裝配式建筑BIM正向一體化設計應用研究

□ 梁承龍 劉 芳 彭 來

2020年12月，中央經濟工作會議提出了“二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，力爭2060年前實現碳中和”的清晰目標。目前我國建筑業總產值約占GDP的25%，建筑業碳排放量約占全國總量的40%，未來可實現減排節能的綠色建筑大有可為，將帶來生產方式、業務模式革新。

2016年國務院頒布《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，提出“要因地制宜發展裝配式混凝土結構、鋼結構和現代木結構等裝配式建筑，力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%”。裝配式建筑的發展已上升到國家戰略。裝配式建筑可通過工廠集約化生產、現場機械化安裝實現節約資源、降低能耗，明顯減少碳排放量，隨著碳減排政策持續推進，預計裝配式建筑將成為節能減排的重要實施載體，中長期發展趨勢有望得到強化。

BIM技術（Building Information Modeling 建筑信息模型，簡稱BIM技術）通過多種計算機三維軟件模擬建筑物所具有的真實信息，并實現信息數據流的傳遞和各種性能的模擬與優化，得到眾多工程師和學者的青睞[1-4]。BIM技術應用于裝配式建筑正向設計，可實現對預制構件的參數化設計、模數化拆分、信息化出圖，可較大程度提高裝配式建筑的設計質量，減少返工，提高施工管理效率。

正向設計，是以BIM模型作為出發點和數據源，其通常包含方案設計到施工圖紙設計全過程。同傳統的二維設計相比，BIM正向設計質量相對比較高，非常強調專業的協調性，表達內容也相對比較豐富，在各類工程中都有應用。通過在建筑設計當中開展正向設計，可以有效減少勞動力和信息交換。通過開展正向設計，還可以讓設計人員充分對自己的設計意圖進行表達，避免在繪圖的過程中浪費大量的時間[5]。

1 ??項目概況

1.1 工程項目概況

該項目地處南寧市興寧區昆侖大道東段，總投資1億元，總建筑面積63000m2。設計以“綠色職教”為理念，根據地形采用“U”型庭院建筑造型，外立面采用棕紅色飾面磚，使建筑在青山環抱中凸顯熱情暖意。主樓頂部設置全玻璃幕墻的大學生空中活動中心，增強遠眺視野及通風效果，起到頂層隔熱的作用。具體如圖1所示。

圖1 交通運輸實訓基地綜合實訓大樓項目效果圖

為響應國家號召，該項目采用了“三板體系”預制裝配式結構，運用“BIM正向設計+信息化施工管理”的方式進行項目的信息化管理。裝配率達到自治區要求的30%。

該實訓大樓項目分為3個分區，主樓共6層。全樓采用框架結構體系，每層設8個A類教室、2個B類教室，AB兩類教室均滿足3米的建筑模數。模數化的建筑設計，最大化地實現了裝配式構件的標準化程度，也為標準構件庫的使用創造了基礎。

1.2 實施體系

為保障項目信息化工作的高效開展，該項目組建了BIM技術團隊、編制了《裝配式交通實訓基地大樓項目BIM實施標準》，綜合運用revit、斯維爾、Pathfinder等一系列BIM軟件，使建筑信息數據在項目設計、生產、施工管理過程中得到充分應用。該項目將“裝配式BIM數據集成應用”作為信息化實施重點，開展了預制構件參數化設計、綠色建筑指標分析、安全疏散設計等10余項BIM集成應用。

2 ??實施過程

2.1 設計方案效果審核

利用lumion渲染引擎，導入實訓大樓BIM模型，方便快捷地渲染效果圖及視頻動畫，從而進行項目BIM模型的實時動態瀏覽，便于甲方進行設計方案討論和設計效果檢查。同時配合VR眼鏡，在虛擬實訓大樓廣場進行沉浸式行人視角體驗，可身臨其境地體驗竣工效果，增強業主體驗，輔助進行項目決策。體驗視角如圖2所示。

圖2 項目沉浸式體驗視角

經測試3Dmax與lumion兩款渲染引擎，得到以下應用結論：（1）兩種渲染引擎與revit模型的兼容性方面，lumion兼容性更高，模型不會出現缺少面、材質重疊閃爍的情況。（2）渲染效果方面，3Dmax引擎燈光及場景效果更佳。（3）渲染速度方面，lumion完成渲染的速度更快，對硬件的要求更低。

2.2 綠色建筑分析

采用斯維爾綠色建筑分析軟件對該項目BIM模型進行節能、日照、采光等建筑性能指標分析，以達到人員舒適度分析、運維管理分析、建筑可持續發展分析等目的，快速出具分析報告，輔助項目報建，如圖3、圖4所示。利用設計BIM模型直接進行建筑性能分析，可使建筑性能分析更加準確、高效。綠色建筑經過十多年的發展，已經成為現代建筑設計必不可少的環節，綠色建筑分析軟件也趨于成熟。該項目采用的斯維爾體系綠色建筑分析軟件，能夠很好地滿足主管部門對綠色建筑計算的要求，實現設計模型的集成應用。

