BIM 正向設計在裝配式建筑設計中的應用探索

張淑雅 李 坤 (山東理工大學建筑工程學院 山東 淄博 255049)

引言

2020年6月,住房和城鄉建設部等13個部門聯合印發《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》,提出大力發展以建筑工業化為載體,以數字化、智能化升級為動力,形成涵蓋科研、設計、生產加工、施工裝配、運營等全產業鏈融合一體的智能建造產業體系,使中國邁入智能建造世界強國行列。在行業數字化轉型背景下,圍繞數字模型構建“平臺+工具+數據+模型”的新型生產管理模式成為建筑業的主流發展方向,BIM 正向設計即可推動這一新型模式的實現,打破傳統的2D-3D-2D的設計模式,提高設計和出圖效率。但目前BIM 正向設計應用并不廣泛,缺乏統一明確的標準及設計規范,缺少相關設計實踐經驗,在設計初期可能存在諸多問題,對后期的更改優化增加了難度,實現全專業協調設計較為困難。本文詳細探究BIM 正向設計在裝配式建筑設計過程中的應用特點,分析存在的問題,提出改進方法,以期BIM 正向設計成果延伸至施工、運營、維護、管理等全壽命周期。

1 BIM 正向設計概述

BIM 正向設計是指設計師將自己的設計思想優先呈現在三維模型之中,通過設置構件的參數信息來完成三維模型的建立,再由3D 模型輸出2D 圖紙。在設計過程中,設計師的部分工作量交給計算機的參數化功能來完成,使設計師全身心專注于建筑設計之中,當發現錯誤時,可直接進行三維模型的修改和完善,三維模型與二維圖紙聯動,可避免傳統二維設計圖紙重復修改帶來的不便。BIM 正向設計具有協同作業、計算和模型一體化、出圖自動化、設計信息參數化等特點,在設計階段,運用BIM 技術可以有效建立參數化的預制構件庫,標準預制件的設計完成后可以供設計人員重復利用,可大大加快設計流程。預制構件生產廠可根據設計成果進行規模化生產,對于有特殊形狀和功能的構件進行單獨生產,使標準化的生產更加符合多元化的設計。基于裝配式建筑設計“模數化”和“標準化”的核心思想和BIM 正向設計的特點,將BIM 正向設計應用在裝配式建筑中有極大優勢。在行業數字化轉型背景下,掌握BIM 正向設計能力,并具有圍繞大數據、物聯網、云計算等數字新技術的應用學習能力已成為建筑類專業人才順應社會發展的新要求。

2 BIM 正向設計在裝配式建筑設計中存在的主要問題

2.1 各專業協同設計難度大

由于裝配式建筑本身是集設計、生產、運輸、存放、吊裝、裝修與管理維護為一體的集成化建筑,在工程項目的全壽命周期都需要構件生產、建筑結構設計人員與安裝工程的相關者等各專業設計人員的溝通協調,共同配合完成整個工程項目的建設,但目前國內缺乏一個能涉及工程項目全壽命周期的BIM 裝配式一體化平臺,各專業協同設計難度大,沒有辦法實現一個模型做到底。國內BIM 技術應用大多僅停留在Revit建模階段,很難實現技術突破。此外,由于設計人員的專業性問題,各專業獨立設計,在設計初期可能存在諸多問題,對后期的更改優化增加了難度。

2.2 國內BIM 技術缺乏統一明確的設計規范和標準

目前,國內對于利用BIM 技術進行初步設計、方案設計、施工圖設計等缺乏相應的政策引導和技術支持,使設計工作難以順利開展;在輸出圖紙階段,目前的制圖標準和規范仍服務于傳統設計,由于BIM 設計的成果最終要達到交付的標準,但是采用BIM 平臺建立三維模型后導出的二維CAD圖紙并不規范,并不能達到施工圖紙交付的要求,需要后期對圖紙進行修改,但其工作量不亞于直接用CAD繪圖,并沒有很好地發揮BIM 正向設計的優勢。如果完全執行BIM 正向設計,審批部門審核的標準也應該以三維模型審核為主導,但目前國內在這方面的審核標準和BIM 審圖平臺還不夠成熟,這些局限性使BIM 正向設計難以推廣。

