基于建筑信息模型的裝配式構件深化設計流程

鄧朗妮, 周 崢, 葉 軒, 廖 羚, 雷麗貞

(廣西科技大學 土木建筑工程學院, 廣西 柳州 545006)

0 引 言

建筑信息模型(building information model, BIM)是逐漸興起的新興建筑信息化思想。這一思想起源于20世紀70年代, 美國國家BIM標準(national building information modeling standard, NBIMS)認為: “BIM是一個分享有關建筑項目的信息, 為該項目從設計到拆除的全壽命周期中的所有決策提供可靠依據的過程; 在項目不同階段, 不同利益相關方通過在BIM中插入、 提取、 更新和修改信息, 以支持和反映各自職責的協同工作”[1]。隨著建筑產業現代化進程的加快, BIM已成為當前國內外科研人員及建筑業界人士關注的焦點[2]。BIM技術在建設工程中具有三維可視化、 信息化管理和各階段協同工作等優勢, 近年來在鋼筋混凝土和鋼結構中得到了一定程度的應用[3], BIM技術可以針對建造的具體工序、 流程進行優化設計, 并通過其可視化的特點, 直觀地展示優化結果、 指導施工[4-5]。BIM技術和現代裝配式建筑結合, 是裝配式建筑行業的一次創新, 不僅能滿足建筑精細化要求, 還可以完成建筑全生命周期管理。因此， BIM技術在裝配式建筑中予以深入應用與推廣成為裝配式建筑信息化建設的根本出路[6]。

裝配式建筑體系采用統一裝配的建造方式, 這種工業化的建造體系為信息化管理提供了良好的基礎, 也提高了BIM管理推廣和應用的可行性[7]。推廣BIM技術在裝配式建筑中的應用是滿足國家對智慧建造的要求。 智慧建造就是應用BIM技術, 全面推進裝配式建筑的綠色化發展, 提升建設項目全生命周期的科學管理水平[8]。 裝配式建筑發展的優勢是施工工期短、 生產效率高、 資源利用率高、 保護環境、 符合社會可持續發展理念， 其施工特點是構件多、 工序復雜、 信息管理難度大且呈動態變化[9]。目前裝配式建筑對于構件精度要求和施工管理的可視化要求都很高, 而結合實際工程的特殊性對BIM技術在裝配式建筑全生命周期中的使用方法所開展的研究較少, 且尚未有相關的方法學理論被提出[10]。 裝配式建筑構件深化設計階段是提高構件精度和構件管理數字化水平的重要階段, 因此有必要根據裝配式建筑建造特點和建筑規范, 對裝配式構件深化設計流程和方法進行研究。本文將聚焦裝配式建筑生命周期中的建造過程, 結合我國裝配式建筑規范, 總結出一套完整的裝配式構件深化設計流程。

1 裝配式建筑深化設計研究概況和趨勢

知識圖譜是一種結構化的數據網絡, 通過描述圖譜網絡中不同概念之間的相互關系來確定研究領域內的研究方向分布。知識圖譜具有清晰的上下級區分, 其節點代表實體或概念, 邊代表實體/概念之間的各類關系[10]。本節基于文獻計量軟件CiteSpace, 對2010—2019年CNKI期刊中BIM領域的相關研究進行整理分析, 以期為BIM 領域的理論研究與實踐應用提供指導及借鑒[11], 數據來源及具體檢索信息見表1。

表1 CiteSpace數據檢索信息

1.1 裝配式建筑深化設計研究熱點分析

文獻的關鍵詞能夠高度反映文章的主題概念和思想, 因此, 可根據頻率較高的關鍵詞確定某學科領域的研究熱點[12]。通過CiteSpace軟件根據關鍵詞繪制裝配式建筑深化設計研究熱點知識圖譜, 如圖1所示。

圖1 裝配式建筑深化設計研究熱點知識圖譜

通過對裝配式建筑深化設計關鍵詞知識圖譜分析可以看出: 一些突出的高頻關鍵詞所代表的研究領域為研究熱點, 除“建筑信息模型”、 “深化設計”、 “裝配式建筑”、 “預制構件”等關鍵詞相對突出之外, 其他的關鍵詞研究相對分散。各關鍵詞的節點大小相差較大, 說明裝配式建筑深化設計領域的研究熱點之間存在一定差異, 研究的熱點也相對集中在突出關鍵詞。對于裝配式建筑深化設計領域主要研究熱點集中在: 1)裝配式建筑的深化設計大部分都是依托于BIM技術, BIM的信息化優勢在裝配式建筑整個生命周期內發揮作用, 包括建筑性能分析、 質量檢測、 碰撞檢查等階段， BIM技術在裝配式建筑深化設計中的應用是學者們研究的一個熱點。2)裝配式建筑的深化設計以混凝土結構為主要設計結構, 一般對預制構件的設計研究較多, 因預制裝配式建筑是中國建筑工業化的重要組成部分, 它在滿足了綠色建筑的設計理念的同時， 相較于傳統的現澆混凝土建筑提高了設計效率， 因此， 對裝配式預制構件的研究也成為研究熱點, 未來還可以向鋼結構、 木結構建筑發展。

