BIM技術(shù)在某裝配式節(jié)能建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中的應(yīng)用研究

王國霖，吳云龍，公厲智，林利欽，陳徐磊

(中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

裝配式建筑憑借其環(huán)保、節(jié)能、施工簡便等優(yōu)點(diǎn)在近幾年迅速發(fā)展[1-2]。國務(wù)院及各地住建委均發(fā)布了相關(guān)文件大力提倡使用裝配式建筑[3]。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)不同，裝配式混凝土在工業(yè)化技術(shù)應(yīng)用、設(shè)計(jì)流程和構(gòu)件形式等多方面均存在較大差異[4]。目前國內(nèi)設(shè)計(jì)院針對(duì)裝配式建筑的設(shè)計(jì)方法均為參照傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)[5]，一般流程如下：確定結(jié)構(gòu)體系和方案、結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)件設(shè)計(jì)；與預(yù)制場廠家進(jìn)行溝通，深化設(shè)計(jì)，確定施工方法、節(jié)點(diǎn)連接和構(gòu)件形式等內(nèi)容[6]。但這種方法對(duì)預(yù)制廠商要求較高，設(shè)計(jì)時(shí)間和流程較為冗長。裝配式設(shè)計(jì)應(yīng)基于三維設(shè)計(jì)，充分考慮多專業(yè)協(xié)調(diào)和生產(chǎn)安裝等問題。

BIM技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用為裝配式建筑的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工帶來了革命性的變化，BIM技術(shù)可以從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全過程整合各種信息和數(shù)據(jù)模型，具有關(guān)聯(lián)性、一致性、完備性、協(xié)調(diào)性和可視化性等特點(diǎn)，可以將項(xiàng)目信息在不同專業(yè)和不同時(shí)間內(nèi)高效的共享和傳遞[7-8]?；贐IM技術(shù)可以簡化設(shè)計(jì)流程，可以同時(shí)完成普通構(gòu)件和預(yù)制構(gòu)件的詳圖，然后將三維設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入加工廠的控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化成為生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，而且可以基于精細(xì)化模型進(jìn)行現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的裝配，從而實(shí)現(xiàn)全方位、多角度、系統(tǒng)的數(shù)字化項(xiàng)目管理[9]。目前國內(nèi)設(shè)計(jì)院主要是以使用國外軟件公司BIM解決方案為主[10-11]，比如Bentley、Revit、ArchiCAD、3DMax等，各個(gè)軟件功能側(cè)重點(diǎn)不同，在不同軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換較為繁瑣[12-13]，而且國外BIM軟件本地化工作良莠不齊，未深入?yún)⒄罩袊?guī)范[14]。PKPM軟件是中國建筑科學(xué)研究院自主研發(fā)的，針對(duì)我國規(guī)范進(jìn)行深入融合的BIM設(shè)計(jì)軟件，其可供電氣、暖通、給排水、結(jié)構(gòu)和建筑等全專業(yè)使用，可以實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)和無縫銜接[15]。

BIM技術(shù)應(yīng)用廣泛，如開展了BIM技術(shù)在桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用研究[16]；對(duì)公路交通BIM應(yīng)用差異及解決方案進(jìn)行了研究[17]；分析了綜合設(shè)施管理組織BIM應(yīng)用合作行為系統(tǒng)的6種演化情形[18]；通過分析發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)有助于提高橋梁設(shè)計(jì)的效率和成本[19]；基于BIM技術(shù)對(duì)鋼筋工程量精細(xì)化計(jì)算方法進(jìn)行了研究[20]。本文基于PKPM軟件，依托某裝配式辦公樓實(shí)例，研究了該BIM正向設(shè)計(jì)全過程，包括建立模型、分析計(jì)算、拆分構(gòu)件、連接檢查、碰撞檢查和施工模擬等。本文基于PKPM軟件，依托某裝配式辦公樓實(shí)例，研究了該BIM正向設(shè)計(jì)全過程，包括建立模型、分析計(jì)算、拆分構(gòu)件、連接檢查、碰撞檢查和施工模擬等。

