基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)方法研究

覃 波

（中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430071）

裝配式建筑是我國(guó)建筑領(lǐng)域與相關(guān)行業(yè)的關(guān)注與研究重點(diǎn)，相比常規(guī)的磚混類建筑，此類建筑具有施工過程中污染程度小、建筑垃圾少、人工作業(yè)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化等優(yōu)勢(shì)[1]。但限制裝配式建筑在市場(chǎng)內(nèi)推廣使用的主要原因是此類建筑的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較少，即設(shè)計(jì)的成果經(jīng)常在現(xiàn)場(chǎng)裝配施工時(shí)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)碰撞的問題，此種問題不僅對(duì)建筑整體設(shè)計(jì)質(zhì)量造成影響，還會(huì)對(duì)工程的后續(xù)裝配施工造成干預(yù)[2]。因此，有必要在現(xiàn)有工作技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合信息化技術(shù)，進(jìn)行裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全面深化。

1 裝配式建筑工程概況

以某建筑工程項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)基于BIM技術(shù)建筑設(shè)計(jì)方案，根據(jù)與工程方的交涉與對(duì)接，現(xiàn)已知此項(xiàng)目在地區(qū)編號(hào)HD-05-03-01A地塊開發(fā)，該項(xiàng)目的預(yù)期建設(shè)用地面積為52361.23m2，共由地上建筑與地下建筑構(gòu)成，其中地上建筑包括：排屋建筑、中層建筑、高層建筑、配套設(shè)施建筑等，結(jié)合項(xiàng)目業(yè)主方的要求，其中1#～7#中高層建筑按照裝配式建筑形式開發(fā)[3]。獲取1#～7#中高層建筑設(shè)計(jì)信息，見表1。

表1 1#～7#中高層建筑設(shè)計(jì)信息

在此基礎(chǔ)上，對(duì)建筑工程在設(shè)計(jì)中的要求進(jìn)行分析?？紤]到此建筑工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，因此，在設(shè)計(jì)中需要遵循結(jié)構(gòu)層次性、美觀性、環(huán)保性以及節(jié)約性原則[4]。其中結(jié)構(gòu)層次性設(shè)計(jì)原則主要體現(xiàn)在建筑工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的整體層面，即工作人員在設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)時(shí)，需要綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)類型，提高對(duì)細(xì)節(jié)的重視程度，保障項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的整體建設(shè)效果，充分體現(xiàn)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性能，使工程的實(shí)用價(jià)值發(fā)揮到極致。同時(shí)，要以客戶或業(yè)主的審美需求與功能需求為主要出發(fā)點(diǎn)，在建筑結(jié)構(gòu)的調(diào)配與控制方面，充分利用建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間與外部空間，突出建筑空間結(jié)構(gòu)的層次性。

2 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)方法

2.1 建立裝配式預(yù)制構(gòu)件BIM模型

在設(shè)計(jì)裝配式建筑時(shí)，利用BIM軟件具備的參數(shù)化模型處理能力優(yōu)勢(shì)，首先建立一個(gè)虛擬的裝配式預(yù)制構(gòu)件BIM模型。將模型作為設(shè)計(jì)環(huán)境和條件，開展后續(xù)詳細(xì)的設(shè)計(jì)研究[5]。將裝配式建筑圖集作為參考依據(jù)，將其相關(guān)資料數(shù)據(jù)導(dǎo)入到BIM模型當(dāng)中。在BIM當(dāng)中的所有模型都需要按照統(tǒng)一和合乎邏輯的方式命名，從而方便在構(gòu)件庫(kù)當(dāng)中對(duì)所需構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢索[6]。以上述裝配式建筑工程中的預(yù)制混凝土外墻板構(gòu)件為例，其命名可按照?qǐng)D1所示內(nèi)容完成。

圖1中I表示為外墻高窗臺(tái)；II表示為標(biāo)志寬度；III表示為樓層高度；IV表示為窗戶寬度；V表示為窗戶高度。在完成對(duì)各個(gè)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的命名后，對(duì)裝配式建筑各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)及建模。仍然以上述裝配式建筑為例，針對(duì)其預(yù)制外墻結(jié)構(gòu)，在BIM軟件當(dāng)中確定各個(gè)參數(shù)/屬性數(shù)值，如表2所示。

