BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的研究與探索

摘 要：裝配式建筑是現(xiàn)代建筑行業(yè)新興的一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保型技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用為建筑行業(yè)朝著綠色化、工業(yè)化方向發(fā)展起到了很大的推動作用。將BIM技術(shù)與裝配式建筑相結(jié)合能夠有效提高建筑設(shè)計(jì)水平和建造質(zhì)量。為進(jìn)一步發(fā)揮BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價值，本文首先扼要概述了BIM技術(shù)的概念，隨后深入剖析了裝配式建筑的優(yōu)勢和發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，最后以工程項(xiàng)目為例細(xì)致探討了BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用措施。希望通過分析能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作者提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；裝配式建筑；設(shè)計(jì)措施文章編號：2095-4085（2025）02-0079-03

0 前言

裝配式建筑是一種由預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)場拼裝而成的新型建造模式。相對于傳統(tǒng)的建筑建造方式，該建造方法可以顯著縮短建設(shè)周期，減少建筑廢棄物的產(chǎn)生，從而提高建筑的施工效率，同時達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。目前，我國裝配式建筑設(shè)計(jì)中存在圖紙及信息共享平臺不夠完善等問題，以往利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)制作二維平面圖的顯示效果往往不夠理想，易造成理解上的錯誤，無法精確描述構(gòu)件和本體的關(guān)系，也不能準(zhǔn)確計(jì)算節(jié)點(diǎn)的位置和連接狀態(tài)。與之相比，BIM技術(shù)通過展示三維模型、結(jié)合構(gòu)件結(jié)構(gòu)、尺寸等參數(shù)實(shí)現(xiàn)施工仿真，能為裝配式建筑設(shè)計(jì)提供更加直觀、可靠的參考依據(jù)。

1 BIM技術(shù)的定義

建筑信息模型（BIM）為數(shù)字化的工具，該系統(tǒng)建立在全面的數(shù)字模型基礎(chǔ)上，涵蓋建筑物的幾何形狀、建筑細(xì)節(jié)和多種屬性信息，其核心思想是建立、管理和協(xié)調(diào)建設(shè)項(xiàng)目全過程的信息。工作人員利用該模型可以簡化設(shè)計(jì)流程，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)對整個工程全面、有效的控制。

（1）有助于設(shè)計(jì)者準(zhǔn)確建模，能夠有效控制施工成本，達(dá)到縮短工期、降低浪費(fèi)、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

（2）可以提供清晰的3D視覺效果，有助于各方加深對項(xiàng)目空間布局及細(xì)部構(gòu)造的理解。

（3）通過對工程各相關(guān)因素的綜合模擬可以實(shí)現(xiàn)對施工質(zhì)量、進(jìn)度的控制，提高工作效率。BIM模型是將材料、費(fèi)用、進(jìn)度、績效等多種信息有機(jī)地結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)對信息的統(tǒng)一管理。

（4）BIM技術(shù)可以在不同組織間進(jìn)行信息的交流，能夠提高項(xiàng)目的執(zhí)行效率。BIM模型可應(yīng)用于不同部門，實(shí)現(xiàn)實(shí)時協(xié)作與信息交換，進(jìn)而確保項(xiàng)目的一致性與準(zhǔn)確性［1］。

2 裝配式建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

（1）作為一種現(xiàn)代建筑形式，裝配式建筑有其獨(dú)特的優(yōu)越性。1）隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展以及社會環(huán)保意識的增強(qiáng)，綠色建筑得到了越來越多的關(guān)注。由于預(yù)制件可在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)制，因此可極大地縮短現(xiàn)場建設(shè)周期、減少現(xiàn)場濕作業(yè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制施工現(xiàn)場污染的效果。2）模塊化設(shè)計(jì)能夠顯著提升工程產(chǎn)品的運(yùn)輸效率，加速工程建設(shè)進(jìn)程，不僅有效降低了勞動力成本，還大幅縮短了項(xiàng)目交付周期，從而加快了投資回報(bào)速度。因此，越來越多的施工單位已將其應(yīng)用到建筑工程中。3）裝配式建筑的預(yù)制構(gòu)件在工廠生產(chǎn)中需要對其進(jìn)行更嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)控，可有效降低施工過程中可能產(chǎn)生的誤差和缺陷，從而達(dá)到更高的建造標(biāo)準(zhǔn)。同時，裝配式建筑設(shè)計(jì)方法對減少建筑廢棄物、資源浪費(fèi)、提高可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