1 項(xiàng)目簡介

某裝配式節(jié)能建筑是集餐飲、會(huì)議和辦公為一體的多功能寫字樓，共7層，地下1層、地上6層，建筑面積為9 623 m2，此辦公樓為丙級(jí)建筑，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震烈度為7度、結(jié)構(gòu)等級(jí)為框架3級(jí)。本建筑設(shè)計(jì)梁截面有350 mm×450 mm、350 mm×650 mm、400 mm×600 mm和400 mm×750 mm等，每層的板厚為20 cm、屋面板厚和現(xiàn)澆層厚12 cm、疊合板預(yù)制層厚為8.5 cm；其建筑的模型如圖1所示。

圖1 辦公樓模型Fig.1 Office building model

2 模型創(chuàng)建

建筑模型包括柱板梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，各個(gè)專業(yè)間需要相互溝通，管線、設(shè)備、結(jié)構(gòu)和建筑專業(yè)需進(jìn)行同步設(shè)計(jì)。建筑室外各個(gè)角度和室內(nèi)裝修效果圖均可以通過PKPM渲染器完成。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要完成結(jié)構(gòu)方案的整體計(jì)算分析，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型可通過3種方式：①導(dǎo)入之前的BIM模型，然后對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整；②在軟件內(nèi)置的PM模塊中實(shí)時(shí)交互建模；③導(dǎo)入已有的PM結(jié)構(gòu)模型。

本文建立的辦公樓結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行荷載大小的取值，基本雪壓值和風(fēng)壓值分別為0.02、0.55 kN/m2，結(jié)構(gòu)的地震設(shè)防烈度為0.1 g(7級(jí))、結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05、場地特征周期為0.95 s。寫字樓的整體結(jié)構(gòu)計(jì)算可參照現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在PKPM軟件中可輸入常用的控制性指標(biāo)并得到配筋計(jì)算結(jié)果，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)模型。

圖2 結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structural model

完成創(chuàng)建模型后，可指定相應(yīng)的構(gòu)件在SATWE中進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可在軟件中以文本、簡圖等形式呈現(xiàn)。如不滿足規(guī)范要求，可反復(fù)調(diào)整參數(shù)和模型。本結(jié)構(gòu)的剪重比、剛度比、位移角和位移比等結(jié)構(gòu)整體控制指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

(c)最大層間位移角簡圖

(d)位移比簡圖

(e)振型周期簡圖圖3 結(jié)構(gòu)整體控制指標(biāo)Fig.3 Overall control index of the structure

3 施工圖設(shè)計(jì)

3.1 構(gòu)件拆分

本項(xiàng)目主要拆分為預(yù)制樓梯、疊合板、疊合梁和預(yù)制柱等，如圖4所示，建筑輕質(zhì)墻板主要應(yīng)用于內(nèi)墻、大型砌塊主要應(yīng)用于外墻體。PKPM軟件可以通過同步或復(fù)制等便捷地獲取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。PKPM開放的參數(shù)化構(gòu)件庫，可以單獨(dú)管理和存儲(chǔ)構(gòu)件庫數(shù)據(jù)，可與其他單位或團(tuán)隊(duì)相互自定義或共享構(gòu)件庫。

圖4 預(yù)制構(gòu)件Fig.4 Prefabricated components

3.2 深化設(shè)計(jì)

確定完拆分方案后，軟件可以導(dǎo)出材料和預(yù)制構(gòu)件的統(tǒng)計(jì)清單，并得到該結(jié)構(gòu)的預(yù)制率指標(biāo)。然后進(jìn)行裝配式結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析設(shè)計(jì)，PKPM軟件根據(jù)之前模型預(yù)制屬性和計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件、主體構(gòu)件現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)等尺寸標(biāo)注、構(gòu)件信息表達(dá)和深化設(shè)計(jì)等工作。相對(duì)比國外的BIM解決方案，PKPM深入結(jié)合國內(nèi)設(shè)計(jì)和施工特點(diǎn)，通過較少的參數(shù)就可以完成構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)和拆分。針對(duì)已經(jīng)布置好的拆分構(gòu)件，可以通過BIM模型對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)留孔洞、吊件、埋件等屬性進(jìn)行補(bǔ)充和調(diào)整，尤其是對(duì)于在節(jié)點(diǎn)處需要連接的有預(yù)埋鋼材的單個(gè)構(gòu)件，可對(duì)需要焊接連接處的細(xì)微形狀進(jìn)行準(zhǔn)確地檢查。此外，對(duì)于在節(jié)點(diǎn)處需要連接的單個(gè)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件也能更方便地檢查其端頭形狀。對(duì)于需要單獨(dú)拆分的構(gòu)件，利用交互式調(diào)整計(jì)算參數(shù)進(jìn)行編輯，圖形的輔助定位和交互界面可以有效保證設(shè)計(jì)的靈活性。