圖1 裝配式預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)命名示意圖

表2 裝配式建筑預(yù)制外墻結(jié)構(gòu)參數(shù)/屬性及對(duì)應(yīng)數(shù)值定義

在上述數(shù)值及定義基礎(chǔ)上，按照構(gòu)架模型——空間模型——樓層模型——完整模型的順序，完成對(duì)整個(gè)裝配式建筑BIM模型的設(shè)計(jì)。同時(shí)，在BIM模型當(dāng)中，各個(gè)預(yù)制構(gòu)件可以重復(fù)利用，在日后針對(duì)相似裝配式建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，仍可選用符合建筑要求的構(gòu)件，將其直接導(dǎo)入到新的BIM模型當(dāng)中。

2.2 確定裝配式建筑PC結(jié)構(gòu)

在完成對(duì)裝配式預(yù)制構(gòu)件整體BIM模型的建立后，為進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)后得到的建筑適用性，確保設(shè)計(jì)結(jié)果能夠在正式投入中具備可行性，在結(jié)合業(yè)主方提出的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求下，對(duì)裝配式建筑PC結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)[7]。這一過程主要在Autodesk Revit軟件工具當(dāng)中完成，按照業(yè)主方提出的需求條件，針對(duì)不同構(gòu)件的尺寸、形狀、材質(zhì)等進(jìn)行定義，并且在該軟件工具當(dāng)中完成對(duì)裝配式建筑內(nèi)建族、可編輯族、可載入族的建立，并將其作用到不同的位置結(jié)構(gòu)上。在這過程中，通過移動(dòng)終端設(shè)備，對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)信息進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑空間的重復(fù)使用[8]。除此之外，將PC技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)終端軟件當(dāng)中，以此使不同空間相互之間具備更好的匹配度優(yōu)勢(shì)，使最終設(shè)計(jì)成果能夠在PC終端顯示。

2.3 建立裝配式建筑構(gòu)件族

根據(jù)上述論述內(nèi)容，在完成對(duì)裝配式建筑PC結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)后，還需要完成對(duì)裝配式建筑構(gòu)件族的建立。裝配式建筑構(gòu)件族基本架構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝配式建筑構(gòu)件族基本架構(gòu)示意圖

在終端上，每個(gè)構(gòu)件族文件都是獨(dú)立的，這就確保了編輯內(nèi)容能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)利用。將REX可伸縮編輯器安裝到設(shè)計(jì)終端，使用Revit工具提取建筑構(gòu)件，根據(jù)計(jì)算公式確定具體的結(jié)構(gòu)尺寸，將其放到PC機(jī)上，以驗(yàn)證其與預(yù)制裝配式建筑的設(shè)計(jì)需求是否相符。

在檢測(cè)到詳細(xì)結(jié)構(gòu)后，將模板插入到對(duì)應(yīng)的家族檔案中，使其規(guī)范化，以rft格式顯示在終端上，并建立模組的數(shù)字模型，這樣就可以在PC終端上整合一個(gè)模塊。將此文件保存成rfa格式，并在后期的設(shè)計(jì)中使用抽取或調(diào)用文件對(duì)其進(jìn)行修改，使其符合建筑的具體需求。

2.4 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑模擬施工

在完成對(duì)裝配式建筑構(gòu)件族的建立后，再應(yīng)用BIM技術(shù)，基于其對(duì)建筑外觀及結(jié)構(gòu)以三維方式呈現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)裝配式建筑進(jìn)行模擬施工，以此初步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，同時(shí)也能夠在這一過程中找出設(shè)計(jì)方案存在的不足。應(yīng)用Revit軟件建立了工程結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行工程模擬。對(duì)項(xiàng)目的細(xì)節(jié)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，著重解決施工中的難點(diǎn)，強(qiáng)化項(xiàng)目施工的精細(xì)化管理，對(duì)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)，避免出現(xiàn)問題。BIM技術(shù)在施工中的運(yùn)用，可以有效地解決工程中的技術(shù)問題，從宏觀上調(diào)整施工方向，加快施工速度，強(qiáng)化各個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)，根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行優(yōu)化管理，保證工程的實(shí)際施工質(zhì)量。同時(shí)，通過上述基于BIM技術(shù)的裝配式建筑模擬施工，能極大程度上減少深化設(shè)計(jì)的誤差，并為設(shè)計(jì)的各個(gè)階段提供信息共享功能。

