基于BIM技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探析

謝慶璋

【摘要】隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)代裝配式結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如提高裝配精度和信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要充分利用。本文研究了基于BIM技術(shù)的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，有助于提高BIM技術(shù)在裝配結(jié)構(gòu)中的可操作性和利用率，提高建筑工程的施工效率。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù);裝配式結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)方法

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.27.

1、基于BIM技術(shù)的預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

BIM技術(shù)在裝配式結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用要求工作人員了解BIM技術(shù)及其特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和注意事項(xiàng)，然后設(shè)計(jì)裝配式結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并通過計(jì)算機(jī)繪圖清晰地顯示整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)三維效果。三維建模后，設(shè)計(jì)師需要根據(jù)建筑工程的特點(diǎn)，將拼裝結(jié)構(gòu)與建模結(jié)合起來，考慮拼裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，更好地滿足建筑工程的要求。利用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目的總體結(jié)構(gòu)。根據(jù)預(yù)制建筑的標(biāo)準(zhǔn)化和參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立與建筑工程相關(guān)的部件模型庫(kù)，包括預(yù)制外墻部件、梁柱、樓梯等部件。

（2）零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。在構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)中，工人選擇項(xiàng)目所需的零件并將其應(yīng)用到項(xiàng)目中，并將它們安裝到3D圖像模型中，這可以提高工人的效率。

（3）重新設(shè)計(jì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)，確保構(gòu)件結(jié)構(gòu)在整體設(shè)計(jì)中滿足建筑性能。為了更大程度上滿足裝配式建筑的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)出最適合居民需求的房屋和戶型，最終形成裝配式建筑模型庫(kù)。

2、基于BIM技術(shù)的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)流程

2.1設(shè)計(jì)要求

（1）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的要求。在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中，建筑設(shè)計(jì)、施工和材料選擇需要采用統(tǒng)一的建筑模數(shù)，并根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的尺寸和型號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)整。模塊化設(shè)計(jì)是為了保證預(yù)制建筑結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化。建筑模數(shù)可分為基本模數(shù)和派生模數(shù)兩種，派生模數(shù)又可分為擴(kuò)展模數(shù)和子模數(shù)。根據(jù)這些模量形式，可以劃分模量系列。參照模數(shù)系列進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以使建筑產(chǎn)品具有協(xié)同性和標(biāo)準(zhǔn)化，減輕工人的負(fù)擔(dān)和壓力，降低工程難度，提高零件質(zhì)量。設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化屬于構(gòu)件的拆分階段。預(yù)制建筑結(jié)構(gòu)拆分后，需要重新整合，協(xié)調(diào)模塊化，即實(shí)現(xiàn)預(yù)制建筑結(jié)構(gòu)的互換性，使通用構(gòu)件滿足各種設(shè)計(jì)要求。

（2）科學(xué)設(shè)計(jì)的要求。為了滿足預(yù)制建筑的科學(xué)設(shè)計(jì)，重要的是滿足深化設(shè)計(jì)的需要，這是預(yù)制建筑與傳統(tǒng)建筑最大的區(qū)別。在裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段，可以拆分零件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)程序;在模塊的生產(chǎn)階段，為了使工人的操作更加規(guī)范，要積極推進(jìn)生產(chǎn)的機(jī)械化，以便隨時(shí)從倉(cāng)庫(kù)中取出零件進(jìn)行生產(chǎn);在施工階段，要減少起重機(jī)運(yùn)輸?shù)拇螖?shù)，便于其作業(yè)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和安排，減少對(duì)接工作，使作業(yè)更加簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)師需要根據(jù)工作平臺(tái)對(duì)建筑工程、結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備、材料進(jìn)行整合，根據(jù)不同要求保證不同預(yù)制件的性能，保證預(yù)制件生產(chǎn)和施工的一體化和統(tǒng)一性。科學(xué)的設(shè)計(jì)需要預(yù)制構(gòu)件的細(xì)節(jié)和深化，這在預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。完整的設(shè)計(jì)程序包括設(shè)計(jì)的詳細(xì)說明、預(yù)制件的布置、接頭設(shè)計(jì)和預(yù)制件的詳細(xì)設(shè)計(jì)等。涉及的內(nèi)容不僅包括建筑物，還包括機(jī)電設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)等。深化設(shè)計(jì)主要包括部件的尺寸、型號(hào)、外觀設(shè)計(jì)和墻體做法。

以上分析了裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，特別是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和科學(xué)設(shè)計(jì)。其要求是達(dá)到國(guó)家規(guī)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠流水線一體化生產(chǎn)、裝配施工、統(tǒng)一裝修、智能化管理五項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。最重要的是設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)要求結(jié)果完整、通用，通過模數(shù)系列優(yōu)化預(yù)制件的尺寸和型號(hào)。新型裝配式建筑與傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)有顯著差異，分析方法也不同。前者對(duì)設(shè)計(jì)師要求更高，設(shè)計(jì)更科學(xué);后者應(yīng)用廣泛。

