基于BIM 的裝配式建筑深化設計與應用分析

吳京戎，陳 菁

（1.湖北工業大學 土木建筑與環境學院，武漢 430068；2.湖北工業大學工程技術學院，武漢 430068）

隨著建筑市場的日益完善、人力市場的調整，裝配式建筑與傳統建筑模式的區別日趨增大，其設計方面的因素不僅包括工地，還涉及到工廠化設計。正是這許多相關因素的存在，使得如何有效解決在裝配式建筑設計流程中工作效率低等問題成為研究的一個重點。

近年來，許多專家學者進行了大量研究，如段羽等[1]在裝配式建筑中挖掘BIM 技術的應用價值，歸納了不同專業與不同建造過程的BIM 協同設計在裝配式建筑中的應用流程，從本質上分析了裝配式建筑“設計—加工—裝配”過程的BIM 協同應用問題及對策；吳金虎等[2]從設計、生產、施工及建設四大工程建設主體單位的角度展開論述，從裝配整體式混凝土在建筑設計階段所產生的BIM 技術相關問題展開研究，提出了BIM 技術在設計階段的應用流程與核心應用點，然后通過具體裝配式項目展示了部分核心應用點的具體應用及其價值；縱斌[3]認為除了現行標準和規范中對設計細則的要求不夠完善，施工單位實踐經驗不足、預制構件加工精度欠缺等原因外，設計和深化設計是否合理也會造成非常重要的影響。王正凱[4]圍繞解決裝配式建筑構件深化，結合BIM-PKPM 平臺對于裝配式PC構件的分析，提出了疊合板和預制墻的自動配筋的設計方案，完成了BIM-PKPM 平臺裝配式PC 構件的工況驗算流程及深化設計的數據研究。于超[5]以預制裝配式住宅為研究對象，在其設計和施工過程中引入BIM技術，通過探討BIM 在預制裝配式住宅設計施工全流程中的應用，結合具體實例揭示了其為建筑行業帶來的數字化設計思維。任志平等[6]通過對裝配式疊合梁及疊合板進行了深化設計，縮短了工期，確保了施工質量。張賽[7]依據裝配式結構體系選型及不同結構進行了科學拆分，在利用BIM 技術的模型計算和優化設計對其結構進行參數復核，確保結構滿足現行裝配式建筑結構規范，總結裝配式建筑各個部分的設計要點和具體的操作流程。總之，眾多學者從不同維度對裝配式建筑做了相關的探討與研究，目前針對裝配式建筑深化設計中流程的優化操作研究較少。隨著對裝配式建筑研究的逐漸深入，使得深化設計有了更多的解決方案。

文章結合實際項目工程，從優化設計角度在技術層面上提出裝配式建筑深化流程。結合BIM 技術在工程中的相關應用，通過初步的二維圖紙信息及工程數據的有效利用，在BIM 綜合系統上實施動態模擬，將碰撞模型后的結果進行比對分析，調整初步設計的協調性，提高設計的精準度，從而達到建筑深化設計準確指導后續項目工作的目的。

1 BIM 技術的應用

1.1 總體流程

根據設計圖紙創建BIM 模型，以解決設計問題。待所有設計問題解決后創建BIM 模型，利用BIM 過程模型的數據信息功能和可視化顯示，與制造和施工人員討論具體項目前期工作的實施并完成最終模型。

基于專業的BIM 相關軟件，可以按圖1 所示的程序執行驗證和解決沖突。在所有部件和相關隱藏位置發生沖突之后，必須對業務沖突執行控制及糾正，整合專業模型形成完整的BIM 模型。調查和處理校際碰撞的同時，BIM 三維模型在建設過程中，專家可以有效地找到設計中的不合理。例如，結構防火門方向不正確，子結構高于上柱部分，次梁部分大于主梁部分。

圖1 設計流程圖

1.2 深化階段裝配式構件設計

1）預制建筑結構的部件在本結構系統中是分開的，主要類型的結構分為垂直剪力墻結構系統和垂直承重砌體結構。對于組裝的墻壁和樓板，必須加深墻壁以完成房間之間的連接。關于部件組裝分區，BIM 技術可以通過創建部件系列庫項目來補充部件分區和詳細的結構管理。創建部件的“族”，部件由BIM 軟件參數化，并且不兼容的部件要及時調整。BIM 軟件通過裝配來組裝模型的“族”，以便檢測部件之間的碰撞。

2）深化設計的部件主要依賴于建筑物前期結構的劃分結果，例如，部件尺寸的優化，信息優化的控制等，工作量很大，有必要加強部件不同方面之間的碰撞等。在這個階段，建筑部件的優化設計可以實現部件相應程度的增強，由于建筑結構產生大量薄部件，BIM 技術結合了精細部件，減少了傳統的手動識別并優化了某些操作錯誤。

3）裝配式建筑的碰撞檢測通常運用BIM 技術進行裝配式建筑設計成果的碰撞檢測，主要可以通過如下2 部分構成。

第一部分主要是檢查部件設計中是否存在碰撞問題。例如，當將絕緣板組裝到模板的中心部分，連接套管和剪力墻絕緣系統，凹槽和其他連接壁、柱、梁和層壓板時如何檢測部件，檢測過程中是否存在碰撞問題，部件之間的管道連接是否存在任何不一致，以及制造的建筑物外部裝飾部件的密封是否符合要求和規格。

