BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計中的應(yīng)用

王超偉

裝配式建筑區(qū)別于傳統(tǒng)的建筑施工，因其將大量的施工現(xiàn)場作業(yè)轉(zhuǎn)移至工廠，一方面保證了建筑構(gòu)件的質(zhì)量，另一方面提升了施工速度。同時，裝配式建筑生產(chǎn)方式采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理及智能化應(yīng)用，在一定程度上減少施工現(xiàn)場的建筑垃圾、粉塵與噪聲，所以應(yīng)用此種施工方式對于我國建筑業(yè)的綠色發(fā)展具有十分重要的意義[1]。關(guān)于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)，目前西方發(fā)達(dá)國家對該項技術(shù)的理論研究與實踐應(yīng)用較成熟，我國尚處于持續(xù)探索階段，本文嘗試將該項技術(shù)與裝配式建筑生產(chǎn)模式相結(jié)合，針對裝配式建筑設(shè)計中BIM 技術(shù)的應(yīng)用展開理論分析。

1 基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計思路與應(yīng)用流程

1.1 設(shè)計思路

國內(nèi)傳統(tǒng)的裝配式建筑設(shè)計方式為，先對建筑進(jìn)行整體設(shè)計，然后基于建筑整體設(shè)計對建筑構(gòu)件與建筑細(xì)部進(jìn)行拆分設(shè)計，整個設(shè)計過程大多由不同的設(shè)計單位完成，設(shè)計單位間的溝通是否有效會影響裝配化施工的效率，與目前我國提倡的建筑工業(yè)化相背離[2]。

基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計，各設(shè)計單位在進(jìn)行建筑設(shè)計的過程中能夠利用BIM 協(xié)同平臺，設(shè)計師能夠?qū)崟r獲取其他設(shè)計單位上傳的建筑構(gòu)件、建筑細(xì)部設(shè)計成果，為設(shè)計環(huán)節(jié)中的各單位協(xié)調(diào)提供了便利。

在具體的操作中，相關(guān)工作人員在建立方案模型后，可以構(gòu)建一個預(yù)制構(gòu)件庫，用于強(qiáng)化設(shè)計人員對預(yù)制構(gòu)件的了解，并在一定程度上減少預(yù)制構(gòu)件的種類。關(guān)于預(yù)制構(gòu)件庫的應(yīng)用，設(shè)計人員在添加預(yù)制構(gòu)件后，還應(yīng)對某一預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計。

1.2 應(yīng)用流程

1.2.1 方案設(shè)計階段

設(shè)計單位在該階段應(yīng)與業(yè)主方共同，對裝配式建筑設(shè)計方案的可行性進(jìn)行評價，確保設(shè)計方案符合裝配式建筑施工項目需求，初步確立設(shè)計方案與各建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計單位此環(huán)節(jié)可應(yīng)用BIM技術(shù)創(chuàng)建一個建筑方案模型，用于在可行性評價過程中幫助業(yè)主方更好地了解方案設(shè)計的整體思路。所創(chuàng)建的模型能夠為后續(xù)的設(shè)計工作提供指導(dǎo)[3]。

1.2.2 預(yù)制構(gòu)件庫形成與完善階段

形成預(yù)制構(gòu)件庫是下一步構(gòu)建BIM模型的基礎(chǔ)，也是建筑構(gòu)件生產(chǎn)工廠的參照基礎(chǔ)，所以在整個流程中預(yù)制構(gòu)件庫的形成較為關(guān)鍵。設(shè)計師在該階段應(yīng)結(jié)合裝配式建筑的使用功能，創(chuàng)建符合工程項目要求的預(yù)制構(gòu)件庫，然后由生產(chǎn)單位結(jié)合自身的生產(chǎn)能力與設(shè)計師溝通，剔除無法完成的預(yù)制構(gòu)件，最后由設(shè)計師對構(gòu)件庫中的各個構(gòu)件進(jìn)行完善，直至預(yù)制構(gòu)件庫中的所有構(gòu)件均能滿足生產(chǎn)要求與建筑功能需求。

1.2.3 BIM 模型構(gòu)建與優(yōu)化階段

設(shè)計單位在該階段應(yīng)結(jié)合最初擬定的設(shè)計方案，調(diào)取預(yù)制構(gòu)件庫中的構(gòu)件，并將其組合形成裝配式建筑模型，待BIM模型構(gòu)建完成后，利用BIM 平臺的功能，如碰撞檢查等方式，結(jié)合檢查結(jié)果對BIM模型進(jìn)行優(yōu)化。此外，設(shè)計單位應(yīng)充分發(fā)揮BIM 平臺的優(yōu)勢，例如可以采取沖突檢查、三維管線綜合以及凈高檢查等方式，檢測整個模型設(shè)計是否存在問題。

