模塊化建筑的結構設計與BIM技術應用研究

＊殷廣慶

（中海油石化工程有限公司 山東 250014）

前言

模塊化建筑結構設計既要考慮預制構件的內容，又要考慮后期現場施工，因此，相關人員必須保證預制構件滿足施工要求，同時也要保證預制構件的強度和質量性能均符合整體建筑施工標準。BIM是一種建筑信息化模型，主要是利用計算機技術，用數字化的形式表達建筑工程信息中的各種內容，以提高建筑設計的效率和準確性。采用該技術后，建筑工程的施工質量將進一步提高，為建筑企業增加一定的經濟效益。

1.設計方法

在模塊化建筑結構中，相關的墻體結構、樓板以及樓梯等都是按要求提前批量生產的，它需要與混凝土相結合，才能構成建筑物整體。傳統的施工模式在施工過程中，所有施工技術都是按照施工流程進行，這些技術都是發生在現場的。而模塊化施工技術多發生在施工前期，這種技術往往需要有較高的前置條件。所以結構設計的相關人員，要使設計完成的產品達到相關規范的要求。這就要求結構設計必須與決策階段相聯系，設計人員必須與項目負責人建立良好的溝通，了解建筑工程的實際情況及施工要求、成本要求等，并了解預制構件廠的生產水平，使所設計的成品能滿足預制構件廠的生產技術要求。總之，模塊化建筑結構設計保證了結構的簡潔，承載能力強，功能的多樣性，布局的便利性。由于其在施工過程中還需要裝配環節，所以應遵循“少規格，多組合”的設計原則，使設計的成品更加多樣化和標準化。無論是總圖設計階段還是建筑單體設計階段，為了保證設計水平，都應該采取一體化設計、模塊化和通用化設計相結合的方法。另外，預制件模具的設計也需要相關人員減少其種類，增加其利用次數，使得模塊化建筑結構的優勢更加顯著。

2.總圖設計階段

總圖設計需要相關人員以整體的眼光看待模塊化建筑設計事項，在考慮事項上也要做到面面俱到，使設計對象與整體建筑、整個施工現場及周圍的環境等相協調。因此，有關人員在設計模塊化建筑結構的場地布置時，應充分考慮總平面布置圖中模塊化建筑的位置及施工安排，使模塊化建筑與其它功能建筑保持安全距離，保證大型機械施工場地面積，使機械布置合理。此外，還要進行運輸方式與道路的設計，使車輛的進出符合方便施工的要求。模塊化施工場地與預制構件存放場地之間的距離應設計合理，使預制構件在施工流程中能夠順利實施。不同的預制構件對吊裝機械的要求不同，相關人員還需要針對具體的模塊結構，對塔吊、起重機進行合理的布置和使用。在確定使用的機械后，相關人員還應對其吊裝重量進行設計，使其與預制件的吊裝壓力相匹配。由于吊車懸臂在運行過程中會出現旋轉現象，因此作業場地的尺寸也必須滿足吊車轉動半徑的要求。這些機器比較笨重，不容易移動，有關人員也必須事先設計好行進路線。運輸預制構件的車輛在行駛和運輸過程中，應與吊裝機械保持安全距離，并應安排專人看管道路，保證物料等及時到位。相關的車道應設計成環形，整個場地應滿足平整、密實的要求，為減少設施費用，相關人員還應做好排水設計與道路尺寸設計。

3.建筑單體設計階段

總圖設計階段的具體情況和特點，其針對的重點是現場管理，主要是為單體工程的施工提供安全可靠的環境，提高施工效率。但在建筑單體設計階段，相關人員應使模塊化設計方法更加規范，設計內容更加細致，并將設計重點具體落實到建筑單體工程項目，最終確保模塊化建筑結構的設計質量和水平。在單體工程項目設計中，相關人員要遵循的設計規范與總體的設計要求相差不大。而單體工程的功能特點更加明顯，要突出單體工程的功能設計，滿足單體工程功能多樣化的要求。采用這種設計方法還應滿足“一體化、標準化、通用化”等要求。在“一體化”設計方法中，應充分考慮建筑物的整體使用要求和使用者的不同需求，使預制構件本身具有更大的靈活性，一旦使用者的需求發生變化，只要對預制構件的裝配形式進行調整，就可以達到其他功能建筑的目的。調整過程對建筑物整體使用壽命無任何影響。另外，將結構設計與工藝設計有機地結合在一起，使結構布局更加合理，構件制造更加靈活方便。

