基于BIM 技術的裝配式建筑深化設計

李洪芳 宋 珺 殷 帥 常 帥 王梓健

裝配式建筑是一種建筑模式，是指將施工過程中使用的結構部件在工廠生產，生產完成后，將部件運送到施工現場進行組裝。這種模式有效提升了建筑的施工效率及施工質量，能夠有效緩解對環境帶來的污染。

裝配式建筑與傳統建筑相比多了深化設計的環節，在設計與生產之間具有起承轉合的作用。由于施工圖紙沒有相關構件的具體尺寸，無法為構件廠提供生產上的指導，所以需要對施工圖做進一步的深化設計，以達到相關要求[1]。

BIM 技術是一種先進技術，可以根據建設項目的相關數據創建三維模型，并通過數字信息模擬建筑物的真實數據。將BIM 技術運用到裝配式建筑的設計中，可以有效提升裝配式設計的精確度，方便工廠制作構件，減少材料浪費，提高生產效率。

1 項目概況

該項目坐落于南京市雨花臺區的偉思醫療總部研發經濟園，建筑面積約69140 m2，占地面積約24000 m2，建筑結構安全等級為二級，抗震設防烈度為7 度，建筑高度為20.90 m。項目預制構件包含疊合板、預制內墻、預制外墻及預制樓梯等。運用BIM 技術創建三維模型，本項目的三維實體模型圖如圖1 所示。在模型準確無誤的情況下，軟件會自動生成深化圖紙，如需對圖紙進行修改，可以直接修改BIM 模型，深化圖紙即可相應自動進行修改。

圖1 三維實體模型圖（來源：網絡）

2 傳統裝配式建筑深化設計存在的問題

2.1 標準化程度較低

傳統深化設計一般是在施工圖完成后再進行介入，導致相關建筑結構考慮不足，需要進行專業性的修改，無形中增加了工作量。

傳統設計人員對裝配式概念的理解不夠充分，沒有充分考慮裝配式構件的預制條件，造成預制構件的標準無法達到相關的要求，影響工廠的生產效率。

2.2 圖紙傳遞信息不清晰

運用計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）制圖，只能繪制普通的二維圖紙，需要閱讀圖紙的工作人員結合想象理解信息，在進行信息傳遞時，容易造成信息丟失或信息理解不暢，需要工作人員花費大量的時間對圖紙信息進行溝通，增加了參與方之間的溝通成本[2]。

2.3 易發現碰撞沖突

由于傳統方式的深化設計無法進行預制件與現澆構件的拼裝模擬，很多問題無法發現。經常出現當預制件進入吊裝拼裝環節才發現預制件與現澆部分出現問題，導致施工無法順利進行。

3 裝配式建筑BIM 標準制定

3.1 模型拆分原則

受計算機的性能限制，模型涵蓋的信息隨著層數的增加而遞減，最下層是包含大量信息的Revit 模型，總體模型為輕量化模型。模型生成的具體方式為：將土建模型與機電模型進行有效整合，導入預制構件數據，形成標準層Revit 模型。將標準層模型進行組裝，形成整樓總體Revit 模型。

3.2 模型深度規定

在工程的不同階段，對模型深度的需求存在差異，需要對模型深度進行積極調整，以滿足不同階段的使用需求。在裝配式建筑深化階段，需要綜合考慮建筑、結構等數據，所以模型深度要高于施工圖設計的模型深度，要實時反映施工的信息[3]。深化設計模型深度如表1 所示。

表1 深化設計模型深度

由于缺乏預制構件深化設計模型深度的依據，構件模型的深度已按照實際項目要求達成一致，如表2 所示。

表2 預構件深度

3.3 協同要點梳理

裝配式建筑的深化設計涉及多方協同設計。隨著信息的不斷輸入，可能會出現不同碰撞問題：第1，在角落或高度變化的區域組裝時，可能會出現預制構件拼接不協調。第2，預制構件中的埋入式結構構件會影響鋼筋的排列，需要調整鋼筋或埋入式結構構件的位置，防止發生碰撞。第3，完成預制構件的鋼筋排列后，在組裝過程中預制構件外伸鋼筋之間可能存在碰撞問題。

3.4 BIM深化設計出圖標準

在裝配式建筑深化設計中，預采購件的深化設計是圖紙的主要內容。預購部件的設計范圍相對較小，復雜度較低，相對容易達到國家標準。根據國家相關規定及要求，制定BIM 深化設計出圖示意圖，確保圖紙深度達到規定要求[4]。

以預制外墻板為例，每個構件需要3 張圖紙，分別為模板圖、配筋圖及保溫連接件圖。其中，模板圖主要包括預制件的尺寸、配件尺寸等信息，配筋圖主要包含預制構件結構配筋相關信息，保溫連接件圖主要包含預制墻板保溫連接件的尺寸信息。

