基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)及施工管理

李孟建

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010）

0 引言

為減小建筑業(yè)碳排放，國(guó)家大力推廣裝配式建筑。裝配式建筑在實(shí)施過(guò)程中因構(gòu)件節(jié)點(diǎn)精細(xì)化程度，各專業(yè)施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)交叉等要求存在一定的問(wèn)題。而運(yùn)用BIM 技術(shù)建立的精細(xì)化三維模型恰好解決了此類問(wèn)題，極大地提高了施工效率、施工質(zhì)量，有效降低建筑的碳排放。

劉杰等人［1］運(yùn)用BIM 工具對(duì)一超高層建筑項(xiàng)目施工實(shí)施了智慧化管理，顯著提升了施工質(zhì)量、安全和生產(chǎn)等方面的協(xié)同配合，施工管理更加精細(xì)化。鐘文深等人［2］在某辦公建筑中以BIM 工具為基礎(chǔ)，建立了信息化管理體系，提高了公共建筑施工管理效率。周斌［3］在裝配式建筑中運(yùn)用BIM 工建立三維模型，優(yōu)化不合理施工節(jié)點(diǎn)，解決了施工各專業(yè)交叉問(wèn)題。湯易之［4］分析了BIM 工具在智慧工地中的作用，并介紹其在成本管理和進(jìn)度管理中的應(yīng)用。畢天平等人［5］基于BIM 和3DGIS 技術(shù)，采用revit 工具開發(fā)出城建信息化平臺(tái)，對(duì)建筑項(xiàng)目的科學(xué)化、信息化、高效化和智能化有很大提升，進(jìn)一步促進(jìn)了智慧城市的發(fā)展。本文主要分析BIM 工具在裝配式公共建筑中的處理復(fù)雜節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)、各專業(yè)施工交叉問(wèn)題，及其后期使用維修等問(wèn)題。

1 BIM技術(shù)

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)簡(jiǎn)稱“建筑模型信息化”，于1974年由美國(guó)查克伊士博士提出，其后經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，技術(shù)逐漸成熟，并被應(yīng)用于各類工程項(xiàng)目中。BIM 技術(shù)于2002年被引進(jìn)我國(guó)，并被大力推廣［6］。BIM 技術(shù)被當(dāng)做一門學(xué)科，在我國(guó)的建筑行業(yè)信息化發(fā)展過(guò)程中起重要作用。建筑工程項(xiàng)目的全生命過(guò)程中，不同階段不同專業(yè)的施工，可以通過(guò)BIM 技術(shù)進(jìn)行信息共享、信息互換和協(xié)同工作，為建筑項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)帶來(lái)革命性變革。而且，由于BIM 技術(shù)的應(yīng)用，建筑項(xiàng)目建設(shè)的各個(gè)階段可有效減少錯(cuò)誤和風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)降低項(xiàng)目成本造價(jià)有顯著作用，具有較大的商業(yè)價(jià)值。

2 裝配式建筑

裝配式混凝土建筑最早出現(xiàn)在1875 年英國(guó)的某承重骨架上安裝預(yù)制混凝土墻板［7］。日本于1986 年提出裝配式建筑以適應(yīng)住房需求的多樣化。美國(guó)于20世紀(jì)70年代出版了第一版《PCI設(shè)計(jì)手冊(cè)》，開始將混凝土構(gòu)件預(yù)制施工和機(jī)械生產(chǎn)［8］。20 世紀(jì)60 年代裝配式建筑在我國(guó)開始快速發(fā)展，到80年代已有上萬(wàn)家預(yù)制加工工廠［9］。其后，由于唐山大地震影響，國(guó)內(nèi)裝配式建筑的發(fā)展一度中斷。從2008年開始，我國(guó)裝配式建筑的設(shè)計(jì)及建造準(zhǔn)則逐漸完善，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，裝配式建筑被大力推廣。裝配式建筑具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工等特點(diǎn)，與我國(guó)綠色發(fā)展的理念也剛好相符。

傳統(tǒng)建筑項(xiàng)目模型很難適應(yīng)目前高標(biāo)準(zhǔn)的綠色發(fā)展理念，裝配式建筑的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化和施工信息化剛好與BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)完美契合，大力促進(jìn)了裝配式建筑的發(fā)展，兩者的相互融合有效提高了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、深化和施工效率，為建筑的實(shí)施提供了新的發(fā)展模式。裝配式建筑最核心的環(huán)節(jié)是建立一整套具有適應(yīng)性的模數(shù)以及模數(shù)協(xié)調(diào)原則。設(shè)計(jì)中據(jù)此優(yōu)化各功能模塊的尺寸和種類，使建筑部品實(shí)現(xiàn)通用性和互換性，保證房屋在建設(shè)過(guò)程中，在功能、質(zhì)量、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面獲得最優(yōu)的方案，促進(jìn)建造方式從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變。

裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵點(diǎn)體現(xiàn)在對(duì)構(gòu)件的科學(xué)拆分上。預(yù)制構(gòu)件科學(xué)拆分對(duì)建筑功能、建筑平立面、結(jié)構(gòu)受力狀況、預(yù)制構(gòu)件承載能力、工程造價(jià)等都會(huì)產(chǎn)生影響。將“標(biāo)準(zhǔn)化，模數(shù)化”的設(shè)計(jì)理念貫徹到構(gòu)件的拆分尺寸。預(yù)制裝配式建筑設(shè)計(jì)采用建筑標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)方法，采用少規(guī)格、多組合的原則，做到基本單元、連接構(gòu)造、構(gòu)件、配件及設(shè)備管線通用化。在方案階段就事先考慮到裝配式拆分連接對(duì)戶型尺寸的影響。實(shí)現(xiàn)建筑方案與裝配式設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。預(yù)制裝配式建筑，最大程度采用大開間、大進(jìn)深形式，構(gòu)件可以劃分相對(duì)規(guī)則同時(shí)提高施工功效；平面布置力求簡(jiǎn)單、規(guī)則，避免過(guò)大的凸出和挑出部分。其次對(duì)于預(yù)制構(gòu)件的選擇可根據(jù)裝配率的條件綜合分析對(duì)構(gòu)件的選擇次序進(jìn)行優(yōu)先考慮。

3 項(xiàng)目案例分析

本項(xiàng)目位于廣州市白云區(qū)人和鎮(zhèn)，項(xiàng)目用地面積約101萬(wàn)m2，總建筑面積約228萬(wàn)m2。項(xiàng)目全部采用裝配式建筑，主要功能包括住宅、配套商業(yè)、幼兒園、中小學(xué)、老人福利院、家庭綜合服務(wù)中心、社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心、社區(qū)少年宮、文化站、公交首末站等。建設(shè)內(nèi)容還包括相關(guān)室外配套工程、管線遷改及紅線范圍內(nèi)的規(guī)劃市政道路及規(guī)劃市政綠地工程等建設(shè)。

項(xiàng)目依托設(shè)計(jì)院技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用BIM技術(shù)進(jìn)行正向全過(guò)程模式設(shè)計(jì)。依據(jù)三維可視化模型和構(gòu)件模塊化的設(shè)計(jì)，可得到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型。在此三維信息化管理平臺(tái)的基礎(chǔ)上，各個(gè)專業(yè)之間可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接和協(xié)同工作，各專業(yè)在設(shè)計(jì)過(guò)程中也可實(shí)現(xiàn)空間優(yōu)化及交叉碰撞處理，確保設(shè)計(jì)效果與品質(zhì)提升。本項(xiàng)目效果如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目效果Fig.1 Project Renderings

3.1 建筑裝配率解析

項(xiàng)目按《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-163—2019》規(guī)定［10］，本項(xiàng)目各棟單體塔樓裝配率均≥50%，符合基本級(jí)裝配式建筑要求。項(xiàng)目裝配率計(jì)算如表1所示。

表1 裝配式建筑評(píng)分Tab.1 Prefabricated Building Scoring

3.2 技術(shù)體系

本項(xiàng)目全過(guò)程采用BIM 正向設(shè)計(jì)模式，從方案設(shè)計(jì)開始融入裝配式建筑專項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，智能化生成工程產(chǎn)業(yè)鏈所有裝配式構(gòu)件深化設(shè)計(jì)圖紙，設(shè)計(jì)出建造成本和施工周期遠(yuǎn)低于廣州和全國(guó)行業(yè)平均水平的裝配式建筑設(shè)計(jì)成果，將BIM 技術(shù)與裝配式建筑設(shè)計(jì)結(jié)合，將構(gòu)件信息關(guān)聯(lián)至實(shí)體模型中，從而達(dá)到圖模一致，數(shù)模一致，形成圖模一致及數(shù)模一致的裝配式建筑BIM 模型支撐廣州CIM（城市信息模型）示范，提高設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率，典型單體塔樓模型如圖2所示。