圖3 日照環境分析

圖4 建筑采光分析

2.3 疏散方案設計

學校教學樓是人員密集場所，突發事件情況下的疏散速度直接關系到師生的生命安全。因此，安全疏散設計也是項目正向設計的重要內容。項目采用Pathfinder軟件導入BIM模型，對不同人群逃生能力進行預設，模擬整個教學樓在緊急情況下的人員疏散情況，也可以模擬各種預先設置的疏散路線，通過模擬結果分析應急通道設計的合理性，得出最優疏散方案。

傳統的人員疏散計算采用的是公式法，這種方法只能簡單地通過火災探測時間、預動作時間、人員疏散運動時間等，計算出安全疏散時間。但是這忽略了建筑空間設計對人員造成的阻塞因素、發生突發事件時人員逃生路線的個別隨機性等，這樣的計算對建筑設計未能起到直觀的指導作用。采用Agent-base模型的疏散模擬軟件，可更加真實地模擬出突發情況下的逃生數據，為建筑設計提供參考，如圖5所示。

圖5 人員疏散分析

2.4 全專業協同設計

該項目通過建立中心文件的方式進行全專業協同設計，一旦發現碰撞問題，各專業設計師能夠實時對方案進行討論和修正。在機電管線設計方面，該項目選擇適用于裝配式建筑的管線分離技術，嚴格按照管線綜合排布的基本原則，達到滿足規范、節約成本、排布美觀、使用方便的目標。將配電橋架設置在入戶一側以減少橋架翻彎，并與消防及給水專用管線保持400mm的安全距離及檢修空間。按模數使用共用支吊架，最大限度節省材料成本。

該項目主要從業務流程標準、文件格式標準、深化設計原則、存儲規則、出圖標準、成果同步規范等方面，深入研究了協同設計實施標準。測試后發現，設計人員素質及激勵方式改革成為標準實施的關鍵，只有主觀因素與客觀因素協同發展，才能保證全專業協同設計的高效開展。而協同設計標準化的探索，將在人工智能設計領域起到關鍵性作用，如圖6所示。

圖6 全專業協同設計

2.5 預制構件參數化設計

依據裝配式建筑“通用化、模數化、標準化、少規格、多組合”的原則，進行裝配式構件及鋁模體系深化設計。采用LOD400標準，結合規范圖集，創建參數化構件庫，涵蓋疊合板、預制樓梯、輕質隔墻、預埋件及模具等通用標準族庫，實現構件的系列化、多樣化。同時，基于Revit平臺二次開發構件庫管理插件，便于管理和查詢，如圖7所示。進行裝配式項目深化設計時，充分利用參數化構件庫，減少重復工作，高效生成該項目的構件信息，進行模型預處理、預留孔洞設計、構件拆分、構件編號、裝配單元參數化配置、復雜節點鋼筋碰撞檢查、精細化模具設計、BIM出圖[6]。

圖7 參數化預制構件管理插件

通過BIM正向一體化裝配式構件預留預埋深化設計，做出了設計優化6處，優化內容涉及疊合板遞料孔缺漏、止水節與鋼筋碰撞、胡子筋位置碰撞等。這些設計缺陷的發現，避免了預制構件返廠處理的風險，預計使項目節約工期10天，控制成本30萬元。

2.6 BeePC平臺裝配式深化設計

采用BeePC平臺開展“三板”構件BIM深化設計，精確定義構件尺寸、鋼筋位置、預留預埋信息。按照模數快速進行建筑構件的拆分設計，并按照規范生產構件加工圖，導出構件工程量信息，實現了基于BIM環境的裝配式構件深化設計、出圖流程，如圖8所示。

圖8 BeePC裝配式深化設計平臺

該項目通過安排不同的深化設計人員，分別使用CAD平臺與BeePC平臺同時進行裝配式構件拆分設計，對設計時長、設計精度、出圖規范度、承載信息量等維度進行了對比分析，對比結論如表1所示。

表1 CAD、BeePC進行裝配式深化設計對比情況表

通過兩個平臺的設計結果對比可知，傳統CAD平臺僅靠二維圖形對構件進行表達，缺乏直觀的三維演示，容易使設計人員對細節考慮不周，導致設計缺陷。BeePC平臺自帶的裝配式構件庫、出圖模板，可快速生成預制構件模型，自動進行鋼筋布置及直觀三維調整，最終輸出PC構件混凝土工程量、鋼筋下料單、構件三維示意圖等。總設計時長方面，BeePC平臺比CAD平臺速度提升一倍。由此可見，利用BIM深化設計軟件進行裝配式構件拆分設計，能大幅度提高效率。

