基于BIM技術的裝配式混凝土結構設計施工流程及應用研究

涂勁松，劉運林，謝軒，卞祝，周明

(1.皖西學院建筑與土木工程學院，安徽 六安 237012；2.安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022)

0 引言

在當前互聯網、大數據和人工智能技術發展的背景下，智能建造成為發展的必然趨勢[1]，尤其裝配式建筑依托BIM信息技術，改變了傳統建筑的生產方式，打破了傳統建筑產業的上下游體系，加速了工程設計施工和運維一體化管理。如圖1所示現代建筑生產是以信息模型為中心，多專業協作，以信息化帶動建筑工業化，以工業化促進信息化發展。

圖1 以BIM信息模型為中心的全過程管理

為促進BIM技術落地生根，住建部自2011年開始陸續出臺了《2011-2015年建筑業信息化發展綱要》、《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》和《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》三部文件，明確要求建筑行業企業“積極探索‘互聯網+'，促進建筑行業的轉型升級，深入研究BIM、物聯網等技術的創新應用，創新商業模式，重要提出了大數據、云計算、物聯網、3D打印和智能化五項專項信息技術應用點[2]。

同時為有效推動BIM技術和裝配式建筑產業的融合發展，加快裝配式建筑產業推廣，緩解我國在經濟發展高速過程中的資源消耗過快、能耗過高的情況，國務院辦公廳及相關部委在2013年以1號文的形式發布了《綠色建筑行動方案》(國辦發〔2013〕1號)，其中“推動建筑工業化”被列為十大重要任務之一[3]。與此同時各地積極行動[4-6]，如上海2016年發布了《上海市裝配式建筑2016-2020年發展規劃》明確要求將BIM技術融入裝配式建筑項目建設全過程，加快配套軟件研發，實現產業鏈各環節數據共享。同時要求所有新建住宅供地面積不少于50%建筑采用裝配式。

因此無論從政策制定到產業集成，還是具體到設計、施工關鍵技術等環節，BIM+裝配式建筑成為了政府和行業研究熱點。“數字建造”時代已來臨，研究基于BIM+裝配式結構中的工藝流程對裝配式結構的設計生產和施工具有較好的指導意義。

1 BIM技術在裝配式剪力墻結構體系中的應用分析

BIM模型是一個動態的三維數據模型，具有可視化、模擬性、協調性、優化性、可出圖性、一體化、參數化和信息完備性等特點[7]。因此把BIM技術作為輔助手段可以解決裝配式建筑生產建造過程的關鍵技術問題:

(1)在裝配式建筑規劃階段，運用BIM技術與GIS相結合，把模型導入地圖進行場地規劃和建模，以幫助決策者實現合理的建筑規劃。

(2)在裝配式建筑設計階段，運用BIM技術建立構件標準族庫，與構件生產廠商對接，可實現人工智能拼裝設計、智能生產和建造，后期僅對建筑的外立面進行人工處理即可，以此能加快住宅建筑實現標準化、工業化和產業化，改變傳統建造方式，實現節能環保和經濟效益。

(3)在裝配式建筑生產建造階段，運用BIM技術可以實現設計方將所有的設計數據以及參數通過條形碼的形式直接轉化為裝配式結構加工參數，實現設計信息和生產系統的直接對接，避免生產錯誤、提高預制構件生產的自動化程度和生產效率。在生產的過程中，也可以實時的將生產信息傳達給施工單位，便于施工方的進度安排。

(4)在工程造價方面，利用BIM技術進行精準建模在造價預算方面可以實現準確校核、查驗、快速提取工程量，減少工程造價人員的計算強度，提高工程造價精度和效率。

(5)在運維階段，BIM技術與裝配式建筑的結合可以在工程的全生命周期中進行跟蹤維護，與模型對接后可以實現自動監測，可以防止重大安全隱患的發生，以實現BIM技術在工程全壽命周期階段的管理應用。

裝配式建筑融合BIM技術改變了傳統設計施工的方式，基于BIM模型的中心作用，必須對基于BIM技術裝配式施工流程再造，并且大力推廣工程總承包方式提高各作業單位的協同效率。

2 基于BIM技術的PC結構工藝流程再造和關鍵技術流程

裝配式建筑對設計、生產和施工的協同作業要求比較高，如果按照單一線性生產方式，會產生很多不可逆的工程質量問題，因此建立動態BIM產品模型并以模型為中心，所有生產單位圍繞BIM產品進行工作配合，在設計進展過程中，共享模型，逐步深化。圖2是在裝配式建筑的五個主要階段中融入BIM技術的工藝再造，通過融入BIM技術減少各專業差錯，提高設計施工準確度，同時要求在方案設計階段時設計者和構件生產者就要協同配合，用逆向思維在考慮精細化、模數化以及工程造價成本多種因素下進行設計，從而打破傳統工程方案技術策劃→初步設計→建筑施工圖設計→結構施工圖設計→水電施工圖設計→深化施工圖等線性設計形式[8-9]，實現了設計施工一體化的有效銜接。