4 BIM 技術在深化設計階段的具體應用

4.1 疊合板拆分和深化設計

疊合板可以分為現場澆筑預制部分和工廠預制部分，現場澆筑部分為70 mm，工廠預制部分為60 mm。根據板塊大小，重量在1.2 ～1.8 t。疊合板有單向板和雙向板。雙向板應分為多個單向板進行運輸，運輸到現場后，應進行澆筑連接，形成雙向板。

在現場施工過程中，首先需要確定后澆帶的寬度，尺寸較小的板可以不拆分，尺寸較大的板進行拆分時要以邊緣部分為主。根據相關要求對每塊疊合板進行編號。

4.2 疊合梁節點設計

裝配式建筑結構中，主次梁節點會直接影響結構的抗震性。根據行業相關規范要求，一級、二級、三級抗震等級的裝配式框架要進行梁柱節點核心區抗震受剪承載力驗算。

持久設計狀況下接縫受剪承載力設計值的表達式為：

式中：fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；Ac1為疊合梁端截面后澆混凝疊合層面積；Ak為各鍵槽的根部截面積之和，取后澆鍵槽根部截面與預制鍵槽根部截面計算的最小值；Asd為垂直穿過結合面所有鋼筋的面積，包含疊合層內的所有鋼筋；fy為普通鋼筋的抗拉強度設計值。

4.3 構件拆分

在裝配式建筑設計深化的過程中，需要將模型構件拆分成多個部件，進行細致的檢查及設計。根據功能及受力的不同，構件可以分為垂直構件、水平構件以及非受力構件。裝配式建筑設計的核心環節是對構件進行科學的拆分，構件拆分對建筑功能、主體結構受力及工程造價等方面具有重大的影響[5]。

在實際設計過程中，要對每個預制構件的尺寸和分區位置進行優化設計，以獲得最佳施工方案。按照工程結構的特點以及甲方的要求，使用BIM 技術制作拆分設計圖紙，構件拆分流程如圖2 所示。

圖2 構件拆分流程（來源：網絡）

4.4 節點深化設計

預制混凝土結構的性能取決于鋼筋混凝土柱與梁之間連接的強度，如果堅固性較好，建筑整體的結構質量就會較高。在深化節點時，要確保結構節點的安全，將節點的計算分析與實際約束相匹配，并考慮節點的功能性要求。

4.5 碰撞檢查

使用BIM 技術對裝配式建筑的三維實體模型進行碰撞分析，分析過程中軟件會自動標記碰撞點。經過逐個調試后，碰撞點的問題得以解決。對于結構較為復雜的裝配式建筑，使用BIM 技術進行碰撞檢查具有重要的意義，在碰撞檢查的過程中可以發現初始設計中存在的問題。

5 對比分析

對該項目進行研究后發現，由于建筑規模較大，如果使用常規的現場混凝土澆筑方法進行施工，將增加工程成本，并導致工期延誤。因此，在與建筑商共同研究后，決定在設計階段使用預制結構來設計建筑梁，以降低成本。在設計中，疊合板與剪力墻一起使用后澆帶的形式澆筑成整體，充分利用了疊合板的性能。

將工程數據導入Revit 模型，使用YJK 計算軟件進行計算，對主體建筑結構的恒載和活載進行定義，根據設計質量要求確定相關參數。使用電氣計算軟件YJK 對建筑物上部結構進行彈性分析，控制碰撞過程中可能發生的位移和變形角度。

在明確比對標準后，對建筑結構進行三維檢查，將設計結果導入GSRevit 工具，并提供相關信息，以便對結果進行可視化驗證。在驗證過程中，在“檢查區域”對話框中輸入檢測的內容，并在建筑結構中選擇碰撞檢查區域。當該區域發生碰撞時，將出現一個“紅色”標記點。當該區域沒有碰撞時，將出現一個“綠色”標記點。

整個項目采用傳統的設計方法，并遵循與上述相同的步驟。與傳統方法相比，碰撞檢測區域是從該方法的設計結果中隨機選擇，并對不同區域中不同顏色的標記點進行統計分析。裝配式建筑結構碰撞測試結果如表3所示。由表3 可以得出，利用BIM 技術設計的裝配式建筑結構，在進行碰撞點個數測試時，只有1 處存在碰撞點。而使用傳統方法設計的裝配式建筑結構，在進行碰撞點個數測試時，幾乎每處都存在碰撞點。

表3 裝配式建筑結構碰撞測試結果

運用BIM 技術進行裝配式建筑深化設計所產生的碰撞點，可以在BIM空間模型中直接手動更改；而利用傳統方法設計的建筑結構內存在很多碰撞點，需要設計人員重新對圖紙進行設計及優化。

6 結語

裝配式建筑模式逐漸成為工程項目建設的主流模式，BIM 技術在裝配式建筑深化設計中的運用具有重要的意義。通過BIM 技術模擬建筑結構情況，能夠使設計人員充分了解整個建筑的結構情況，有效提升裝配式建筑的質量及水平。