3.3 碰撞檢查

深化設(shè)計(jì)完成后，可進(jìn)行鋼筋和構(gòu)件的碰撞檢查。構(gòu)件的碰撞問題在本結(jié)構(gòu)中尤為突出，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)在處理鋼筋和鋼筋之間或鋼筋和構(gòu)件之間的碰撞會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。PKPM軟件可以在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行全面的鋼筋、構(gòu)件和各種管線之間的碰撞。以管線和建筑結(jié)構(gòu)碰撞為例，如圖5所示，分別為預(yù)制梁箍筋和預(yù)制板外伸分布筋之間的碰撞和梁柱節(jié)點(diǎn)處預(yù)制柱外伸縱筋與預(yù)制梁底的碰撞。如果在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)此類問題可以通過修改縱向鋼筋或箍筋的間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 碰撞檢查Fig.5 Collision check

3.4 導(dǎo)出施工詳圖

利用PKPM軟件可以設(shè)置出圖參數(shù)，進(jìn)行全套加工圖紙的繪制，主要包含結(jié)構(gòu)平面圖、各種構(gòu)件的工程數(shù)量表、構(gòu)件鋼筋的編號(hào)與統(tǒng)計(jì)、鋼筋與預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)注和編號(hào)等。其中樓梯的外觀圖和配筋圖如圖6所示?；谠撥浖傻亩S施工詳圖，可以有效保證其與BIM模型的一致性，此外還可以對(duì)生成的二維圖紙進(jìn)行編輯和修改。

圖6 樓梯加工詳圖Fig.6 Details of staircase processing

4 施工模擬

裝配式結(jié)構(gòu)件筑的施工具有某些特定流程，以本建筑一層為例，其主要施工步驟為：施工基礎(chǔ)底板(采用鋼筋混凝土材料)→定位柱預(yù)留插筋→安裝柱斜撐→灌漿柱混凝土→安裝疊合梁→梁柱節(jié)點(diǎn)連接→布置疊合板支撐→安裝疊合板(預(yù)制鋼筋混凝土)。施工模擬中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)除了采用現(xiàn)場澆筑混凝土進(jìn)行連接外，還可以采用節(jié)點(diǎn)處對(duì)接材料的預(yù)制鋼材進(jìn)行焊接連接的方式。利用BIM技術(shù)可以將數(shù)字文件和施工計(jì)劃導(dǎo)入至AUTODESK平臺(tái)的Navisworks軟件中進(jìn)行三維施工動(dòng)畫的制作，具體如圖7所示。

圖7 三維施工動(dòng)畫模擬Fig.7 Three-dimensional construction animation simulation

5 結(jié)語

本文依托某裝配式節(jié)能寫字樓，利用PKPM軟件對(duì)該裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的全過程進(jìn)行了BIM正向設(shè)計(jì)，主要包括建筑模型的創(chuàng)建、結(jié)構(gòu)模型的創(chuàng)建、結(jié)構(gòu)模型整體計(jì)算、構(gòu)件拆分、深化設(shè)計(jì)、碰撞檢查、導(dǎo)出施工詳圖、模擬施工動(dòng)畫的全過程，從設(shè)計(jì)過程中來看，相比于國外BIM解決方案，PKPM針對(duì)我國的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)做了深入適配和針對(duì)性研究，可以有效實(shí)現(xiàn)設(shè)備機(jī)電、結(jié)構(gòu)和建筑等各個(gè)專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，并可以無縫鏈接現(xiàn)有工具。PKPM可以有效改變傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)模式、改進(jìn)各專業(yè)和各板塊間的信息交流和反饋，從而實(shí)現(xiàn)裝配式建筑全生命周期的可視化，工程應(yīng)用前景良好。