3 設(shè)計(jì)效果分析

遵循相關(guān)原則，結(jié)合本文提出的方法，對(duì)該建筑項(xiàng)目進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中，將與此項(xiàng)目相關(guān)的參數(shù)與構(gòu)件信息錄入建筑結(jié)構(gòu)信息模型中，通過對(duì)建筑CAD圖紙的導(dǎo)入及其與建筑信息模型的適配，構(gòu)建一個(gè)針對(duì)此建筑的初步裝配式結(jié)構(gòu)模型。

根據(jù)初步結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行裝配式建筑的模數(shù)化設(shè)計(jì)、重復(fù)單元的校準(zhǔn)、建筑中不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整與空間布局的設(shè)計(jì)等。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)建筑門窗表、單元面積統(tǒng)計(jì)表、墻體工程量統(tǒng)計(jì)表，將數(shù)據(jù)填充到表格中，生成基于BIM的模型清單列表。

使用BIM可視化界面中的3D渲染工具，布置針對(duì)此建筑的鳥瞰圖、人視圖、室內(nèi)圖，通過此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑整體設(shè)計(jì)內(nèi)容的渲染與優(yōu)化。為確保建筑結(jié)構(gòu)的可靠性，將建筑模型與結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行集成，將其錄入標(biāo)準(zhǔn)模型中，生成BIMC超級(jí)建筑模型。至此完成對(duì)此建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

以6#建筑為例，對(duì)設(shè)計(jì)后建筑結(jié)構(gòu)不同層中的管線碰撞作為測(cè)試指標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行評(píng)估。碰撞統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 6#建筑不同層碰撞次數(shù)

由表3可知，設(shè)計(jì)的裝配式圖紙只有在14層發(fā)生了一次碰撞，其他結(jié)構(gòu)層均未發(fā)生節(jié)點(diǎn)碰撞問題。對(duì)14層建筑管線進(jìn)行綜合調(diào)整，調(diào)整后按照上述方式，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的二次檢查，檢查后各個(gè)層數(shù)之間的節(jié)點(diǎn)碰撞數(shù)量為0。

在此基礎(chǔ)上，隨機(jī)1#～7#建筑中結(jié)構(gòu)層，按照下述計(jì)算公式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)層抗壓承載力的計(jì)算。

式中N-代表結(jié)構(gòu)層抗壓承載力；f-代表結(jié)構(gòu)層抗壓承載設(shè)計(jì)值，B-代表建筑核心結(jié)構(gòu)；s-代表核心結(jié)構(gòu)受壓面積。

按照上述方式，計(jì)算1#～7#建筑中結(jié)構(gòu)層的抗壓承載力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 1#～7#建筑中結(jié)構(gòu)層的抗壓承載力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)層抗壓承載力符合要求，說明本文提出的建筑設(shè)計(jì)方法可行。

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究根據(jù)建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)與未來發(fā)展要求，提出一種全新的建筑設(shè)計(jì)方法，此次設(shè)計(jì)的成果不僅可以為裝配式建筑在市場(chǎng)內(nèi)的推廣提供進(jìn)一步的指導(dǎo)，還可以助力產(chǎn)業(yè)鏈的完善與優(yōu)化。在后續(xù)的工作中，將持續(xù)加大對(duì)裝配式建筑在設(shè)計(jì)中的投入，根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，拓寬裝配式建筑的認(rèn)證內(nèi)容，深化建筑行業(yè)在市場(chǎng)內(nèi)的發(fā)展，通過對(duì)建筑的精細(xì)化設(shè)計(jì)與管理，保證建筑質(zhì)量的提升，實(shí)現(xiàn)建筑施工的低碳化。