圖2 基于BIM技術的裝配式建筑結構的全壽命周期工作流程

3 BIM技術在裝配式混凝土結構設計中應用案例

裝配式建筑結構對施工工藝要求比較高，對信息技術尤其BIM技術的依賴比傳統的現澆鋼筋混凝土建筑要高，沒有信息化的精準設計，在生產和施工階段的建造就很難實現。為說明BIM技術在裝配式混凝土結構設計、生產和施工中的應用，本文選取浙江湖州市某裝配式工程項目為例進行解析，該項目凈用地面積為46 488.00 m2；容積率要求1.6～1.8；建筑密度不大于30%；綠地率不小于30%；建筑高度18-60 m(居住建筑)；要求實施裝配式建筑面積去除比例達到50%(即43 431.0 m2)。

3.1 標準單元組合戶型設計

為較好的實施本案例裝配式建筑，采用如圖2所述的反饋設計，考慮生產和施工成本因素和制造產品因素，建立標準單元進行戶型組合實施標準化設計，戶型統計如表1，設計建筑分布如圖3，按照裝配建筑面積比達到50%的要求，選擇高層建筑進行裝配式設計施工比較經濟。

表1 標準化設計戶型統計表

3.2 基于BIM的標準化立面設計

為充分考慮生產施工因素，在立面上盡可能簡潔、美觀，同時有利于構件的標準化，通過BIM三維技術，對YJ115-9(18F/17F)戶型單元進行了拆分，使陽臺、外墻板、窗戶和空調板等構件標準化，戶型單元拆解和戶型立面如圖4所示，經過拆分后的18層高層建筑的外墻、疊合板等預制率達到了35%，滿足了大于30%的裝配率要求。

經過拆分后形成的構件總數4708件，預制構件總重量為54.78 t，預制構件總體積為21.91 m3，其中預制凸窗6種型號，預制外墻板4種型號，預制陽臺2種規格，預制疊合板2種規格，標準化構件拆分BIM示意圖如表2所示(表2同類型的構件只列出部分構件)，較好的實現了建筑造型和標準設計的關系。

圖3 小區規劃鳥瞰圖

圖4 基于BIM技術的裝配式構件拆分效果圖和立面圖

3.3 基于BIM技術的構件深化設計

裝配式構件的生產質量標準比傳統現澆結構要求高，特別是豎向構件的鋼筋連接工藝，如果位置不準確則可能在現場無法安裝，造成工期延誤和成本浪費，為更好的實現構件在工廠的生產，對表2的16種規格構件實施BIM標準深化施工圖，圖5是經過BIM標準化后的外墻構造和樓梯構造圖，把鋼筋導入自動加工系統實現鋼筋自動加工、綁扎，支模、澆筑直至構件成型。

3.4 裝配式建筑的生產安裝工藝流程

因裝配式結構安裝的精度要求較高，因此裝配式構件部品出廠后，應加強構件的運輸管理，減少構件的損壞和彎曲，為便于運輸和構件的吊裝管理，本案例對安裝過程進行了細化流程如圖6所示，同時制定關鍵環節質量驗收標準，以滿足裝配式結構的設計和施工規范要求。

表2 項目標準化構件設計數量統計表

通過BIM技術的輔助，較好的達到了信息化、標準化和工業化的要求，該小區的設計、生產和施工得以順利完成，滿足了業主的裝配式面積和裝配率的要求，實現了較好的工期效益和經濟效益。

圖5 基于BIM技術構件詳圖

圖6 PC結構現場施工關鍵技術流程

4 結語

裝配式建筑是我國實現建筑信息化、工業化的主要路徑，而BIM技術能夠很好的實現裝配式建筑的應用價值。本文通過基于BIM技術的流程分析和應用案例主要有以下兩點結論:

(1)應用BIM技術能夠提高全過程壽命周期的協同，在設計階段能夠提升標準化設計水平，提升設計效率，并大幅度減少裝配式建筑的設計誤差，實現精準設計。在生產階段能夠實現工業化，通過BIM的精準構件設計，能夠加快構件的流水線生產并能重新整合上下游產業鏈條。在施工階段能夠較少手工作業、降低勞動強度，提升現場的安全文明施工水平，把臟亂差的工地變成工業化的流水生產。因此實施大規模裝配式結構建筑具有長遠的戰略意義。

(2)因裝配式建筑必須考慮全壽命周期生產過程，對構件的生產和工藝要求高、需要的協調工作量較大，因此在裝配式工程項目實施中，建議采用設計總承包或施工總承包模式，在技術類別上可按照技術復雜類工程項目招投標。