BIM技術(shù)在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李俊峰 林增華 張傳俊

自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和新農(nóng)村建設(shè)快速發(fā)展的歷史時(shí)期，深入推進(jìn)建筑節(jié)能、綠色發(fā)展，加快發(fā)展綠色建筑面臨難得的歷史機(jī)遇。目前，我國(guó)建設(shè)方式仍然還存在發(fā)展質(zhì)量和效益不高等問(wèn)題，裝配式建筑是一種新興的建筑形式，具有節(jié)能、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)當(dāng)今的綠色發(fā)展戰(zhàn)略，已經(jīng)成為建筑行業(yè)重要的發(fā)展方向之一。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)用BIM已成大勢(shì)所趨，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、深化以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，為整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程提供了更加精確的信息和數(shù)據(jù)，提升整體結(jié)構(gòu)的合理性，更加符合現(xiàn)場(chǎng)施工的標(biāo)準(zhǔn)，有助于提高工程的效率和降低資源的消耗，符合綠色發(fā)展。因此，在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)有著重大作用，對(duì)于推進(jìn)綠色建筑高質(zhì)量發(fā)展有著重大意義。以為某中學(xué)大樓為例進(jìn)行BIM技術(shù)在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用。

隨著環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，綠色發(fā)展已成為各行各業(yè)追求的重要目標(biāo)。在裝配式建筑中，綠色材料的選擇是實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的基礎(chǔ)。綠色材料具有環(huán)保、可循環(huán)利用、節(jié)能等特性，能夠降低建筑對(duì)環(huán)境的影響，減少資源消耗。裝配式建筑采用預(yù)制構(gòu)件，可以在工廠(chǎng)內(nèi)進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，減少現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，降低能源消耗。同時(shí)，裝配式建筑可以利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源，實(shí)現(xiàn)能源的自給自足，進(jìn)一步降低碳排放。在裝配式建筑的施工過(guò)程中，應(yīng)注重環(huán)保施工，減少噪音、塵土、污水等污染物的排放。此外，還應(yīng)加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)的管理，確保施工過(guò)程的安全與環(huán)保。裝配式建筑在投入使用后，也應(yīng)注重綠色運(yùn)營(yíng)?？梢酝ㄟ^(guò)節(jié)能設(shè)備的安裝、綠色能源的使用等方式，降低建筑的運(yùn)營(yíng)成本，提高能源利用效率。筆者通過(guò)具體案例的深入分析，展示了BIM技術(shù)在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用，為建筑施工提供了具有指導(dǎo)意義的參考，有助于推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。

一、BIM技術(shù)在裝配式結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注，為裝配式建筑的發(fā)展提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。BIM技術(shù)可以有效地提高裝配式建筑的效率和質(zhì)量，同時(shí)也可以減少建筑垃圾和能源消耗，體現(xiàn)了對(duì)環(huán)境的友好。通過(guò)BIM技術(shù)，可以更好地規(guī)劃和設(shè)計(jì)裝配式建筑，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)成本。此外BIM技術(shù)與建筑體系有著許多的交叉性，要實(shí)現(xiàn)不同專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)同，就必須借助與BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息傳遞，以達(dá)到綠色發(fā)展最終目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。筆者將運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)某中學(xué)大樓進(jìn)行全面體系構(gòu)建與精密計(jì)算，并深入探究其背后的計(jì)算原理。

二、基于BIM的裝配式建筑工作流程

1.工程概況

本項(xiàng)目是某中學(xué)教學(xué)樓擴(kuò)建項(xiàng)目(圖1）。項(xiàng)目的具體數(shù)據(jù)如下：總建筑面積6220.68m2，建筑基底面積1605.77m2，建筑的高度19.5m。每一層的凈高度設(shè)定為4.0m。項(xiàng)目的層數(shù)設(shè)定為4層，結(jié)構(gòu)上采用了框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度，防水等級(jí)為2級(jí)，使用年限設(shè)定為50年，符合一般建筑的使用要求。筆者通過(guò)運(yùn)用BIM技術(shù)詳細(xì)展示了建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和布局，為更直觀地了解這個(gè)項(xiàng)目提供了幫助。