2.3 設計人員由2D轉化為3D設計思維模式困難

國內外傳統建筑行業的設計模式都是2D 設計形式,即結合建筑設計相關知識,根據二維平面與三維空間的聯系,設計師把自己的設計成果體現在二維圖紙上,經過不斷修改和完善形成設計施工說明、建筑和結構平面圖、立面圖、剖面圖、樓梯大樣圖和節點詳圖等施工圖圖紙。再根據需要利用Revit等建模工具生成三維可視化模型,進行設計的優化和完善,為后續的施工工作提供依據。而BIM 正向設計則要求設計人員打破思維定式,并且熟練掌握BIM建模軟件,直接將設計成果體現在三維可視化模型中。目前設計院也極少采用BIM 正向設計形式,即使進行BIM 正向設計,也很難提高設計的質量和效率。

3 BIM 正向設計一體化框架

基于BIM 實現正向設計一體化,結合模型庫、全專業集成、模塊化&參數化三個核心舉措,借用大數據、物聯網、云計算等,構建BIM 正向設計一體化平臺,實現數字化設計方式,優化設計流程,提高設計速度和質量。全專業集成即采用工作集的形式使結構、建筑、給排水、暖通、電氣全專業產業化協同設計,并可快速出圖加算量。模塊化即利用裝配式建筑PC構件的標準化特點和BIM 構件庫的模塊化設計相關聯,研發標準戶型模塊,即以房間為單位建立戶型模塊,再逐層拼裝,通常可適用于住宅建筑、工業廠房、學校或醫院等功能標準化的建筑,形成“少規格多組合”的模塊化,便于工廠標準化的生產和施工單位模塊化的施工。參數化即直接選取構件庫中已有的構件,直接修改構件的參數信息,例如對門窗、欄桿、家具,潔具等尺寸快速調整,快速達到設計師想要的參數效果。利用規模化效應,有效降低單個項目的設計時間,人力成本,及設計難度,并可同時提升設計質量,推動建筑行業高質量發展。

圖3.1-1 BIM 一體化設計構思圖

4 BIM 正向設計一體化在裝配式建筑中的應用

4.1 初步設計階段的深化設計

在初步設計階段,利用BIM 信息的可視化和協同性,及時有效地實現設計人員和業主以及預制構件生產廠之間的溝通配合,減少設計返工,使PC構件生產廠快速規模化生產。在設計過程中以BIM 模型為核心,進行專業內部與專業間的協同設計并進行建筑沖突檢測、規范檢查與質量分析,達到優化方案與綜合協調的目的。例如,深化設計人員用BIM 軟件對管線設計進行碰撞檢測,根據檢測結果,可預見管線布置是否合理,各構件間是否發生沖突,從而達到快速完善深化設計圖紙的效果。

4.2 施工圖設計階段的各專業協同設計

利用BIM 正向設計一體化平臺,可有效實現建筑、結構、設備施工圖的協同設計。在正式開展施工圖設計工作之前,各專業設計人員可預先根據建設單位的設計要求和建筑物的設計特點進行協調溝通,在設計協同點處,各專業達成一致,避免形成沖突,最終形成精確完整的三維信息模型。在施工圖設計階段,除常規施工圖設計內容外,各專業的內容都應該落實到裝配式設計內容中,與裝配式有關的外部單位,如門窗、幕墻、精裝也需進行集成設計,此階段需要完成平、立面拆分圖,詳細的預制率計算表格,典型構件制作、運輸、吊裝工況計算書及節點連接計算書等。

4.3 標準構件及構件拆分設計

裝配式建筑設計階段的關鍵就是實現預制構件的標準化設計,對構件的科學合理的拆分是實現預制構件標準化設計的核心環節。設計人員在綜合考慮模具加工、構件生產、運輸、吊裝的情況下,可運用BIM 正向設計一體化平臺的模型庫和參數化設置功能進行預制構件的標準化設計和合理的構件拆分設計,運用BIM 的三維可視化和信息化特點,使拆分后的構件進行合理的組裝,驗證拆分是否科學合理,從而進一步優化設計方案。對于有特殊功能或特殊形狀的PC構件,無法直接引用模型庫中的現有構件時,可自定義新建構件,設置好后可導入模型庫進行信息的存儲,方便后期重復使用,加快設計進度。利用BIM 技術對裝配式建筑開展多專業協同正向設計、參數化設計、預制構件三維可視化設計,較大程度提高裝配式建筑的設計精度。