1.2 裝配式建筑深化設計研究演化趨勢探析

根據檢索文獻數據, 繪制國內裝配式建筑深化設計領域的突現詞時序圖, 如圖2所示。總體來看, 裝配式建筑深化設計領域的發展不斷從理論研究過渡到實踐應用, 整個研究發展可以分為3個階段。

圖2 裝配式建筑深化設計領域突現詞時序圖

2010—2013年, 處于初級研究階段, 2011年, 住建部印發有關建筑業信息化發展的文件, 建筑信息化這一設計理念越來越被建筑行業所重視。而對于信息化程度要求較高的裝配式建筑也迎來了基礎發展。此階段“預制構件、 “建筑信息模型”、“預制裝配式構件”、 “深化設計”等成為研究重點。基于建筑信息模型的裝配式深化設計以預制裝配式構件為主要研究重點, 注重構件的設計合理化和效率化。

2014—2017年, 處于探索應用階段。我國建筑產業現代化的進程在這期間飛速推進, 裝配式混凝土建筑越來越成為裝配式建筑的主流。 對于裝配式混凝土建筑的深化設計又區分為工業建筑和住宅建筑兩個研究主題方向， 雖然研究重點多在設計階段， 但對于施工階段的研究也開始成為一個新的熱點。

2018—2019年， 政府對裝配式建筑支持力度加大、 市場的需求增加, 裝配式建筑研究已經到了深化設計細化階段。隨著工程的深入, 裝配式建筑深化設計的應用范圍也在向鋼結構建筑和高層建筑轉變, 同時把裝配式施工的研究納入整個裝配式建筑全生命周期當中。

2 基于BIM技術的裝配式構件深化設計流程

現階段裝配式建筑多以混凝土結構為主， 而裝配式混凝土結構的整體設計思路是“等同現澆”[13], 該設計思路采用傳統現澆混凝土設計方式對建筑整體進行設計， 但是這只完成了一半的設計, 對于上一階段的整體建筑構件進行合理的“拆分”再“組裝”才是整個設計步驟的完成。裝配式構件設計完成后需要在考慮規范性和經濟性的基礎上對其進一步深化設計, 讓裝配式構件在組裝后與拆分設計前的現澆結構方案實現“等同”, 以提升裝配式建筑結構的安全性和整體性。裝配式項目的構件深化設計根據實際工程的規模劃分拆分區域, 對于拆分的構件與現澆整體之間的連接節點、 構件結合面進行設計以加強結構整體性和構件實用性, 根據《裝配式混凝土結構技術規程》(JGJ 1—2014)對連接節點荷載驗算, 按照構造要求處理構件結合面。在完成這一系列的設計方案后制訂合理的生產計劃, 根據構件的物料表準備相應的生產材料。

2.1 基于BIM的裝配式構件深化設計

裝配式建筑項目需要對構件進行精細拆分深化設計以保證能夠達到設計要求。引入BIM技術協同裝配式建筑構件深化設計, 是借助BIM信息化、 可視化的優點來滿足深化設計需求。利用BIM技術， 一方面可以優化整條深化設計產業鏈， 從設計、 生產、 施工、 運維各流程出發將傳統復雜的深化設計流程一體化, 在流程上做“減法”; 另一方面是將建筑部品部件信息化、 數據化, 將各流程有關建筑、 結構、 機電、 裝修的信息集成到BIM平臺這一載體上, 使建筑信息透明化、 立體化、 多維化, 在信息維度上做“加法”[14]。基于BIM的裝配式構件深化設計流程通過運用BIM技術, 分析深化設計構件的參數數據, 根據《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)和《裝配式混凝土結構技術規程》等一系列行標規范的指導確定整體設計方案, 具體見圖3。

傳統的二維深化設計流程, 從建筑設計方案的擬定到圖紙的審查和會審, 需要消耗大量人工資源, 并且只能通過圖紙傳遞信息, 信息不流通、 不共享、 不協同。此外, 設計過程和分析優化過程是在不同的軟件中獨立進行的, 軟件間的信息傳遞容易丟失大量重要數據、 降低參數化設計的效率。 本文提出的基于BIM的深化設計流程是以BIM模型為基礎、 Revit插件平臺為核心、 SQL數據庫為管理后臺的數據信息耦合方法， 通過深化設計平臺的人機可視化操作管理界面和SQL數據庫的信息融合集成, 將Revit三維模型信息與數據庫進行關聯, 實現基于Revit深化設計平臺對構件信息進行增加、 修改、 查詢、 刪除等數據實時管理及后臺運行。

