基于裝配式建筑示范教學(xué)場(chǎng)景的 BIM 技術(shù)全過(guò)程設(shè)計(jì)研究

梁曉丹，楊海斌，閆長(zhǎng)江（.上海城建職業(yè)學(xué)院，上海 00438； .上海建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，上海 0003）

0 引 言

裝配式建筑作為實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化的必經(jīng)之路，其標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化的內(nèi)在要求與 BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）的信息化、可視化特點(diǎn)不謀而合[1]。以 BIM 應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，以三維模型所形成的數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，包含了設(shè)計(jì)、施工、使用、拆除的全過(guò)程信息，集成了工程圖形模型、工程數(shù)據(jù)模型以及和運(yùn)營(yíng)管理有關(guān)的行為模型，同時(shí)將BIM 建筑工程信息模型引入教學(xué)場(chǎng)景展示，在教學(xué)中以三維展示立體直觀的建筑結(jié)構(gòu)，是一種近似實(shí)踐設(shè)計(jì)的理解。

1 項(xiàng)目研究背景

目前，BIM 在裝配式建筑中已有諸多應(yīng)用實(shí)踐，曾東旭[2]結(jié)合不同工程實(shí)例總結(jié)出 BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)各階段的工作要點(diǎn)；楊新、焦柯等[3]建立了以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和模型圖紙文件管理器為核心的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)；黃高松等[4]從推廣實(shí)施層面提出了設(shè)計(jì)企業(yè) ISO 質(zhì)量管理體系。BIM 技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段的全專(zhuān)業(yè)協(xié)同，施工階段的建造全過(guò)程一體化和運(yùn)營(yíng)階段對(duì)建筑物的智能化維護(hù)和設(shè)施管理，使設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)到運(yùn)營(yíng)單位通過(guò) BIM 信息共享聯(lián)系的更加緊密，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的全生命周期管理。本次實(shí)踐研究的項(xiàng)目為某學(xué)院實(shí)訓(xùn)教學(xué)樓，是基于建筑裝配式示范教學(xué)場(chǎng)景的 BIM技術(shù)全過(guò)程應(yīng)用實(shí)踐，希望通過(guò)信息化的設(shè)計(jì)手段和裝配式的施工技術(shù)，最終完成既具有文化傳承和空間延續(xù)，同時(shí)具有創(chuàng)新價(jià)值的裝配式實(shí)訓(xùn)示范場(chǎng)景。

2 BIM 技術(shù)全過(guò)程應(yīng)用

2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段

建筑策劃與設(shè)計(jì)是建筑全產(chǎn)業(yè)鏈的最前端，是整個(gè)建筑的創(chuàng)作核心[5]。前期規(guī)劃階段，充分考慮項(xiàng)目遷建的局限性及校園內(nèi)部的地形地貌特征，建筑以重慶特色自然環(huán)境寓意文化延續(xù)，建筑造型取山形就水勢(shì)，建筑在形制上延續(xù)老主樓圍合式布局，喚起師生熟悉的記憶，激發(fā)認(rèn)同感。如圖 1 所示，利用 BIM 分析軟件分析地形地貌，根據(jù)功能需求、環(huán)境需求及人文需求進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)建筑體塊進(jìn)行計(jì)算與生成。

圖1 建筑體塊生產(chǎn)過(guò)程

2.2 方案設(shè)計(jì)階段

如圖 2 所示，在方案設(shè)計(jì)階段，主要利用 BIM 模型的可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性等特點(diǎn)，進(jìn)行綠建設(shè)計(jì)、方案優(yōu)化，為項(xiàng)目決策提供技術(shù)支撐，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。對(duì)設(shè)計(jì)方案的效果進(jìn)行分析、比選，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過(guò) BIM模型可以讓用戶直接看到設(shè)計(jì)方案的效果，更加形象、直觀、準(zhǔn)確，并可以通過(guò)漫游技術(shù)，對(duì)裝修方案進(jìn)行觀賞，結(jié)合人體工程學(xué)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以保證符合客戶的需要。而且基于 BIM 的可視化技術(shù)，可以讓施工人員更準(zhǔn)確地明白二維圖紙所不能理解的一些細(xì)部構(gòu)造，以確保施工的順利進(jìn)行。因此客戶再也不必在施工時(shí)要求施工人員和設(shè)計(jì)人員來(lái)反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案，更快速、高效的的實(shí)現(xiàn)了客戶心目中的裝修方案。

