BIM在裝配式混凝土建筑設計和施工過程的應用

朱水勇，周桂香，蔣鳳昌，3*

（1.江蘇永泰建造工程有限公司，江蘇泰州225300；2.泰州職業技術學院，江蘇泰州225300；3.同濟大學復雜工程管理研究院，上海200129）

0 引言

隨著我國城鎮化建設的高速發展，建筑業的傳統生產方式、生產工藝、生產技術已不能滿足城市發展的需求。預制裝配式混凝土建筑技術、BIM 技術等現代建筑業技術獲得發展和應用，實現綠色、低碳、環保和可持續發展理念，成為促進建筑業轉型升級的必由之路。國家、省市相關部門相繼出臺一系列政策，推進預制裝配式混凝土建筑技術的研究與工程實踐，推進BIM技術在工程建設全過程的應用。相應地，如何將BIM 技術應用于預制混凝土式混凝土建筑中，已成為一個熱點研究課題。通過這兩項技術的有機融合，可以進一步產生良好的經濟效益和社會效益。

1 BIM技術在設計過程中的應用

1.1 基于BIM的結構設計

PC 建筑結構的設計是系統工程，必須從結構設計的最初規劃開始，落實執行PC 結構設計，并且貫穿設計全過程，而不能“中途”插入深化設計，實現PC 結構設計?；贐IM 的PC 結構設計包括結構體系選擇、PC 實施部位選擇、結構受力分析、構造設計等內容［1］。

（1）結構體系選擇。這屬于結構設計的首要任務，應根據建筑功能需求、項目的特點、政府的建設約束條件、國家規范的相關條文要求、預制裝配式建筑的標準要求、行業和地方標準要求，選擇適宜的結構體系?？苫贐IM構建初步的方案模型，進行多方案比選，可采用框架結構、框架-剪力墻結構、筒體結構或剪力墻結構。結合建筑造型等特征，依據選擇的結構體系，可進一步確定建筑物的最大高度和最大高寬比等設計參數。此時，結構設計的BIM 方案模型，基精度可以是LOD100～LOD150。

（2）PC 實施部位選擇。依據建筑功能分區的特點，結合政府對裝配率、預制率的剛性要求，同時考慮建筑物全生命周期功能彈性改造的可能性，初步選擇PC實施部位?？梢栽贐IM模型上將相關裝配式范圍的構件賦予預制屬性，快速統計分析是否符合預制率和裝配率。

（3）結構受力分析。基于PKPM，YJK，PCMAKER等軟件的三維模型受力分析，實現PC 結構的荷載作用與結構計算。注意分析過程所涉及的規范和標準不同于現澆混凝土結構的有關規定，其中尤其要注意的是抗震設計的相關規定、附加承載力計算和相關系數的調整。這些前處理條件應采用裝配式混凝土結構的標準規定，輸入三維分析軟件的程序中，最終通過BIM結構分析，體現到PC結構設計的成果中。

（4）構造設計。基于BIM模型進行精細化的構造設計，可利用BIM 族庫減少設計工作量，在常用的族庫構件基礎上進行修改完善即可。

1.2 基于BIM的拆分設計

在基于BIM 進行PC 結構設計的過程中，拆分設計是非常關鍵的環節。拆分過程需要考慮的主要因素包括：建筑物功能類型、結構受力合理性、加工制作的可操作性、運輸安裝環節的設備有效性、項目實施的可行性和經濟性。

（1）拆分原則。涉及建筑外立面的構件拆分，應該以建筑功能和建筑藝術性為主，通過BIM 模型的可視化漫游分析，確保拆分不影響建筑立面效果；不涉及建筑外立面的構件拆分，主要考慮結構受力合理性、加工制作的便捷性、運輸安裝的可行性及經濟性。

（2）拆分設計流程。依據規范和標準確定預制裝配構件數量和范圍→確定預制部分與現澆部分的分界面位置→對初步確定的斷開方案進行可行性、合理性和經濟性分析→預制構件的構造節點設計→預制構件的節點合理性分析→PC 構件的加工圖、裝配圖和連接節點圖設計→與建筑、機電管線設備、裝飾各專業對接需求。

（3）拆分設計考慮關鍵因素。基于BIM的模擬拆分設計分析，墻、梁、板、柱的拆分縫位置應充分考慮結構受力的合理性，優先選擇應力較小的部位，優先考慮水平方向構件（梁、板）的預制裝配，混凝土豎向構件（墻、柱）盡量不考慮預制裝配；應充分考慮相鄰預制構件的協調關系；考慮加工方便和節省成本，拆分的構件盡可能統一和減少預制構件的規格型號。

1.3 基于BIM的協同設計

由于PC結構在施工現場靈活機動處理各專業問題的可能性較小，所有問題必須在設計階段充分考慮。而BIM 技術平臺因其具有信息集成共享、可視化、參數化、可模擬性等特點，為協同設計提供了良好的條件。基于BIM 在PC 結構的協同設計，可達到以下價值和效果。

（1）工程信息的集成共享。基于BIM 平臺進行PC結構設計時，要求不同單位、不同專業的設計人員在同一BIM 平臺上進行設計數據的鏈接、交換與共享，從而保證各專業的設計人員、構件生產商、項目管理人員和施工操作人員都能實時獲得最新協同設計成果，顯著提高信息溝通效率。