裝配式建筑對所需構件精細化要求程度往往很高, 同時又涉及到眾多專業和領域, 為了實現BIM目標, 在現有設計標準的指導下, 本研究提出裝配式構件的整體方案設計, 借助BIM主流軟件Revit進行三維建模, 并完成構件拆分設計。將模型上傳至深化設計平臺, 進行預制構件庫建立、 鋼筋排布優化、 構件驗算優化和生產優化, 之后建立匹配深化模型的構件信息模型, 在SQL數據庫中存放, 調節預先設定的參數, 達到構件定型并設計相應的生產計劃。

2.2 深化設計平臺

圖3中基于BIM的深化設計和生產階段, 使用BIM深化設計平臺, 對BIM軟件進行正向設計。建立參數化項目預制構件庫, 將構件驗算優化的過程內嵌至深化設計平臺中, 對構件進行承載力驗算和施工荷載驗算, 可視化驗算結果并生成BOM物料清單制訂生產計劃。

圖3 裝配式建筑深化設計流程圖

(1) 預制構件庫建立。確定拆分方案后， 在BIM軟件Revit中建立構件樣板族庫, 按照構件的種類和特點設置構件參數, 根據修改對應部位參數, 達到快速修改模型尺寸建立特征相似且有微小區別的構件。通過Revit公制族樣板建立主要截面形式的參數化族樣板庫, 根據項目的拆分方案建立項目構件庫, 完成預制構件庫的建立。

(2) 鋼筋布置。構件信息進一步明確后, 可以查看各三維構件模型的鋼筋排布、 用量等信息。先檢查節點連接處鋼筋排布的疏密、 是否與其他構件發生碰撞等問題, 避免傳統二維設計中出現的錯漏現象； 再對復雜部位模擬配筋, 通過可視化界面分析圖紙的準確性和可施工性, 進而提升深化設計質量, 在技術交底時三維模型的直觀性是二維圖紙無法比擬的。

(3) 構件驗算優化。裝配式構件的深化設計在于完成構件模塊的設計, 對于構件的吊裝、 承載力、 施工荷載等按照建筑規范進行驗算以達到規范要求甚至更優。分析規范中抗彎承載力、 裂縫寬度、 受拉鋼筋應力等指標, 需要在驗算過程用到構件的參數， 如混凝土軸心抗壓強度、 箍筋配筋量、 構件預制高度等。這些數據同樣是BIM模型所需的數據, 可以在BIM設計平臺通過代碼開發設計模塊, 將驗算過程輸入, 實現代入數據自動驗算, 并在軟件內根據結果人為優化構件。構件驗算優化涉及到數據讀取, Revit中構件的參數類型和單位各不相同, 讀取數據前需要統一構件類型和單位。 數據讀取的方法一種是讀取內置名(elem.get-Parameter), 另一種是通過Symbol.LookupParameter(參數名)自動讀取, 可以根據現場實際設計要求選擇。

(4) BOM物料表。在達到設計要求的構件入庫后, 快速讀取當前構件的混凝土和鋼筋信息, 通過BIM模型的數據支持, 對建筑材料進行采購成本核算和管理控制。將深化設計階段信息關聯至生產階段, 實現設計信息到生產信息的協同共享, 最終將物料表交給生產工廠, 指導生產。

2.3 基于BIM的信息模型

BIM在本質上是基于建筑信息模型的協同工作方法, 其核心技術是信息的共享和無損流動[15]。 因此， BIM深化模型從建立到最終生成， 需要建立一個統一的匹配各層級構件的信息模型。在基于BIM的裝配式預制構件庫建立后， 需要將構件參數信息與構件庫實時進行信息匹配。對于構件庫中構件信息， 包括幾何尺寸信息、 生產信息、 物料表信息等, 信息與構件型號或批次一一對應。建立SQL Sever數據庫是BIM模型與構件參數匹配的關鍵。匹配的思路是通過BIM軟件中RevitAPI的功能讀取構件的幾何尺寸、 鋼筋配量、 材料屬性等信息, 并通過SQL中的INSERT語句將這些信息同步到專屬的SQL Sever數據庫中， 可以通過對BIM軟件的開發來完成生產工藝和生產基礎數據庫信息的讀取。生產工藝數據和生產基礎數據不僅是對設計階段構件管理， 還為后期施工階段的可視化管理提供保障。