1.2.4 構(gòu)件深化設(shè)計階段

設(shè)計單位、施工方以及構(gòu)件生產(chǎn)方在該階段均需就裝配式建筑構(gòu)件設(shè)計方案展開交互，施工方應(yīng)開展初步的施工現(xiàn)場勘察，將安裝孔的固定、吊鉤的預(yù)埋留等問題作為現(xiàn)場勘察的重點，并在勘察的過程中記錄下來，反映給設(shè)計單位，由設(shè)計單位對裝配式建筑構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計[4]。構(gòu)件生產(chǎn)方需再次考察自身的生產(chǎn)能力，對無法生產(chǎn)的構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)識、記錄，反映給設(shè)計單位，由設(shè)計單位對裝配式建筑構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計。構(gòu)件深化設(shè)計階段在整個BIM 技術(shù)應(yīng)用流程中屬于最終的確定階段，所以該階段的反復(fù)協(xié)調(diào)、深化設(shè)計也是保證后續(xù)裝配式建筑施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

2 基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計應(yīng)用

將上文中的設(shè)計思路與應(yīng)用流程作為分析基礎(chǔ)對應(yīng)用關(guān)鍵點展開進(jìn)一步分析，具體內(nèi)容如下。

2.1 創(chuàng)建預(yù)制構(gòu)件庫

2.1.1 分類選擇

裝配式建筑構(gòu)件在不同的建筑結(jié)構(gòu)體系中并不能夠?qū)崿F(xiàn)通用，所以設(shè)計單位在構(gòu)建預(yù)制構(gòu)件庫的過程中應(yīng)秉持精細(xì)化的設(shè)計理念，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)體系對不同的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行細(xì)分，選擇符合本建筑結(jié)構(gòu)需求的預(yù)制構(gòu)件。以裝配式混凝土為例，設(shè)計單位一般將其細(xì)分為裝配整體式框架混凝土結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)以及整體式框架。選擇構(gòu)件時應(yīng)側(cè)重于確定模數(shù)，即所選擇的預(yù)制構(gòu)件應(yīng)符合裝配式設(shè)計的要求[5]。

2.1.2 信息創(chuàng)建

待構(gòu)件入庫后，設(shè)計單位需要對每一個入庫的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行信息創(chuàng)建。信息創(chuàng)建大致分為兩個工作環(huán)節(jié)：第一，為各個構(gòu)件編碼，提升構(gòu)件庫的標(biāo)準(zhǔn)化。第二，完整描述各個構(gòu)件，主要涵蓋構(gòu)件的幾何信息與非幾何信息。前者主要指預(yù)制構(gòu)件的尺寸與其在整個建筑結(jié)構(gòu)中的定位等，后者主要指預(yù)制構(gòu)件的材質(zhì)說明、載荷說明以及安裝說明等。

2.1.3 審核入庫

由專門的審核人員核對各個預(yù)制構(gòu)件的信息，待無誤后將其上傳至預(yù)制構(gòu)件庫中。構(gòu)件審核的重點包括以下2 點：第一，檢查構(gòu)件的編碼是否與構(gòu)建的分類相對應(yīng)。第二，檢查構(gòu)件的信息描述是否與構(gòu)件相符。

2.1.4 管理實現(xiàn)

構(gòu)件庫管理功能的實現(xiàn)是發(fā)揮基于BIM 技術(shù)構(gòu)件庫對裝配式建筑設(shè)計作用的關(guān)鍵步驟，所以應(yīng)在構(gòu)件審核入庫后設(shè)置權(quán)限，賦予業(yè)主方、施工方、構(gòu)件生產(chǎn)方使用者的權(quán)限，賦予設(shè)計單位管理者的身份，使用者有權(quán)力查看，管理者有權(quán)力刪除、修改、上傳及調(diào)用。

2.2 協(xié)同設(shè)計

協(xié)同設(shè)計作為一種相對集成的設(shè)計方法，各設(shè)計單位可借助計算機(jī)技術(shù)通過一定的協(xié)調(diào)機(jī)制共同完成裝配式建筑設(shè)計任務(wù)。BIM 技術(shù)的協(xié)同設(shè)計支持不同設(shè)計單位在同一BIM 平臺開展設(shè)計活動，但各設(shè)計單位需遵循統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在整個設(shè)計環(huán)節(jié)中，各個設(shè)計單位所接收的裝配式建筑信息相同，而且共享設(shè)計成果，所以基于BIM 技術(shù)的協(xié)同設(shè)計能夠保證設(shè)計信息傳遞的及時性。