（2）隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對建筑質(zhì)量的要求也越來越高，裝配式建筑已成為建筑業(yè)發(fā)展的一個重要方向，但其在發(fā)展的同時同樣也遇到了一些挑戰(zhàn)。1）目前由于缺少有效的檢測技術(shù)與方法，很多預(yù)制件存在較大偏差，影響了結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。為了保證裝配過程的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)者需要更加仔細(xì)地規(guī)劃、調(diào)整零件尺寸及連接方式。隨著建筑材料的多樣化，如何在保證建筑安全性的前提下，滿足不同使用者對建筑功能的需求，就成為一個亟待解決的問題。因此，為了保證工廠與工地之間的“無縫對接”，必須做好充分的前期準(zhǔn)備，做好詳細(xì)的設(shè)計(jì)工作［2］。2）鑒于建筑類型的多樣性、結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性以及材料種類的廣泛性，設(shè)計(jì)過程中必須全面考量各類環(huán)境因素對安全性的影響。為適應(yīng)裝配式建筑設(shè)計(jì)的獨(dú)特性，建筑業(yè)原有的建造技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)也需相應(yīng)調(diào)整。為了滿足這些要求，工程師們必須改善現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使其能夠?yàn)閷淼慕ㄖ锾峁└叩钠焚|(zhì)。

3 BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

某中學(xué)教學(xué)樓擴(kuò)建工程占地面積為6220.68m2，總高度19.5m。在該工程的地基處理中需要綜合考慮場地條件、地形地貌及地質(zhì)環(huán)境等多方面因素。本工程設(shè)計(jì)層數(shù)確定為4層，結(jié)構(gòu)形式為裝配式框架結(jié)構(gòu)，抗震等級為7級，防水等級為2，使用年限為50年，需要滿足一般建筑物的使用要求。

3.1 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑工程設(shè)計(jì)

3.1.1 總體模型建立

在方案設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者要與業(yè)主進(jìn)行深入交流，充分了解業(yè)主的設(shè)計(jì)要求，然后運(yùn)用BIM技術(shù)建立工程模型，從而幫助設(shè)計(jì)者和業(yè)主更好的了解工程設(shè)計(jì)理念。通過對施工階段的仿真將設(shè)計(jì)變更降至最小，達(dá)到節(jié)約成本、提高效率的目的，同時也為今后的詳細(xì)設(shè)計(jì)與調(diào)整提供依據(jù)。

3.1.2 預(yù)制構(gòu)件庫的建立

為提高裝配式建筑構(gòu)件設(shè)計(jì)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)信息集成，設(shè)計(jì)人員需要構(gòu)建裝配式建筑構(gòu)件庫。

（1）本項(xiàng)目將裝配式建筑按類型、材質(zhì)、尺度等不同維度劃分為若干類，從而便于裝配式建筑設(shè)計(jì)時的檢索與保存［3］。在實(shí)施一體化協(xié)同設(shè)計(jì)時，各專業(yè)之間要有適當(dāng)?shù)臋?quán)衡與取舍，設(shè)計(jì)師既要在功能、質(zhì)量、造價之間尋求平衡，又要兼顧各專業(yè)的需要，不能只滿足某一工種的需要而忽略其他工種。為此，本項(xiàng)目構(gòu)建了一種涵蓋多學(xué)科領(lǐng)域的一體化設(shè)計(jì)模式，將各專業(yè)在不同建設(shè)階段的信息進(jìn)行整合，從而達(dá)到集成設(shè)計(jì)的目的。鑒于建筑物本身的高度復(fù)雜性和功能多樣性，其施工過程涉及多個部門及人員的協(xié)作。因此，在整個工程項(xiàng)目推進(jìn)過程中，諸多不確定性因素相伴而生。設(shè)計(jì)師通過采用這種跨專業(yè)的融合設(shè)計(jì)方式，有效簡化了設(shè)計(jì)工作流程?，F(xiàn)有的建筑方案優(yōu)化研究多從單一學(xué)科或多學(xué)科角度出發(fā)，通過分析各學(xué)科之間的聯(lián)系和影響，確定最佳方案。設(shè)計(jì)師借助BIM技術(shù)進(jìn)行模擬仿真，能在設(shè)計(jì)初期階段預(yù)先模擬不同專業(yè)領(lǐng)域間可能存在的沖突，從而在施工啟動前精準(zhǔn)預(yù)判并作出相應(yīng)調(diào)整，有效規(guī)避施工過程中的潛在沖突，以及設(shè)計(jì)變更、返工等導(dǎo)致的資源浪費(fèi)問題，進(jìn)而顯著提升設(shè)計(jì)效率。