圖1 中學(xué)教學(xué)樓項(xiàng)目效果圖

2.BIM技術(shù)的應(yīng)用

本工程為了優(yōu)化設(shè)計(jì)和指導(dǎo)安裝，采用了BIM技術(shù)，以體現(xiàn)裝配式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)同性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)符合建筑工業(yè)化的要求。圖2為中學(xué)教學(xué)樓項(xiàng)目BIM技術(shù)施工流程圖以展示BIM技術(shù)在本項(xiàng)目中的應(yīng)用效果。

圖2 中學(xué)教學(xué)樓項(xiàng)目BIM技術(shù)施工流程圖

（1）建筑建模

BIM技術(shù)在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，主要是通過(guò)三維建模的方式，對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件進(jìn)行建模。在這個(gè)過(guò)程中，主要是利用BIM軟件對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件進(jìn)行建模。BIM軟件為構(gòu)件建模提供了非常多的工具，可以為設(shè)計(jì)人員提供有效的幫助，從而使設(shè)計(jì)人員可以更加高效地完成裝配式建筑的設(shè)計(jì)工作。

在這個(gè)階段筆者使用廣聯(lián)達(dá)系列的BIM軟件進(jìn)行了三維可視化設(shè)計(jì)，這樣可大大減少項(xiàng)目因設(shè)計(jì)方案不合理而造成的資源浪費(fèi)問(wèn)題。

（2）結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

①拆分結(jié)構(gòu)與計(jì)算裝配率

筆者通過(guò)使用相關(guān)軟件對(duì)中學(xué)教學(xué)樓圖紙進(jìn)行模型翻制，并利用PKPM-PC進(jìn)行了深化設(shè)計(jì)，裝配式拆分全樓深化模型如圖3所示。同時(shí)，應(yīng)用BIM技術(shù)完成了結(jié)構(gòu)裝配式設(shè)計(jì)工作，裝配式指標(biāo)滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)要求，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的裝配率進(jìn)行了計(jì)算。本工程結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件中預(yù)制部品部件Q1A得分26.7分，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1，大于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表規(guī)定的最低分值20分;結(jié)構(gòu)樓（屋）蓋中預(yù)制部品部件Q1B得分20分，等于規(guī)定的最低分值計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2，可以認(rèn)定本工程為裝配式建筑，這不僅提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，也更加符合綠色建筑的理念。

表1 豎向構(gòu)件統(tǒng)計(jì)匯總表

表2 水平構(gòu)件統(tǒng)計(jì)匯總表

圖3 裝配式拆分全樓深化模型

②結(jié)構(gòu)整體分析

通過(guò)BIM技術(shù)將設(shè)計(jì)方案與施工圖紙進(jìn)行對(duì)比，可以有效避免因設(shè)計(jì)方案不合理導(dǎo)致的浪費(fèi)和資源浪費(fèi)等問(wèn)題，從而減少工程項(xiàng)目出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。筆者通過(guò)過(guò)SATWE2021V1.3.1版軟件的計(jì)算分析，完成了本工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)匯總信息表（表3）可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)、《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99-2015)的要求。具體來(lái)說(shuō)，本工程質(zhì)量比小于1.5，樓層剪力/層間位移剛度比不小于1.0，樓層抗剪承載力與相鄰上一層比值的最小值不小于0.80，有效質(zhì)量系數(shù)大于90%，很大程度上保證了工程的可靠性設(shè)計(jì)。

表3 結(jié)構(gòu)信息指標(biāo)匯總

（3）BIM技術(shù)在不同專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)