4.4 裝配式建筑施工階段的虛擬吊裝

裝配式建筑具有設計、生產、施工集成化特點,其中任何一個環節出現失誤,都會導致項目的建設成本增加,工期延后,甚至可能造成設計返工,尤其在預制構件的吊裝階段,如果出現吊點位置不當或構件擺放位置不精確等問題,極易造成構件損壞。因此,在實際施工前,需利用BIM 正向設計一體化平臺進行虛擬吊裝,模擬模具的安裝和拆除,可預先發現錯誤并及時調整,實現標準構件的精細化吊裝,提高裝配質量,加快施工進度。

5 推進BIM 正向設計一體化發展

5.1 加強技術與平臺研發

政府鼓勵相關企業自主研發擁有自主知識產權的BIM 正向設計一體化平臺,重視云計算、互聯網、5G技術和人工智能的集成開發,加強數字化技術與BIM 軟件的深度融合,實現軟硬件協同發展,突破BIM 軟件技術瓶頸。相關BIM 軟件企業加強與高校和IT 行業的交流合作,組建既具有精確把握BIM 數字化建筑行業的需求趨勢,又能熟練掌握IT技術的專家團隊,以多源數據融合的技術積累為基礎,明確分階段發展模式。同時政府應結合當前智能化建筑行業的發展現狀,給予企業相應的減稅優惠政策,增加知識產權保護力度,創造良好的競爭環境。

5.2 完善BIM 正向設計標準體系

技術的發展和進步離不開政策引導,隨著BIM 技術的興起,近年來,國家出臺了一系列BIM 標準,涵蓋了BIM 技術在標準管理、設計、施工、應用、系統研發等方面的政策引領和技術指導。裝配式建筑物理模型的構建必須首先建立裝配式建筑的某些物理標準,以確保可以開展設計并添加核心概念,然后逐步建立裝配式建筑物的實際情況和實際特征,并對裝配式建筑物內部和外部進行多維分析,確保裝配式建筑物的合理性。為適應BIM 正向設計發展理念、推廣BIM 技術在裝配式建筑中正向設計的應用,我國應基于這七項BIM 標準,提出3D模型正向設計總體標準、模型構件庫應用指南、模型標準模塊化和參數化應用標準、協同管理平臺應用標準、模型成果輸出標準、模型智能審查驗收標準、計量計價標準等組成BIM 正向設計標準體系。相關企業應重視對BIM 宏觀政策、“BIM+”的研究,不斷探索適應BIM正向設計環境的平臺,工程項目的各相關者都應嚴格遵守BIM 標準體系。

5.3 加快復合型人才培養

國家、政府、企業應高度重視培養數字化智能化建筑行業的專業復合型人才,構建BIM 正向設計人才培養體系,培養出既具有專業正向設計能力,又能掌握BIM 數字化技術,使BIM 正向設計技術與裝配式建筑完美融合的創新型人才,推動智能建造高質量發展 政府加大對設計院的投入,營造良好氛圍,鼓勵設計院運用BIM 正向設計,從傳統的二維設計轉型到三維設計模式,打破各專業間、行業間的知識壁壘。企業加強與科研機構、高等院校的合作,持續引進和培養數字化高端跨界人才。

結語

值得關注的是,BIM 正向設計的重點還是在于“設計”,只是將設計BIM 化,讓建筑信息模型更好的服務于設計。在信息化集成的時代,BIM 正向設計已是大勢所趨,政府和企業應不斷探索BIM 發展的驅動力,將BIM正向設計應用到裝配式建筑項目中,實現全方位、全過程的信息化協同設計、可視化裝配,推進綠色裝配建筑步入新時代。