立即進(jìn)行調(diào)整，并深度挖掘觀察結(jié)構(gòu)模型中潛在的問題，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)的深化，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏差控制在最小程度。

2.5 合理巧用結(jié)構(gòu)模型

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)模型是正式施工中的指導(dǎo)性文件，構(gòu)件加工與施工現(xiàn)場(chǎng)裝配都需參照該模型進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，其中拼裝是混凝土結(jié)構(gòu)施工的難點(diǎn)與重點(diǎn)，可使用BIM技術(shù)進(jìn)行拼裝的模擬，明確實(shí)際拼裝的操作流程與注意事項(xiàng)，以及確定一些具體裝配的細(xì)節(jié)，提前進(jìn)行拼裝施工的質(zhì)量控制。在實(shí)際仿真模擬拼裝過程中，施工管理人員與設(shè)計(jì)人員依托于結(jié)構(gòu)模型，分析實(shí)際拼裝中可能出現(xiàn)的問題，提前制定出解決預(yù)案。通過結(jié)構(gòu)模型提高施工現(xiàn)場(chǎng)的管理質(zhì)量，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)施工現(xiàn)場(chǎng)的區(qū)域用途，設(shè)定施工材料、機(jī)具、構(gòu)件的堆放位置，為結(jié)構(gòu)施工創(chuàng)造良好的空間環(huán)境。此外，將結(jié)構(gòu)模型快速的轉(zhuǎn)化為施工圖，目前BIM在3D至2D轉(zhuǎn)換方面技術(shù)不夠成熟，不能實(shí)現(xiàn)100%無(wú)縫銜接，可階段性地使用該技術(shù)，像是將結(jié)構(gòu)模型自動(dòng)生成各種結(jié)構(gòu)圖，制作出結(jié)構(gòu)條件圖，最后導(dǎo)出2D平面圖，以為各專業(yè)施工提供結(jié)構(gòu)條件[4]。

2.6 構(gòu)件拆分與碰撞檢測(cè)

構(gòu)件拆分是基于混凝土構(gòu)件制作、運(yùn)輸和拼裝等考慮，對(duì)較大混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行拆分，像是結(jié)構(gòu)墻體、結(jié)構(gòu)樓板等，體積較大，通過準(zhǔn)確合理的分割，使其與結(jié)構(gòu)施工的各項(xiàng)條件相適應(yīng)。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，按照受力均衡、施工方便和少規(guī)格等要求，使用BIM技術(shù)進(jìn)行構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)，可視化地展示構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以保證構(gòu)件拆分的協(xié)調(diào)性，簡(jiǎn)化后續(xù)的構(gòu)件制作，為運(yùn)輸與拼裝施工提供便利。BIM技術(shù)在碰撞檢測(cè)中的應(yīng)用，使用其自動(dòng)碰撞檢測(cè)功能，確定管線鋪設(shè)、設(shè)備安裝等專業(yè)施工是否存在碰撞問題，然后進(jìn)行各專業(yè)的協(xié)調(diào)，降低實(shí)際施工中專業(yè)碰撞發(fā)生的概率。

3 BIM技術(shù)在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的延伸運(yùn)用

3.1 深化施工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，每道施工工序之間都有著內(nèi)在聯(lián)系，各個(gè)施工項(xiàng)目不是獨(dú)立存在的，尤其是各個(gè)專業(yè)施工，在混凝土結(jié)構(gòu)中混亂而又有序的開展，所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各專業(yè)之間的信息交互非常重要。一是BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的運(yùn)用，需進(jìn)行設(shè)計(jì)的深化，檢測(cè)各專業(yè)碰撞情況，并進(jìn)行設(shè)計(jì)上的調(diào)整，降低各項(xiàng)施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，有利于工程進(jìn)度的管理；二是基于BIM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從整體結(jié)構(gòu)至結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)的完善與優(yōu)化，在構(gòu)件類型與尺寸選用設(shè)計(jì)階段，提前對(duì)常見的施工問題進(jìn)行規(guī)避，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加切合施工實(shí)際；三是使用BIM技術(shù)構(gòu)建了混凝土的結(jié)構(gòu)模型，工程各參建單位應(yīng)基于結(jié)構(gòu)模型開展分析和討論，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，以及探索后續(xù)施工存在的風(fēng)險(xiǎn)，提前制定解決方案，提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性的同時(shí)，保證了施工效益[5]。

3.2 工程造價(jià)管理中的運(yùn)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段同時(shí)也是工程造價(jià)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需從工程的經(jīng)濟(jì)性角度進(jìn)行考慮。像是在構(gòu)件設(shè)計(jì)中，將定額標(biāo)準(zhǔn)直接標(biāo)注在構(gòu)件屬性中，或是使用BIM技術(shù)進(jìn)行工程量的計(jì)算，形成工程造價(jià)的成本，作為工程施工中工程預(yù)算控制的依據(jù)。BIM技術(shù)基于4D構(gòu)建5D成本控制模式，根據(jù)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件中標(biāo)注的數(shù)據(jù)，進(jìn)行工程量的計(jì)算與核對(duì)，將BIM軟件中的工程量直接導(dǎo)入至三維算量軟件中，完成工程成本的計(jì)算。BIM技術(shù)對(duì)于工程造價(jià)管理有著積極的影響，將大量、重復(fù)性的工程量計(jì)算工作，交由BIM軟件與三維算量軟件處理，使工程造價(jià)管理更加的透明、有效，緩解了工程量計(jì)算的壓力。

3.3 預(yù)留孔洞設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)過程中，需預(yù)留一些孔洞為設(shè)備安裝、管線鋪設(shè)提供方便。在傳統(tǒng)的建筑工程中，完成混凝土澆筑作業(yè)后，使用鉆機(jī)進(jìn)行打孔。而在使用BIM技術(shù)后，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段預(yù)留出孔洞，工廠按照設(shè)計(jì)要求，生產(chǎn)出帶有孔洞的混凝土構(gòu)件，簡(jiǎn)化后續(xù)的施工環(huán)節(jié)?？锥搭A(yù)留時(shí)要注意與相鄰構(gòu)件之間的配合，以實(shí)現(xiàn)預(yù)留孔洞的作用，需要在完成構(gòu)件孔洞設(shè)計(jì)后，從整體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行孔洞設(shè)計(jì)的檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)孔洞設(shè)計(jì)存在問題，則立即進(jìn)行修正。再者，在結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)審核階段，應(yīng)特別留意預(yù)留孔洞設(shè)計(jì)，保證孔洞開口設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)于設(shè)計(jì)有著高標(biāo)準(zhǔn)與嚴(yán)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中包括了構(gòu)件尺寸、類型的選用，構(gòu)件與構(gòu)件之間的拼裝與連接等，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表現(xiàn)出了系統(tǒng)性、復(fù)雜性的特征，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度較大。而BIM技術(shù)是建筑工程行業(yè)比較先進(jìn)的三維數(shù)字技術(shù)，具備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的條件，使用其強(qiáng)大的構(gòu)件庫(kù)、模擬仿真功能、專業(yè)碰撞檢測(cè)功能，以及各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平面進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)效用的充分發(fā)揮，為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供最優(yōu)的技術(shù)解決方案。