BIM技術(shù)是一種基于建筑信息模型的技術(shù)，它可以將建筑物的所有信息集成到一個(gè)模型中，節(jié)點(diǎn)的處理問(wèn)題是裝配式結(jié)構(gòu)的重中之重，將復(fù)雜節(jié)點(diǎn)建模及優(yōu)化運(yùn)用與BIM相結(jié)合，可以更好地發(fā)揮BIM的優(yōu)勢(shì)，提高建模效率和優(yōu)化效果。通過(guò)BIM技術(shù)，可以更好地模擬和呈現(xiàn)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少施工難度和成本，提高建筑質(zhì)量和使用體驗(yàn)，如圖4所示。因此，BIM在復(fù)雜節(jié)點(diǎn)建模及優(yōu)化運(yùn)用中具有廣泛的應(yīng)用前景和價(jià)值。

圖4 中學(xué)教學(xué)樓項(xiàng)目給排水模型碰撞截圖

另外本工程采用的是結(jié)構(gòu)模型與機(jī)電模型同時(shí)進(jìn)行協(xié)同配合設(shè)計(jì)，形成全專(zhuān)業(yè)模型。

（4）模擬施工及碰撞檢查

在綜合了土建、管線(xiàn)及設(shè)備的BIM模型基礎(chǔ)上，即可進(jìn)一步進(jìn)行管線(xiàn)的碰撞檢測(cè)。PKPM提供了較簡(jiǎn)單的碰撞檢測(cè)工具，可實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)按類(lèi)別區(qū)分的硬碰撞檢測(cè)，并給出檢測(cè)報(bào)告逐一列出各碰撞點(diǎn)的情況。對(duì)碰撞檢測(cè)結(jié)果報(bào)告進(jìn)行輸出，還可以對(duì)碰撞模型對(duì)照查看等。如圖4所示在預(yù)制構(gòu)件局部拼裝過(guò)程中，通過(guò)碰撞檢查發(fā)現(xiàn)，影響了安裝需要進(jìn)行調(diào)整，以確保施工過(guò)程中的安全性和后期使用的穩(wěn)定性。

（5）數(shù)字化運(yùn)維

BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)建筑工程項(xiàng)目的可視化管理，使建造過(guò)程中的信息更加全面和真實(shí)。BIM技術(shù)能有效解決建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段和竣工驗(yàn)收階段存在的問(wèn)題。在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，各個(gè)專(zhuān)業(yè)需要相互協(xié)調(diào)配合，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。如果各個(gè)專(zhuān)業(yè)之間不能有效協(xié)同工作，將會(huì)對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果造成不利影響。因此，BIM技術(shù)為各專(zhuān)業(yè)之間協(xié)同工作創(chuàng)造了良好的條件，提高了建筑工程項(xiàng)目的整體效率和質(zhì)量。

（6）數(shù)字化施工

由于施工單位對(duì)BIM技術(shù)了解不足，導(dǎo)致施工過(guò)程中存在許多問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，需要將BIM技術(shù)應(yīng)用到建筑工程的施工階段。在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，數(shù)字化施工是當(dāng)前需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，可以為施工建設(shè)人員提供更多便利。BIM技術(shù)可以幫助進(jìn)行數(shù)字化施工，對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行精確定位，并通過(guò)模擬控制安裝精度。相關(guān)人員需要不斷對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行分析和研究，使其能夠得到有效應(yīng)用，為建筑行業(yè)的發(fā)展提供助力。

三、結(jié)論

裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的BIM技術(shù)的應(yīng)用，為該領(lǐng)域帶來(lái)了前所未有的變革。BIM技術(shù)的應(yīng)用為裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來(lái)了直觀、便捷的交流溝通方式，提升了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的整體科學(xué)性、合理性和可行性。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的進(jìn)一步探索和應(yīng)用，可以提升平臺(tái)的協(xié)同功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)溝通和協(xié)作，提高工作效率和準(zhǔn)確性，還將與生產(chǎn)和施工管理系統(tǒng)建立接口，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的協(xié)同設(shè)計(jì)與施工。這將有助于提高裝配式建筑的質(zhì)量和效率，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)裝配式建筑行業(yè)的發(fā)展。在未來(lái)的發(fā)展中，BIM技術(shù)將在裝配式建筑領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，為行業(yè)帶來(lái)更多的創(chuàng)新和變革。