圖2 BIM技術(shù)對(duì)方案的優(yōu)化

2.3 施工圖設(shè)計(jì)階段

BIM 技術(shù)對(duì)施工圖進(jìn)行深化設(shè)計(jì)、組織協(xié)調(diào)、起到高效的作用，因?yàn)楦鱾€(gè)專(zhuān)業(yè)的側(cè)重方向不同，所以對(duì)模型的表達(dá)側(cè)重也各不相同。深化設(shè)計(jì)利用 BIM 模型可視化的特點(diǎn)，在施工圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)走廊等管線密集位置進(jìn)行管線綜合，預(yù)估及分配吊頂空間等專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)的工作，對(duì)傳統(tǒng)繪圖模式來(lái)說(shuō)，各設(shè)備專(zhuān)業(yè)分開(kāi)設(shè)計(jì)，會(huì)審時(shí)工作量大，難以發(fā)現(xiàn)全部碰撞點(diǎn)，遺留大量問(wèn)題到施工階段。如圖 3 所示，本次項(xiàng)目采用 BIM技術(shù)各專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，提前進(jìn)行管線綜合，設(shè)計(jì)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)并避免交叉碰撞，減少后期工作量。同時(shí)，BIM 的可視化在施工圖階段很好解決了二維圖紙表達(dá)不清晰的問(wèn)題，本項(xiàng)目為實(shí)訓(xùn)樓，空間要求變化多，所以設(shè)計(jì)跨層、升降板等復(fù)雜區(qū)域的問(wèn)題，BIM 模型的三維顯示較二維圖更能清晰地把握實(shí)際情況。項(xiàng)目各方及各專(zhuān)業(yè)基于模型討論問(wèn)題，可以實(shí)時(shí)測(cè)量模型，更精確掌握建筑物的尺寸和空間信息。

圖3 本項(xiàng)目 BIM 管線綜合模型

2.4 PC 構(gòu)建生產(chǎn)階段

BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息的開(kāi)放與共享。設(shè)計(jì)人員可以將裝配式建筑的設(shè)計(jì)方案上傳到項(xiàng)目的“云端”服務(wù)器上，在云端中進(jìn)行尺寸、樣式等信息的整合，并構(gòu)建裝配式建筑各類(lèi)預(yù)制構(gòu)件（例如門(mén)、窗等）的“族”庫(kù)。隨著云端服務(wù)器中“族”的不斷積累與豐富，設(shè)計(jì)人員可以將同類(lèi)型“族”進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化，以形成裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)形狀和模數(shù)尺寸。預(yù)制構(gòu)件“族”庫(kù)的建立有助于裝配式建筑通用設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)立。同時(shí)，PC 構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量繁多，利用 BIM 模型精準(zhǔn)、可視化的特點(diǎn)，在 PC構(gòu)件制作前利用 BIM 模型為數(shù)控機(jī)床、模具的建造提供構(gòu)件精確的定位信息，為裝配式構(gòu)件的精準(zhǔn)化建造提供了必要條件。

在構(gòu)件生產(chǎn)階段，每個(gè)構(gòu)件中都置入一個(gè)芯片，用專(zhuān)門(mén)研發(fā)的手持設(shè)備掃描構(gòu)件對(duì)應(yīng)的加工圖紙上的條形碼來(lái)識(shí)別構(gòu)件的唯一編碼，將該編碼寫(xiě)入芯片中，作為該構(gòu)件的物理識(shí)別芯片。每個(gè)構(gòu)件中都永遠(yuǎn)嵌入這樣一個(gè)標(biāo)識(shí)芯片，在構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸乃至吊裝的任何階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工人都會(huì)將每個(gè)構(gòu)件的即時(shí)狀態(tài)通過(guò)手持設(shè)備掃描芯片并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)，確保任何構(gòu)件的加工狀態(tài)、運(yùn)輸情況、吊裝狀態(tài)都是可監(jiān)控的。這樣，項(xiàng)目的相關(guān)方通過(guò) BIM 系統(tǒng)可以查看任何一個(gè) PC 構(gòu)件的生產(chǎn)及安裝進(jìn)度，結(jié)合生產(chǎn)與安裝計(jì)劃，進(jìn)行過(guò)程控制和教學(xué)展示。

2.5 施工階段

利用 BIM 軟件建模將預(yù)制構(gòu)件精確的排列在模型中，因?yàn)樵谀Ｐ椭蓄A(yù)制構(gòu)件的外形尺寸非常準(zhǔn)確，能快捷精確地提取到相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行材料用量、構(gòu)件統(tǒng)計(jì)、應(yīng)用比例的統(tǒng)計(jì)計(jì)算。這個(gè)階段，對(duì) BIM 的縱向協(xié)同與配合工作提出了更高的要求。首先設(shè)計(jì)階段的 BIM 模型，信息化的工作一定要到位，技術(shù)運(yùn)用 BIM 模型算量，可以快速計(jì)算出項(xiàng)目的工程清單量，并可以根據(jù)施工組織進(jìn)度編制材料需求計(jì)劃，項(xiàng)目預(yù)算與技術(shù)方案。