2.2設(shè)計(jì)過程

基于BIM技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，主要有兩種方法：第一種是類似于傳統(tǒng)裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，但在構(gòu)件的設(shè)計(jì)上略有不同。這種方法需要根據(jù)廠商的要求建立構(gòu)件庫(kù)，在構(gòu)件庫(kù)中完成項(xiàng)目的構(gòu)建，然后計(jì)算構(gòu)件;第二種方案是一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，與傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大不同。它把建筑的各個(gè)部分看成一個(gè)整體，然后拼接幾個(gè)部分。這兩種方法都可以在設(shè)計(jì)初期使用，保證構(gòu)件的穩(wěn)定性，對(duì)盡快實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的工業(yè)化生產(chǎn)起到重要作用。

（1）明確掌握預(yù)制件的生產(chǎn)工藝。首先，預(yù)制構(gòu)件的制造商需要充分了解預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)規(guī)模，清楚地認(rèn)識(shí)到自己的生產(chǎn)能力，選擇最合適的生產(chǎn)模式。第二，隨著目前建筑業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)不僅要有數(shù)量，還要保證質(zhì)量，增加預(yù)制結(jié)構(gòu)的選擇性，必須有一定數(shù)量和質(zhì)量的構(gòu)件。第三，為了保證構(gòu)件庫(kù)中信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要明確標(biāo)注鋼筋和預(yù)制構(gòu)件的類型，以保證構(gòu)件的承載力。

（2）準(zhǔn)確選擇部件的尺寸和型號(hào)，完成設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)階段，在之前的設(shè)計(jì)中，先對(duì)整個(gè)組件進(jìn)行分析，再對(duì)單個(gè)組件進(jìn)行分析。在新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先對(duì)單個(gè)構(gòu)件進(jìn)行分析，然后對(duì)整體承載力進(jìn)行分析。與前面的分析相反，設(shè)計(jì)師需要建立新的設(shè)計(jì)理念，擁有更專業(yè)的知識(shí)和技能。傳統(tǒng)裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)拆分，根據(jù)拆分原則和模數(shù)原則進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時(shí)代的到來，新的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越受到重視。新預(yù)制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)側(cè)重于組裝階段。在設(shè)計(jì)初期，通過選擇預(yù)制件并拼接，可以同時(shí)生成更多的設(shè)計(jì)方案，從而完成樓蓋的整體計(jì)算。學(xué)者張居克[5]研究了裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，分析了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、BIM模型的建立和優(yōu)化，并說明了各個(gè)環(huán)節(jié)的內(nèi)容和要求，其中預(yù)制件的建造和預(yù)制件的改進(jìn)是基本環(huán)節(jié)，并根據(jù)這兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行組裝和計(jì)算。裝配設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以降低成本，節(jié)約資源和能源，減少項(xiàng)目時(shí)間，保證項(xiàng)目質(zhì)量。推動(dòng)工業(yè)化生產(chǎn)最重要的是建立數(shù)據(jù)庫(kù)，這是根據(jù)工廠不同的預(yù)制件和結(jié)構(gòu)形式、生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)決定的。梁和墻板需要通過計(jì)算預(yù)制件的位置等來判斷。，這主要是基于組件的大小信息。構(gòu)件的布置位置可以通過計(jì)算來確定，模塊化設(shè)計(jì)可以通過尺寸來保證。對(duì)于非承重墻的荷載強(qiáng)度和跨度，可以按照這些進(jìn)行配筋。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員可以直接從組件庫(kù)中進(jìn)行選擇。對(duì)于空調(diào)面板和女兒墻的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)構(gòu)件的詳細(xì)信息進(jìn)行多樣化的類型，滿足建筑結(jié)構(gòu)的立面設(shè)計(jì)。如果建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能滿足設(shè)計(jì)要求，就需要在構(gòu)件生產(chǎn)中增加構(gòu)件。

（3）完成結(jié)構(gòu)的裝配設(shè)計(jì)。在工程施工中，結(jié)構(gòu)需要以砌塊的形式拼接。在滿足項(xiàng)目實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，精心選擇最合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，選擇零部件進(jìn)行改造，然后通過門窗完成戶型設(shè)計(jì)，確保拼裝過程符合建筑結(jié)構(gòu)立面。

（4）優(yōu)化設(shè)計(jì)（4）BIM技術(shù)。對(duì)預(yù)拼裝建筑進(jìn)行整體受力分析，確定預(yù)制構(gòu)件鋼筋布置順序，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)分析檢查后，更換不滿意的，重新檢查，直至符合設(shè)計(jì)要求。因?yàn)闃?gòu)件庫(kù)是廠家提供的，所以復(fù)檢階段會(huì)涉及專利問題，設(shè)計(jì)師應(yīng)以此作為判斷結(jié)果是否準(zhǔn)確的補(bǔ)充證據(jù)。

結(jié)語：

綜上所述，由于傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)存在諸多問題，新型裝配式結(jié)構(gòu)越來越受到人們的尊重。主要介紹基于BIM技術(shù)的預(yù)制建筑的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)流程等內(nèi)容。通過研究發(fā)現(xiàn)，雖然傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程存在一些不足，但隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，2D設(shè)計(jì)軟件向BIM軟件的轉(zhuǎn)化可以有效彌補(bǔ)這些不足，更有利于裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了新思路。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李奇.基于BIM技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[J].智能建筑與智慧城市，2020（5）：105-106.