第二部分制造部件的隱藏部分，例如在連接的拉桿和整體部件之間的碰撞問題及加強桿和整體部件之間的問題的情況下，需要調整水平桿與垂直桿之間的碰撞，并根據測試結果調整桿和元件的整體部分的確認配置。使用BIM 技術構建的模型可用于改進設計和檢查，最終建筑設計模型可直接從碰撞測試模型中導出。最終設計結果包括部件詳細信息尺寸、集成部件位置、工程材料清單和3D 圖紙等。

2 BIM 技術在工程的應用

2.1 工程概況

該工程位于武漢東西湖區，是武漢市第一個裝配式商品樓盤，項目占地4 hm2，總建筑面積126 700.3 m2，商業6 921 m2，住宅89 381.3 m2；地下室采用雙層框架剪力墻結構，住宅4 棟（其中15 號樓地上27 層，16、19 號樓地上32 層，17 號樓地上33 層）。

2.2 BIM 技術分析實際問題

通過應用BIM 組裝預制外墻板，發現干掛接頭連接器與梯柱碰撞。若設計階段沒有提前找到解決該碰撞問題的方案，則現場吊裝時應該采取鉆孔、固定肋條、約束和模具支撐等措施，對梯柱需重新植筋、綁扎、支模和澆筑混凝土。這些二次加工不僅會增加工程成本，還會影響項目的質量和美觀。

得益于BIM 技術，在設計階段提前闡明了管道碰撞問題，優化了管道配置，無須返工，縮短工期。在懸架面板底部遇到的問題中，外掛墻板下部干掛節點的整體垂直位置是錯誤的。若在設計階段未發現，按錯誤深化圖紙進行加工生產，則施工時所有墻板均無法正常安裝。對于部件制造項目，預制梁的肋條和預制板坯的底部被拉伸，這些問題不能在設計階段發生，會造成直接的經濟損失。

2.3 碰撞綜合優化

進行土建專業的碰撞檢測時利用BIM 專業軟件，對比發現圖紙中是否存在穿梁或柱豎向標高雜亂無章現象。一旦發現問題，凈高要求必須重新編排，同時對柱標高進行二次優化調整，使其避開與梁及墻體的碰撞；將柱底標高設置于同一水平面上，方便將來的管道施工，同時達到降低費用和增加美感的目的（圖2）。

圖2 土建部分沖突報告

3 裝配式結構整體設計

在整個設計過程中，BIM 深化設計作為結構設計中的一個組成部分，對于項目的整體完成非常重要。由于原始結構系統設計過程中出現的各種預制件出錯及精度問題，很難滿足現代制造結構的工業化生產需求。因此，科學地轉換結構設計思想，分解使用BIM 技術制造的部件及組合操作可以有效地減少不規則組件類型和規格，促進裝配式建筑的自動化。

在預制施工過程中，BIM 技術自動化的應用點主要有以下幾個方面：①BIM 技術優勢；②BIM 組合工藝基礎技術流程；③裝配式建筑管理流程；④BIM 技術應該解決這個問題。此外，分解制造工藝過程中，BIM 技術包括3 個主要階段。第一階段理論建模，主要包括繪圖建模階段，第二階段是結合3D 技術的實際建模階段以確定實際和理論之間的差異，并進行調整。 第三是模擬安裝階段，進行預制建筑物的安裝工作，以便進一步開展工作。

4 在深化階段應解決裝配式建筑的問題

4.1 現實情況和模型情況不一致

由于土建過程中的各種因素，理論模型與實際建筑的差異經常導致現場的實際情況不能與模型一致。三維可視化可以反映模型中的實際情況，使現場的實際施工條件都反映在模型中（圖3—4）[8-10]。

圖3 BIM 模型圖

圖4 構件單件圖

4.2 管線設計的問題

在傳統管線設計過程中，專家單獨設計各個部件及專業性的管線設計并進行完整測試及優化。使用BIM 技術深化設計，包括深化建筑圖紙和機電工程結構的關鍵部分[11]。通過三維剖面、模型演示與業主進行溝通，有效地改進建筑圖紙，以進一步提高效率。這得益于BIM 技術的三維可視化功能，可以從中合理分配維護空間，并可以更好地解決后續維護的空間問題，同時檢查管線的碰撞情況，如圖5 所示。

圖5 管線可視化碰撞檢查

4.3 預留洞口等問題

在施工之前預留二次砌體墻管線洞口。根據施工圖中各個管道的位置，水管穿過墻壁，用于顯示電氣管道的位置，如圖6 所示。

圖6 局部電氣管道布置圖

利用BIM 可視化技術，查看下一個預留孔用于二次砌體中會產生什么問題。同時，根據BIM 模型中孔的位置，由設計單位在設備區墻上發布孔圖案并創建背景。另外，根據預留孔的圖，計算墻面覆蓋物的數量和尺寸，對墻面覆蓋物進行預處理，并且墻面覆蓋物位于相應的位置以完成預留涂層的建立。

5 結束語

在裝配式建筑工程的設計階段中，應用BIM 技術進行深化設計，及時發現問題，優化工作效率，提高裝配式建筑管理的工作品質，從而達到降低預制構件返工率、縮減工期與成本、提升工程品質的目的。以預制裝配式住宅為研究對象，在其設計和施工過程中引入BIM 技術，通過結合實例探討BIM 技術在預制裝配式住宅深化設計整個流程中的應用，其為建筑行業帶來更加規范化、智能化的技術規程，為實現綠色建筑的發展提供更好的鋪墊。