在綠色施工方面，利用設(shè)計(jì)時(shí)的 BIM 模型根據(jù)施工要求，再進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)不僅是建筑本體，而是為了在施工場(chǎng)地布置方面找出最優(yōu)的布局方案，進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)管理，提高場(chǎng)地利用效率，降低二次規(guī)劃的成本。在不同施工階段對(duì)場(chǎng)地布局進(jìn)行提前規(guī)劃和轉(zhuǎn)換；同時(shí)利用軟件統(tǒng)計(jì)功能，自動(dòng)生成臨時(shí)工程量，減少計(jì)算工作量。

2.6 運(yùn)維階段

從整個(gè)建筑全生命周期來(lái)看，相對(duì)于設(shè)計(jì)、施工階段的周期，運(yùn)維階段的周期往往是之前實(shí)踐周期的幾十倍到上百倍，且處理的數(shù)據(jù)量大且門(mén)類(lèi)廣，包含了從規(guī)劃勘察階段的地質(zhì)勘察報(bào)告、設(shè)計(jì)階段的各項(xiàng)圖紙、施工各工種的組織計(jì)劃、運(yùn)維各部門(mén)的保修單等多項(xiàng)內(nèi)容。如果沒(méi)有一個(gè)好的運(yùn)維管理平臺(tái)協(xié)調(diào)處理這些數(shù)據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的永久丟失；不能及時(shí)、方便、有效檢索到需要的信息；更不用提基于這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、分析決策，因此，作為建筑全生命周期中最長(zhǎng)的過(guò)程， BIM 在運(yùn)維階段的應(yīng)用重中之重 ，BIM 三維可視與信息化的結(jié)合是 BIM 技術(shù)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理的結(jié)合，對(duì)建筑的空間、設(shè)備資產(chǎn)等進(jìn)行科學(xué)管理，對(duì)可能發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。本項(xiàng)目利用 BIM 模型，在設(shè)計(jì)和施工階段已經(jīng)為后期建立基于BIM 的信息集成系統(tǒng)平臺(tái)做好鋪墊，將建筑、空間、設(shè)備、設(shè)施等信息實(shí)現(xiàn)高度集成共享，同時(shí)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，為項(xiàng)目投入運(yùn)營(yíng)后設(shè)備設(shè)施的管理與維護(hù)提供全面、高效的信息化管理平臺(tái)及技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)高度集成的數(shù)字化、信息化的管理模式。

3 BIM 與 VR 的教學(xué)展示應(yīng)用

基于 BIM 模型，用 VR 虛擬技術(shù)真實(shí)還原搭建的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，學(xué)生可以通過(guò) VR 設(shè)備進(jìn)行上機(jī)實(shí)訓(xùn)，這是項(xiàng)目建設(shè)服務(wù)本身的一種延伸。本項(xiàng)目本身的使用性質(zhì)就是教學(xué)示范與實(shí)訓(xùn)，這種用身邊真實(shí)項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)的模式，使設(shè)計(jì)師為后期教學(xué)提供素材，學(xué)校教師提前參與到項(xiàng)目中的探索模式屬于跨界的合作，屬于一種全新的嘗試。教學(xué)平臺(tái)根據(jù)實(shí)體實(shí)訓(xùn)基地的基建進(jìn)行仿真虛擬建設(shè)，系統(tǒng)將達(dá)到和實(shí)體實(shí)訓(xùn)基地環(huán)境、材料和裝飾裝修工藝完全還原的效果，實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和部件的完全仿真化和虛擬化。學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真的方式，對(duì)裝配式構(gòu)件的 BIM 模型顯示切換、間距數(shù)據(jù)測(cè)量、分析構(gòu)件及進(jìn)行調(diào)整，學(xué)習(xí)實(shí)體模型各個(gè)節(jié)點(diǎn)，一方面增加學(xué)習(xí)的趣味性，另一方面增強(qiáng)學(xué)生掌握知識(shí)的牢固程度，達(dá)到前所未有的體驗(yàn)感和學(xué)習(xí)效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究是基于建筑裝配式示范教學(xué)場(chǎng)景的BIM 技術(shù)全過(guò)程設(shè)計(jì)；是一次 BIM 技術(shù)的全面體驗(yàn)與展示；也是 BIM 設(shè)計(jì)工作與教學(xué)創(chuàng)新工作的首次跨界合作，為今后的相關(guān)案例提供了借鑒與參考，同時(shí)探索了BIM 技術(shù)在服務(wù)于工程項(xiàng)目與服務(wù)于人才培養(yǎng)的共贏模式。