（2）綜合評價各建設(shè)項(xiàng)目中涉及到的專業(yè)，按各專業(yè)特點(diǎn)劃分前期預(yù)備的建設(shè)資源，根據(jù)預(yù)制構(gòu)件資源類型的不同建立多種參數(shù)化模型，并對其進(jìn)行分析。該模型具有可調(diào)、可修改的特點(diǎn)，能夠?qū)Ω髂K進(jìn)行分類，并將其保存到對應(yīng)組件類型的文件夾中，便于后續(xù)查找與使用。

（3）構(gòu)建預(yù)制構(gòu)件資源庫時應(yīng)具有如下特點(diǎn)：具有可擴(kuò)充性，為今后裝配式建筑工程中新型預(yù)制構(gòu)件的開發(fā)提供充分的空間。能在不增加其他費(fèi)用的情況下，實(shí)現(xiàn)多種新型預(yù)制構(gòu)件信息記錄，以方便后期管理與查詢；具有可修改性，BIM模型中所建立的部分可以被進(jìn)一步修改，包括調(diào)整參數(shù)和部分模型。

3.1.3 BIM集成化協(xié)同設(shè)計(jì)

裝配式建筑工程涉及多個專業(yè)領(lǐng)域，BIM建模技術(shù)允許設(shè)計(jì)師構(gòu)建參數(shù)化模型，通過網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的支持，不同專業(yè)的建模數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)共享，這樣就促進(jìn)了跨專業(yè)的設(shè)計(jì)協(xié)同。在設(shè)計(jì)階段，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式存在各個學(xué)科之間相互獨(dú)立、不能有效協(xié)同等問題，通過應(yīng)用建筑信息模型（BIM）技術(shù)創(chuàng)建可視化模型，設(shè)計(jì)師能夠借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)促進(jìn)不同專業(yè)領(lǐng)域間的信息交流。這種方法有助于滿足各專業(yè)領(lǐng)域的集成需求，并促進(jìn)團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作［4］。

例如，在進(jìn)行集成式衛(wèi)浴和廚房設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)者融合建筑學(xué)、給排水系統(tǒng)、機(jī)電工程等多個專業(yè)領(lǐng)域的知識，可以實(shí)現(xiàn)一個連貫的整體布局，合理規(guī)劃結(jié)構(gòu)建設(shè)、防水防潮、裝修以及給排水等各個專業(yè)環(huán)節(jié)，同時能夠及時識別并處理不同領(lǐng)域間可能出現(xiàn)的分歧和沖突，以便在設(shè)計(jì)階段就能對這些問題進(jìn)行有效解決，進(jìn)而保證后續(xù)建設(shè)的順利開展。

3.1.4 深化設(shè)計(jì)階段

各預(yù)制件制造商、施工企業(yè)及設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需強(qiáng)化彼此間的交流協(xié)作，共享基于BIM技術(shù)構(gòu)建的設(shè)計(jì)模式，并從各自專業(yè)領(lǐng)域出發(fā)提出設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)者需全面考量各方需求，適時優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，促進(jìn)多方協(xié)同合作，以達(dá)成科學(xué)的設(shè)計(jì)成果。

3.2 模擬施工及碰撞檢查

BIM模型中，技術(shù)人員可以將土建-管線-設(shè)備集成在一起，通過模型進(jìn)行管線碰撞檢測?？舍槍Σ煌瑘鼍胺謩e設(shè)計(jì)基于規(guī)則和幾何特征等形式的軟碰撞檢測方法。PKPM是一種比較簡潔的碰撞檢測工具，該軟件可以對模型內(nèi)部進(jìn)行硬碰撞分類檢測，并給出每個碰撞點(diǎn)的詳細(xì)檢測報(bào)告。在此基礎(chǔ)上，軟件能夠?qū)θS場景中可能出現(xiàn)的各種沖突進(jìn)行逐一展示，并記錄每個碰撞點(diǎn)的位置及相關(guān)參數(shù)。該系統(tǒng)能夠輸出碰撞檢測結(jié)果報(bào)告，同時為設(shè)計(jì)人員提供與碰撞模型對比、檢查的機(jī)會。