2.7 BIM工程量計算

項目組依托校企合作研發基礎，與廣西同澤工程項目管理股份有限公司、深圳市斯維爾科技有限公司組成聯合研究團隊，共同開展BIM工程量計算的項目實戰研究。團隊基于斯維爾BIM算量平臺，總結了能高效實現構件映射的revit命名規則，并編制了建模標準，最終實現revit模型與斯維爾算量模塊數據的無縫對接，完成國標算量，如圖9所示。

圖9 斯維爾BIM算量

該項目通過對斯維爾工程算量for revit和廣聯達BIM算量兩款軟件的測試，得到以下結論：（1）兩款軟件對常規形狀構件的工程量計算結果基本一致，計算時間相差不大；（2）對于異性構件，兩款軟件計算結果及手算結果都存在一定偏差；（3）使用revit插件的算量軟件，對構件命名規則要求較為敏感，比如命名懸挑板時必須專門制定命名規則，否則會將工程量計算到普通有梁板中，而廣聯達軟件劃分了“懸挑板”類別，建模時選擇相應類別創建模型即可。綜上所述，BIM工程量計算軟件的算法已經取得了較好的發展，但是計算結果一般需根據行業及合同約定而定，計算規則也要隨著計算能力的提高而做出調整。這就需要各軟件平臺優化用戶體驗，相關主管部門做好計算規則的更新，才能打通BIM一體化算量的“最后1公里”。

2.8 BIM5D

通過分析場地布置與施工進度之間、各種施工設施之間、材料供給與需求之間等諸多復雜的依存關系，研究施工資源的“時間—空間—數量”關系，將reivt模型與施工進度、工程量信息鏈接起來，建立項目5D模型，可動態模擬施工過程和任意時間的場地施工狀態。當施工進度發生變化，可自動計算出任意時間段、任意施工狀態的工程量和人力、材料、機械等資源需求以及場地空間狀況，為場地布置提供準確、直觀的依據，如圖10所示。

圖10 裝配式施工場地布置

通過科學的施工流水設計及裝配式總裝優化，采用斯維爾BIM5D軟件進行項目施工進度的優化與管理，最終達到5天一層、31天封頂的總目標，如圖11所示。

圖11 BIM5D項目管理

施工項目管理，是一個復雜而動態的過程，采用現有的軟件平臺僅能從施工計劃和實施結果兩個維度判斷工期與成本的偏差度，并不能靈活地關聯所有事件變量，進行綜合計算分析，得出最優解決方案。但是通過施工過程關鍵因素的實踐積累，必將能夠逐步建立起一套數據采集要點及關聯的算法邏輯，相信在不遠的將來，必將能夠通過AI排產，真正實現“智慧工地”。

3 ??應用價值分析

該項目通過采用BIM技術進行裝配式建筑的正向設計實施，從建筑性能分析、全專業協同設計、預制構件精細化設計、施工現場信息化管理的全過程開展BIM數據集成應用，提高了設計質量，提升了建造過程中的信息化水平，設計團隊也進一步提升了技術及管理水平，為智慧建造的實施打下了較好的基礎。該項目的實施具有一定的應用成效，具體表現如下。

（1）通過該裝配式項目BIM正向設計的實施，培養了一支優秀的BIM正向設計實施團隊，為單位BIM發展奠定人才基礎。

（2）探索了利用BIM技術進行裝配式項目建筑性能分析的解決方案，使設計信息能夠與綠色建筑分析集成應用。助力實現建筑運行階段的“碳峰值、碳中和”目標。

（3）探索了全專業協同設計的正向一體化設計工作模式，使建筑、結構、暖通、電氣、給排水與智能化等專業高效聯動，最大限度提高設計質量，減少生產過程中30%以上的設計變更。

（4）實施了基于BeePC平臺的裝配式深化設計技術路線，較傳統CAD平臺的裝配式深化設計效率提升50%，三維可視化的設計環境可最大限度表達各預制構件空間關系，在深化設計過程盡可能避免構件生產缺陷。

4 ??實施意見與項目展望

開展裝配式建筑正向設計，是建筑工業化發展的必由之路，通過該項目的探索，為正向設計模式的推廣提出以下建議：

（1）組建一支既熟悉傳統設計理念又精通BIM體系理論與技能的設計師團隊，培養核心設計師正向設計的理念，提升設計標準化能力。

（2）建立正向一體化設計的實施流程標準，使各專業設計協同開展、有效穿插。

（3）創建“模數化、標準化、少規格、多組合”的裝配式部品部件庫，通過參數化驅動，使正向設計更加高效。

（4）打通“設計—生產—施工”各環節建筑信息數據傳導標準，使業務流程、生產設備、現場作業等各環節實現數據無縫傳導。

交通運輸實訓基地綜合教學大樓項目裝配式建筑BIM正向設計的綜合應用，是BIM與裝配式技術深度融合的一次大膽嘗試，為裝配式建筑的發展提供了信息技術的支持，對促進廣西建筑工業化的跨越式發展具有重要意義。