圖2 BIM三維模型Fig.2 BIM 3D Models

塔樓設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)樓板采用雙向疊合板，通過(guò)分縫連接設(shè)計(jì)，將原有雙向及單向板劃分成模數(shù)一致的標(biāo)準(zhǔn)化疊合板。預(yù)制疊合板厚度為60 mm，現(xiàn)澆層厚度大于70 mm，以滿足現(xiàn)場(chǎng)穿管線要求，同時(shí)保證樓板上層有附加筋時(shí)鋼筋保護(hù)層厚度滿足要求。通過(guò)BIM 指導(dǎo)疊合板錨固端的預(yù)埋精確定位，電氣專業(yè)在疊合板內(nèi)預(yù)埋接線盒，給排水地漏、立管在疊合板內(nèi)預(yù)埋止水節(jié)，保證防水效果。

通過(guò)BIM 軟件精細(xì)化建模，調(diào)整布置好所有的機(jī)電管線，避免各管線之間的打架現(xiàn)象，實(shí)行公共走道管線模塊化。在施工安裝時(shí)，通過(guò)裝配式支架進(jìn)行支撐管線，將管線按圖紙進(jìn)行布置。通過(guò)調(diào)整衛(wèi)生間中的管道，使其合理布置，保證各個(gè)管道之間不出現(xiàn)打架，實(shí)行裝配式衛(wèi)生間的模塊化?；贐IM 模型可實(shí)現(xiàn)管線綜合、工廠預(yù)制加工、現(xiàn)場(chǎng)組裝等多種技術(shù)的機(jī)電預(yù)制裝配。

塔樓核心筒樓梯采用預(yù)制樓梯，上端采用固定鉸支座，下端采用滑動(dòng)鉸支座，結(jié)構(gòu)抗震可不考慮其斜撐作用，考慮罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間彈塑性位移，梯段兩端與主體結(jié)構(gòu)預(yù)留30 mm變形縫，如圖3所示。預(yù)制樓梯踏面轉(zhuǎn)角處宜設(shè)置倒角，防滑構(gòu)造在預(yù)制廠一次成型。

圖3 預(yù)制樓梯支座大樣Fig.3 The Detail of Prefabricated Stair Supports

3.3 施工及BIM技術(shù)應(yīng)用

整個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從設(shè)計(jì)源頭出發(fā)，利用差異化思維，滿足開發(fā)商保質(zhì)量、控成本、優(yōu)進(jìn)度、控風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)創(chuàng)新的要求?；贐IM 技術(shù)的信息化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同管理，降低PC 構(gòu)件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配施工等環(huán)節(jié)的成本。成功研發(fā)出疊合板體系下的懸挑架施工工藝，通過(guò)BIM 技術(shù)指導(dǎo)疊合板錨固端的預(yù)埋精確定位，配套先進(jìn)制造工藝，實(shí)現(xiàn)懸挑架疊合板標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、快速安裝，如圖4所示。

圖4 外挑架BIM模型Fig.4 Exterior Pick-up BIM Model

塔樓均采用鋁模，使用工具式提升腳手架和鋁合金模板，普通標(biāo)準(zhǔn)層施工工期可達(dá)到一層/10 d。由于采用工具式提升腳手架和鋁合金模板施工技術(shù)，塔吊的使用頻率大大降低，傳統(tǒng)鋼管腳手架需要層層吊運(yùn)鋼管扣件，木模施工也需要層層吊運(yùn)模板，而工具式提升腳手架只在搭設(shè)時(shí)需要使用塔吊，鋁合金模板則通過(guò)洞口層層傳遞。因此，塔吊使用主要用于吊運(yùn)PC構(gòu)件以及鋼筋，如圖5所示。

圖5 PC構(gòu)件吊裝施工Fig.5 PC Component Hoisting Construction

此外，為推廣施工BIM 應(yīng)用，項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)還幫助運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。通過(guò)在設(shè)計(jì)BIM模型基礎(chǔ)上，開展施工BIM圖紙會(huì)審、施工管綜應(yīng)用、方案模擬、施工場(chǎng)布、細(xì)部深化、可視化交底、算量統(tǒng)計(jì)、進(jìn)度和成本管控等，實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)在施工階段全過(guò)程中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管控可視化和精細(xì)化水平。

4 結(jié)論

目前我國(guó)裝配式建筑還處于高速發(fā)展階段，BIM技術(shù)對(duì)裝配式建筑的發(fā)展起著不可代替的作用。本文通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目示例，說(shuō)明BIM 技術(shù)于裝配式建筑的完美融合，為項(xiàng)目施工提供很大便利。通過(guò)BIM 技術(shù)將建筑模型信息輸送到實(shí)體模型中，達(dá)到圖模一致，精細(xì)化的模型可解決設(shè)備管線的交叉及在混凝土中精確定位預(yù)埋問(wèn)題。通過(guò)BIM 技術(shù)還可為施工措施提供有效技術(shù)措施，極大地提高了施工準(zhǔn)確率，降低了工程造價(jià)方面的誤差率。