3.3 數(shù)字化運(yùn)維

BIM技術(shù)能夠?yàn)榻ㄔO(shè)工程提供可視化管理手段，保證施工全過程信息的真實(shí)性和完整性。工作人員將該方法應(yīng)用于建筑工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工階段可大大降低人力成本，提高工作效率。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，跨專業(yè)的緊密合作對于達(dá)成優(yōu)異的設(shè)計(jì)成果至關(guān)重要。若各專業(yè)團(tuán)隊(duì)之間未能實(shí)現(xiàn)高效溝通與協(xié)同，可能會對裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的品質(zhì)造成較大的負(fù)面影響。當(dāng)前，我國裝配式建筑設(shè)計(jì)及建造水平尚處于起步階段，還未形成完善的設(shè)計(jì)系統(tǒng)與管理系統(tǒng)，致使設(shè)計(jì)人員很難將已有的專業(yè)知識應(yīng)用到實(shí)際工程中，從而影響了工作效率。因此，BIM技術(shù)的應(yīng)用為不同專業(yè)領(lǐng)域的協(xié)同工作提供了卓越的平臺，從而顯著提升了建筑工程的總體效率和品質(zhì)［5］。

3.4 數(shù)字化施工

當(dāng)前很多建筑企業(yè)缺乏BIM技術(shù)知識，導(dǎo)致存在設(shè)計(jì)圖不符合實(shí)際、施工現(xiàn)場管理不規(guī)范等問題。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，工作人員需要將BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑項(xiàng)目施工全過程。裝配式建筑設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)是數(shù)字施工技術(shù)的重要支撐，該技術(shù)可以精確定位建筑物構(gòu)件，并利用仿真技術(shù)控制其安裝精度。為保證BIM技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，支撐建筑行業(yè)的發(fā)展，工作人員和研究人員還需不斷深入地分析和研究。

4 BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的發(fā)展趨勢

4.1 標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化

如同建筑需要穩(wěn)定的地基，BIM技術(shù)的發(fā)展也需建立在標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化之上。當(dāng)前，我國正在積極推動BIM技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，旨在規(guī)范BIM技術(shù)在裝配式建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，提高工作效率和質(zhì)量。在此背景下，各種BIM標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范相繼出臺，為行業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。

4.2 智能化與信息化

（1）人工智能與大數(shù)據(jù)的融合。在BIM技術(shù)的發(fā)展過程中，人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合無疑是一大亮點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)自動化設(shè)計(jì)、智能分析和優(yōu)化。同時，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用可以對海量的建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，為設(shè)計(jì)提供有力支持，使得設(shè)計(jì)更加科學(xué)、合理。

（2）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使得建筑成為一個巨大的智能系統(tǒng)。通過將各種傳感器和設(shè)備與BIM模型相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對建筑各個方面的實(shí)時監(jiān)控和控制，提高建筑的安全性、舒適性和節(jié)能性［6］。

4.3 一體化與合作共贏

（1）跨界融合。在裝配式建筑領(lǐng)域，BIM技術(shù)的發(fā)展趨勢之一是跨界融合。通過將BIM技術(shù)與綠色建筑、智慧城市等領(lǐng)域相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域的互動和協(xié)作，推動建筑行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。

（2）產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同。BIM技術(shù)的發(fā)展推動了產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同。在這個過程中，設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等各個環(huán)節(jié)的企業(yè)需要加強(qiáng)合作，共同推動BIM技術(shù)在裝配式建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。這種協(xié)同不僅可以提高工作效率，還能促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化和升級。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)的應(yīng)用，為裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了巨大的變革。該技術(shù)是以三維模型為主要信息載體，運(yùn)用信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合管理的數(shù)字化手段。運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行裝配式建筑設(shè)計(jì)，可顯著提升設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、邏輯嚴(yán)密性及可操作性。隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷深入和廣泛應(yīng)用，裝配式建筑和BIM技術(shù)的融合應(yīng)用將提升平臺協(xié)同能力，提升工作效率與精度。

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基金項(xiàng)目：青島黃海學(xué)院校級科研課題項(xiàng)目編號2021KJ02