2.3 優(yōu)化設(shè)計方案

預(yù)制構(gòu)件的統(tǒng)籌優(yōu)化是一項重點工作，設(shè)計單位在具體操作中除遵循上文提出的關(guān)鍵點外，還應(yīng)關(guān)注以下幾方面。

2.3.1 關(guān)注構(gòu)件的類型、尺寸及重量

第一，構(gòu)件類型。參與裝配式建筑工程項目的各方應(yīng)仔細(xì)查閱設(shè)計方提供的設(shè)計方案，并關(guān)注構(gòu)件的類型，分析自身條件是否能夠滿足要求。其中，生產(chǎn)方主要考量某一構(gòu)件的生產(chǎn)進(jìn)度、構(gòu)件模具的周轉(zhuǎn)情況以及某一構(gòu)件的原材料供應(yīng)情況；運輸方主要考量預(yù)制構(gòu)件的運輸成本、運輸車輛的運載能力等；裝配施工方則需要分析生產(chǎn)方、運輸方所需要的時間，以能夠滿足施工進(jìn)度要求。

第二，構(gòu)件尺寸。生產(chǎn)方可基于BIM構(gòu)件庫或BIM模型明確各個構(gòu)件的尺寸，然后結(jié)合本廠模臺的尺寸、場地的尺寸與可周轉(zhuǎn)性對構(gòu)件生產(chǎn)的可行性進(jìn)行評價。運輸方則可結(jié)合施工現(xiàn)場的道路限寬限高要求對構(gòu)件方案的可行性進(jìn)行評價。裝配施工方則可結(jié)合場地布置、施工技術(shù)等對構(gòu)件方案的可行性進(jìn)行評價。

第三，構(gòu)件重量。運輸方需要結(jié)合施工當(dāng)?shù)氐牡缆废掭d問題評價構(gòu)件是否運輸受限。裝配施工方需要結(jié)合施工起吊設(shè)備的承載能力評價構(gòu)件是否能夠滿足裝配施工要求。

2.3.2 保證節(jié)點連接與預(yù)埋留的合理性

為進(jìn)一步明確BIM 裝配式建筑設(shè)計模型是否具有可行性，參與裝配式建筑工程施工的各方均需要在構(gòu)件深化設(shè)計階段進(jìn)行檢查。其中構(gòu)件的節(jié)點連接主要指各方考量構(gòu)件連接的方式，使構(gòu)件成為一個完整的裝配式結(jié)構(gòu)，而各個構(gòu)件的連接節(jié)點處還需要做好預(yù)留預(yù)埋施工處理。在具體的施工環(huán)節(jié)，構(gòu)件吊裝也需要預(yù)埋吊點的支持，所以各方在該階段應(yīng)統(tǒng)籌裝配式建筑施工過程中的工作內(nèi)容，并將具體的問題反饋給設(shè)計方，以保證節(jié)點連接與預(yù)埋留的合理性。

2.3.3 進(jìn)行空間碰撞實驗

設(shè)計方與施工方可協(xié)同或單獨分別將優(yōu)化后的BIM 裝配式建筑模型導(dǎo)入Navisworks 中進(jìn)行空間碰撞實驗，各方在檢查過程中應(yīng)結(jié)合界面顯示信息記錄碰撞次數(shù)與碰撞位置，提前了解構(gòu)件裝配施工過程中可能存在的碰撞問題。

3 基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑模塊化設(shè)計

如果說裝配式建筑是傳統(tǒng)建筑的一種模塊化形式，那么模塊化設(shè)計則是傳統(tǒng)建筑設(shè)計的一種模塊化形式。裝配式建筑生產(chǎn)形式將大量的現(xiàn)場作業(yè)轉(zhuǎn)移至工廠，采取構(gòu)件裝配的方法提高施工質(zhì)量，而模塊化設(shè)計則是將整體的建筑設(shè)計方案進(jìn)行拆分，采取拆分的形式進(jìn)一步理清各建筑要素間的關(guān)系。因此，模塊化設(shè)計思路與裝配式建筑的生產(chǎn)理念具有相通性。本文將基于BIM 技術(shù)就該設(shè)計思路的實踐應(yīng)用展開進(jìn)一步的分析。

3.1 多方共同設(shè)計

設(shè)計單位可以利用Revit 軟件結(jié)合裝配式建筑出圖標(biāo)準(zhǔn)新建后綴名為rte 的樣板文件，樣板文件中所涵蓋的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范能夠幫助相關(guān)工作人員明確裝配式建筑單元模塊的前置條件和相關(guān)設(shè)計要求。最后，設(shè)計方利用Revit 軟件對裝配式建筑設(shè)計工作進(jìn)行模塊化細(xì)分，將具體的設(shè)計權(quán)責(zé)分配給具體的設(shè)計人員，實現(xiàn)多方共同設(shè)計，促進(jìn)裝配式建筑設(shè)計工作的高效開展。