（2）各專業間設計協調。建筑專業、結構專業、機電管線與設備專業、裝飾裝修等專業的BIM 模型，通過模型整合，可以在同一個BIM 平臺上展示共享。通過三維展示，提前進行碰撞與沖突分析，通過Navisworks 等BIM 軟件自動檢測出“錯、漏、碰、缺”的設計問題，促進設計人員及時糾正這些問題，保證設計階段的問題不帶到PC 構件加工和安裝環節，從而保證PC結構的設計質量。

（3）設計-生產-施工協調?；贐IM的綜合管控平臺，可以實現設計、生產和施工協調共享。BIM 設計成果可以傳遞到生產和施工環節，同時，生產廠商和施工單位也可以在平臺上反饋加工和施工信息，用以修正完善設計成果，及時溝通協調。由于BIM平臺有自動出圖功能，可以將實時修改的BIM模型成果進行加工圖出圖，時刻保持圖紙與BIM模型的一致性。

2 BIM技術在施工過程的應用

2.1 基于BIM的構件制作

基于BIM綜合管控平臺進行構件制作，主要是通過BIM 模型傳遞精準的構件信息至加工廠，然后生成加工圖紙和加工信息至加工流水線，加工廠對各種類型的構件進行分類加工。PC 構件的加工作業形式包括全自動生產制作、固定模臺制作、流動模臺制作等［2］。

（1）全自動生產制作作業?？梢詫崿FBIM模型直接形成生產線設備能識別的圖紙格式，生成加工指令，效率高且質量優，但是在全自動化生產線上能夠加工的構件種類比較少，對不出筋的疊合板、雙面疊合剪力墻及裝飾不復雜的板式構件，可以順暢地實現均衡作業；對于局部需要加強鋼筋的板式構件，則需要人工輔助敷設。

（2）固定模臺制作作業。基于拆分設計后的構件BIM生成加工圖紙，用于固定模臺制作作業。其特點是模臺和模具固定不動，操作工人和加工材料（鋼筋、混凝土、預埋管件等）在各模臺之間“流動”，可以實現50多種標準化和非標準化的預制構件加工。

（3）流動模臺制作作業。操作人員和鋼筋混凝土等材料供給位置固定，模臺和模具“流動”，從而實現預制PC 構件的集中養護，對混凝土振搗、模臺清理、脫模劑噴涂等作業內容可以實現自動化作業?？梢詫崿F10 多種構件的作業，主要包括非預應力的疊合板、內隔墻板、剪力墻板、標準化的裝飾保溫一體化混凝土預制板等構件。該種作業對生產節奏要求高，必須詳細安排生產節奏和工序完成時間，各加工工序的銜接非常緊密，若某個環節卡殼，則影響整個流動生產。可以基于BIM“虛擬加工”的工藝分析，提前做好預案，保證生產暢通。

2.2 基于BIM的現場安裝

應用BIM 技術支撐PC 結構的現場安裝，可以產生顯著的效果。主要體現在三維場布分析、管線碰撞分析、三維技術交底、BIM-4D 模擬進度分析［3］、BIM安全吊裝管理［4］等方面。

（1）三維場布分析。通過構建施工現場的BIM三維模型，進行優化分析，規劃PC 構件的運輸、臨時堆放、吊裝等精確位置?？紤]避免或減少二次搬運現象，同時考慮起重機回轉半徑范圍及地下室頂板上操作吊裝PC構件的可能性等細節問題。通過三維場布漫游，提前發現影響PC 構件安裝的潛在因素，為PC構件吊裝施工提供有利條件。

（2）管線碰撞分析。在施工準備階段，施工單位應基于BIM 綜合管控平臺，實現機電管線與PC 結構的碰撞分析。提前發現影響建筑凈空高度、管線“錯、漏、碰、缺”等現象?；贐IM 進行管線綜合，并將相關信息反饋到PC加工圖中，從而提高PC結構設計質量，減少施工過程中的錯誤和返工。

（3）三維技術交底。由于PC 結構的吊裝施工要求精細化程度比混凝土現澆要求高得多，因此，對操作人員的技術交底非常重要?；贐IM 技術的三維技術交底，可以形象地展示吊裝PC的工藝流程，并且對連接節點等復雜關鍵部位的操作工藝可以作詳細講述，便于操作人員理解和掌握操作要點，可以使一線人員快速掌握PC 結構的設計技術要點，達到良好的技術交底效果。

（4）BIM-4D 模擬進度分析。應用Naviswork，Fuzor，Synchro等軟件，可以實現“幾何空間三維+時間維”的BIM-4D“虛擬建造”模擬，對施工進度進行管理。并通過BIM 綜合管控平臺，集成共享進度信息，控制PC 構件的加工制作、運輸、現場吊裝的工序節奏，確保施工進度有效控制。

（5）BIM安全吊裝管理。基于BIM“虛擬建造”提前發現施工現場的重大危險源，并采取措施優化安裝設施布置；基于BIM+VR 安全技術交底，進行安全教育，達到良好的效果；基于BIM 綜合管控平臺與現場信息鏈接，實時進行安全管理。

3 結語

BIM 技術融合到PC 結構的設計與施工過程，可以系統地提高優化設計方案、提高設計質量、提高施工質量、保證施工進度和安全管理，實現綠色施工，為智慧建造奠定良好的基礎。