BIM信息模型中以信息類別、 信息內容、 可視化方法為主體, 深化設計階段BIM構件模型建立完成, 同時產生的附加信息是建立BIM信息模型的基礎。信息模型以文件信息、 構件空間位置、 構件類型、 構件幾何尺寸、 物理特性以及鋼筋信息分類管理, 在模型交互傳遞中以可視化的方式展現。BIM信息構成圖如圖4所示。

圖4 深化設計階段BIM信息構成圖

BIM信息模型的主要內容和實現方法如下: 1)設計資料管理： 設計規范、 原始圖紙信息、 項目前期的設計規范和各個版本的項目模型文件、 設計圖紙, 根據深化設計平臺的文檔管理界面, 對文件進行重命名, 按照圖紙內容、 構件型號、 項目名稱等逐一命名， 降低文件丟失造成的損失； 2)定位信息： 構件作用的空間位置信息, 如一層疊合梁、 一層疊合板等反映構件作用空間, 建模完成后對每個構件進行相應命名, 實現可視化； 3)構件分類信息： 在深化設計階段中導入項目構件庫中的構件逐一命名并添加序號, 如13-疊合梁不貫通； 4)構件幾何數據： 構件在建模完成并驗算優化后, 輸出對應的幾何尺寸、 鋼筋尺寸、 預埋件尺寸、 開洞尺寸等信息, 存儲在數據庫中, 設計人員調出構件管理界面進行查看、 修改, 在模型交互時設計和制作雙方人員可以在構件管理界面查詢構件相關幾何尺寸； 5)構件體積， 砼算量, 鋼筋位置、 型號、 數量： BOM表自動讀取當前構件的形狀、 編號與鋼筋配比等信息, 在深化設計階段向生產階段過渡時, 自動將這些信息同步至數據庫, 擴展并完善構件信息, 完成構件定型, 制訂相應生產計劃。

3 應用實例

以《裝配式混凝土結構技術規程》、 《混凝土結構設計規范》(2015版)等規范為數據源指導深化設計流程, 采用上述裝配式構件設計流程與方法對杭州某新建小學風雨操場進行裝配式構件深化設計(圖5)。整個建筑的總建筑面積為2.1萬m2, 地上建筑面積13 721 m2, 操場長36 m, 寬22.5 m。依照上述規范, 以項目所需疊合梁構件為例, 對疊合梁在庫族建立、 布置、 驗算、 生產計劃方面進行深化設計。首先利用Revit軟件構建項目疊合梁族庫, 按照疊合梁的種類, 將特定的參數賦予給梁模型構件, 如預制高度、 后澆帶高度、 鍵槽位置等， 應用深化設計平臺分析, 得到精細化參數如疊合梁貫通層面積等。

圖5 項目構件設計

項目設計人員通過設計平臺獲取構件模型尺寸和其他參數, 點擊任意構件可以查詢各項指標。當構件尺寸約束等主要參數設計完成后, 在構件管理界面(圖6a)點擊構件型號檢查參數, 雙擊構件， 可直接對參數進行修改, 同時導出BOM表(圖6b)對構件的混凝土、 鋼筋等信息進行統計。 造價人員對生產費用進行評估, 制訂生產批次和生產計劃, 并將設置好的信息更新到數據庫。施工人員根據數據庫信息實時調配現場構件數據。在施工荷載作用下，聯對構件的受彎承載力、 受拉鋼筋應力、 斜截面受剪承載力、 裂縫寬度進行驗算, 點擊“驗算”按鈕完成各項驗算指標。驗算受力界面如圖6c所示。

圖6 平臺功能界面

本文提出的裝配式深化設計方法在一定程度上提高了深化設計效率, 實現了遠程資源共享、 遠程技術同步, 優化了裝配式建筑跨區域協同的方法, 降低了裝配式項目， 尤其是生產階段成本費用, 證實了基本BIM的裝配式構件深化設計的實用性以及拓展了針對BIM軟件進行二次開發功能插件在建筑領域的應用。

4 結 論

為了解決裝配式建筑深化設計過程中存在的“信息閉塞”、 “設計復雜”和“低效漏項”等問題, 本文以BIM技術和《裝配式混凝土結構技術規程》、 《混凝土結構設計規范》為數據來源, 利用知識圖譜在知識推理上的優勢, 通過構建裝配式建筑深化設計領域的知識圖譜剖析裝配式構件深化設計的研究熱點和發展趨勢, 從裝配式建筑的設計規范和裝配式構件深化設計的要求出發, 提出了一種基于BIM技術的裝配式構件深化設計流程。該流程將BIM理念和技術與裝配式建筑高度結合, 推動了裝配式構件深化設計流程的優化和升級, 保證了深化設計的快速性和準確性。本研究中裝配式構件的深化設計思路, 同樣適用于建筑其他領域專業的構件設計結合BIM的二次開發技術, 對促進整個建筑行業人工智能的發展有積極意義, 具有較好的應用前景。