3.2 BIM 數(shù)據(jù)庫的建立

信息是BIM技術(shù)應(yīng)用過程中的核心，所以在裝配式建筑模塊化設(shè)計工作中信息的傳遞與共享非常重要?；诓煌男畔⑻卣鳎珺IM 技術(shù)的應(yīng)用可分為不同的信息細(xì)度，具體如下。

第一，概念化細(xì)度等級（LOD100）。該階段的信息等級主要用于向各方呈現(xiàn)裝配式建筑最基本的體量關(guān)系，如建筑的功能、空間、朝向等信息。第二，近似構(gòu)件細(xì)度等級（LOD200）。該階段的信息等級近似于上文提到的方案初步設(shè)計，即對建筑大體的元素進(jìn)行控制，了解建筑的具體形態(tài)。第三，精確構(gòu)件細(xì)度等級（LOD300）。該階段的信息近似于傳統(tǒng)建筑施工中的施工圖紙，但基于BIM 數(shù)據(jù)庫建立的精確構(gòu)件所提供的施工圖設(shè)計更精確，可精確到各個裝配構(gòu)件、節(jié)點連接。第四，加工細(xì)度等級（LOD400）。該階段的信息等級近似于施工建造信息。第五，竣工細(xì)度等級（LOD500）。該階段的BIM 模型信息主要應(yīng)用于后期的裝配式建筑工程運營維護(hù)。

在具體的操作中，各方協(xié)同建立BIM模型信息深度等級，能夠為裝配式建筑模塊化設(shè)計提供必要的信息支撐。同時，BIM 數(shù)據(jù)庫是一個可以持續(xù)完善、持續(xù)添加的信息模型。在模塊化設(shè)計階段，設(shè)計各方能夠向信息模型中添加不同細(xì)度等級的設(shè)計信息。為詳盡說明，本文以屋頂為例展開分析。

首先，設(shè)計人員應(yīng)充分了解屋頂模塊的結(jié)構(gòu)及其與其他模塊間的形態(tài)關(guān)系，基于LOD100 等級對屋頂?shù)慕羌?、邊梁以及屋頂板進(jìn)行初步設(shè)計。其次，當(dāng)設(shè)計等級由LOD100 過渡至LOD200 等級時，設(shè)計人員需再次確定屋頂模塊的結(jié)構(gòu)方式，如采取鋼結(jié)構(gòu)檁條為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)支撐則需進(jìn)一步確定屋頂模塊各類構(gòu)件的尺寸。最后，當(dāng)設(shè)計等級由LOD200過渡至LOD300 時，設(shè)計人員在此環(huán)節(jié)需要充分考量裝配式建筑各方的配合。

3.3 模塊單元材料設(shè)計

BIM 技術(shù)的應(yīng)用除了能夠為各方呈現(xiàn)出各模塊單元材料的特點外，還能夠更全面地表達(dá)材料的建筑信息，相較于傳統(tǒng)的信息化設(shè)計表達(dá)方式，基于BIM 技術(shù)的材料表達(dá)能夠更真實地反映模塊單元的構(gòu)造層次。

此外，設(shè)計人員還可以在BIM 數(shù)據(jù)庫中賦予單一的材料信息，如標(biāo)識信息、圖形信息、外觀信息以及物理信息，其中物理信息主要涵蓋了密度、滲透率和比熱等。材料信息的全面賦予不僅提升了某一模塊單元的設(shè)計全面性，還能夠為裝配式建筑各方充分了解設(shè)計方案提供信息支撐。

3.4 基于BIM 技術(shù)的靈活性設(shè)計

基于BIM 技術(shù)在裝配式建筑模塊化設(shè)計中的應(yīng)用，能夠有效提升單元模塊設(shè)計的靈活性。以基礎(chǔ)建模軟件Revit 為例，設(shè)計人員在具體應(yīng)用中可以將模塊單元與其相關(guān)的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，待建立模型后軟件能夠自動生成該模型的立面圖、剖面圖以及剖透視圖。

4 結(jié)語

本文基于BIM 技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計對其設(shè)計思路、設(shè)計流程、應(yīng)用點進(jìn)行分析，并論述了裝配式建筑模塊化設(shè)計觀念下BIM 技術(shù)的應(yīng)用方法。無論是基于構(gòu)件庫，還是基于數(shù)據(jù)庫建立的BIM技術(shù)應(yīng)用，在具體的設(shè)計環(huán)節(jié)中均需要各方主動參與，從而才能在發(fā)揮BIM 技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢的基礎(chǔ)上充分提高裝配式建筑設(shè)計的效率。