通過“標準化”“模塊化”的設計方法，將建筑結構的模塊化表現為一種由多個預制構件組成的功能空間，使之符合規范要求。模塊化建筑中各個空間單元所屬的功能模塊也不同，因此模塊化建筑也可視為獨立的功能模塊，模塊化建筑標準化所需的預制構件也有統一的標準，以便能夠完全量產。這些量產的統一標準的構件在應用中不存在任何差別，從而達到了模塊化建筑結構的通用化設計目標，使模塊化建筑得到更廣泛的應用。這種模塊化、標準化、通用化的建筑空間在實際中很常見，例如辦公大樓和醫院的標準單元間。對模塊化建筑立面設計而言，標準化，模塊化設計同樣適用。模塊化建筑在色彩、材質和平面構造上都能保持統一的標準，從而達到建筑整體的統一。在色彩方面，這些模塊化建筑內外墻涂料是相同的，相關材質如瓷磚、石材、混凝土等型號、色彩及質地等也有統一的標準。在平面造型方面，為了滿足空間立面的需要，相關人員通常采用拼接的方式，這些拼裝材料的顏色、材質等可各不相同，但整體風格基本一致。在對體塊進行組合設計時，相關設計師應運用體塊創造出具有一定風格的造型。

4.BIM技術在裝配式混凝土建筑結構設計中的應用研究

(1)設計單位對于BIM技術的核心應用

BIM技術應用在建筑工程項目設計階段，主要是針對一些不合理的設計問題進行處理，并在施工過程中不斷優化管道設計。一般來講，建筑工程項目展開時，多由一些設計圖紙的專業人員進行分工協作，但是這種情況很容易使圖紙設計方式產生較大差異，從而影響到施工效果。利用BIM技術，可以減少各種問題，提高工作效率和質量。首先，要把BIM模型和不同專業結合起來，當專業BIM模型沒有出現誤差時，應對BIM模型進行整理、拼接，形成一個整體的BIM模型，然后再次進行檢驗。其次，對于BIM模型的構建，當設計中出現一些不合理之處時，將很快發現問題，并加以改進和完善。而CAD繪圖技術下，使得這些問題很難被發現，這就會對建筑工程圖紙設計產生影響。最后，對經研究無誤的模型進行BIM模型的綜合設計整理，并將各種較為詳細的建筑物組成結構展示出來，為后期現場施工提供可靠依據。可采用CAD技術結合混凝土構件的截面尺寸及對這些構件的具體要求等進行深化處理。但是，在這種傳統的加工方法下，繪圖效率低、返修率高，這在給施工單位帶來巨大成本的同時，也會影響這些材料的質量，無法保證施工質量和效率。通過BIM技術建立各種不同預制構件的三維帶鋼筋模型，并與圖紙設計相結合，將其進行拼裝，可以直接發現問題，從而提高解決問題的效率，為建筑工程前期圖紙設計提供更準確的依據。

(2)施工方對于BIM技術的應用

建筑企業在BIM中的應用，主要是結合設計階段的圖紙內容，進行施工可行性研究。對設計階段進行模塊化建筑施工可行性展開研究，主要是包括部分吊裝施工工作，以及模板方案具體實施內容。吊裝作業中，主要構件的吊裝順序顯得尤為重要。采用BIM技術時，施工方應研究設計階段是否對吊裝順序進行了合理的安排，并充分考慮到這些構件的吊裝是否給后期施工過程帶來影響，盡量做好施工前的充分準備。BIM模型的建立，使建設單位能夠模擬吊裝，并根據構件的平面布置，合理安排吊裝順序，確保施工安全和施工質量。部分二次結構主要體現在施工圖上，以文字描述為主，包括門框的設置、構造柱、過梁等多處結構的位置，建設者必須深化這些結構才能正式開始施工。部分二級結構構造復雜，用傳統的CAD圖無法更準確地表達。通過BIM軟件，可以方便地將二次結構的精確定位轉換成數字模型，并對其進行建模，從而更好地保證工程圖的設計質量。通過這種方法，在實際施工過程中，便可有效減少更多的誤差存在。

(3)建設方對BIM技術的使用

對建設單位而言，BIM技術的應用，主要是對建設項目的精細管理，對各種費用的預算與管理控制。當BIM技術最初被用于模型構建時，經過一系列的改進和完善，其包含了許多信息內容，都能保存在BIM模型構件中，并且能夠對每一個BIM詳細模型的構建以及變更的信息進行詳細、明確的記錄。在BIM模式下，施工單位也可以通過虛擬漫游的方式，對各模型的施工細節設計進行更有效的管理和控制。也就是說，對于整個建筑的設計，施工單位可以將自己的施工理念融入到設計之中，使建筑設計更符合建設單位的施工要求，從而更好地管理和控制各施工環節。當最終完善了BIM模型后，便可結合一定比例，對建筑工程所需的具體工程量進行統計和分析，得出所需材料消耗。利用這一技術，施工單位就可以對實際施工中出現的各種成本問題進行有效的管理和控制，從而推動了我國建筑工程業的快速發展。

5.結語

模塊化建筑結構設計方法的應用現狀并不理想，因為其往往與建筑發展的要求不同步，因而在設計過程中，往往會出現設計缺陷，相關人員應根據這些設計方法，提出改進措施，使設計方法更加有效，以達到設計目標的真正優化。此外，在應用設計方法時，應遵循標準化、模塊化、通用化設計原則，使設計結構更加規范，功能更加全面，形式更加多樣。