BIM技術(shù)在裝配式建筑初步設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李怡憬

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

BIM技術(shù)是目前在建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程最有價(jià)值的管理工具之一，現(xiàn)已在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，技術(shù)手段相對(duì)成熟。BIM技術(shù)的出現(xiàn)也是建筑行業(yè)發(fā)展的巨大改革，是信息化建筑、綠色環(huán)保施工、科學(xué)穩(wěn)定設(shè)計(jì)等理念的有效表現(xiàn)，在工作流程和表現(xiàn)方式方面都得到了質(zhì)的改變。同時(shí)，工業(yè)化是建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展等目標(biāo)的必然途徑。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，裝配式建筑成為了建筑工業(yè)化發(fā)展的中堅(jiān)力量。但裝配式建筑通常規(guī)模比較大、涉及構(gòu)件種類(lèi)多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這無(wú)形中增大了裝配式建筑設(shè)計(jì)、施工及管理等方面的難度及壓力。通過(guò)BIM技術(shù)的合理運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)協(xié)作管理、專(zhuān)業(yè)化同步設(shè)計(jì)、全建筑信息整合和全工程工期管控的目的，并且可以實(shí)現(xiàn)裝配式工程各施工流程管理的智能技術(shù)支持。鑒于此，文章結(jié)合實(shí)例針對(duì)BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用展開(kāi)研究，對(duì)推動(dòng)建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、信息化發(fā)展有著良好的現(xiàn)實(shí)意義。

1 BIM技術(shù)在裝配式建筑初步設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化

在裝配式預(yù)制構(gòu)件工廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中，要保證所有構(gòu)件模數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化的基本原則，實(shí)現(xiàn)建筑、部品、構(gòu)件的統(tǒng)一化標(biāo)準(zhǔn)。只有規(guī)范化的建筑構(gòu)件建模設(shè)計(jì)，才是確保預(yù)制構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)精準(zhǔn)裝配的必要條件。采用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)模型，可以實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件的形狀、管線(xiàn)、位置、裝配等元素的三維空間展示，并可以進(jìn)行信息標(biāo)注。相比傳統(tǒng)二維建筑設(shè)計(jì)手段，BIM三維建模更加全面、準(zhǔn)確和直觀(guān)。另外，BIM技術(shù)應(yīng)用到裝配式建筑設(shè)計(jì)階段中，可以實(shí)現(xiàn)建筑模型的信息化管理，工廠(chǎng)制造預(yù)制構(gòu)件參數(shù)和外形特征之間的聯(lián)系可以有效體現(xiàn)，預(yù)制構(gòu)件同時(shí)保存幾何和非幾何信息，并按照各建筑特征之間的關(guān)系構(gòu)成組織關(guān)系。

1.2 實(shí)現(xiàn)模型節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化設(shè)計(jì)

BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑中，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙和建筑模型的同步修改，避免人工修改易造成的遺漏和誤差問(wèn)題出現(xiàn)。相比傳統(tǒng)裝配式建筑設(shè)計(jì)手段，BIM技術(shù)的三維設(shè)計(jì)手段可以直觀(guān)了解建筑工程的全部信息，實(shí)現(xiàn)便捷影像、便捷坡面圖設(shè)計(jì)等操作，實(shí)現(xiàn)各設(shè)計(jì)流程模型階段的精細(xì)化管理。另外，BIM技術(shù)應(yīng)用建筑模型設(shè)計(jì)時(shí)，源自統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的模型、視圖、列表能實(shí)現(xiàn)相互聯(lián)動(dòng)，提升設(shè)計(jì)人員的工作效率和工作質(zhì)量，并大大增加了后續(xù)校對(duì)人員的審核效率。

1.3 實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)的協(xié)同化設(shè)計(jì)

BIM技術(shù)的有效運(yùn)用，能實(shí)現(xiàn)裝配式建筑各專(zhuān)業(yè)的協(xié)同化設(shè)計(jì)，以三維制圖手段進(jìn)行的多專(zhuān)業(yè)、多維度建筑模型設(shè)計(jì)，其可以直觀(guān)且多面的展示裝配式構(gòu)件之間的關(guān)系，對(duì)專(zhuān)業(yè)交圈暴露問(wèn)題也可以完美規(guī)避，并利用模擬軟件實(shí)現(xiàn)BIM模型的分析、優(yōu)化。在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，扁平化和離散化是傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)手段難以解決的劣勢(shì)，對(duì)建筑各預(yù)構(gòu)件信息的表述和傳達(dá)不夠準(zhǔn)確，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的重復(fù)表述，不夠細(xì)致，不能對(duì)后續(xù)建筑圖形的設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。而B(niǎo)IM技術(shù)的出現(xiàn)正是解決上述問(wèn)題的手段，可以創(chuàng)建完善且多樣的數(shù)據(jù)信息庫(kù)，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)階段的各流程、各模型、各構(gòu)件之間的信息，并且設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作時(shí)隨時(shí)調(diào)取。

2 工程概況

某建設(shè)項(xiàng)目一共6棟多層建筑，建筑高度為15.72 m，建筑框架結(jié)構(gòu)采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)，抗震要求二級(jí)以上；結(jié)構(gòu)柱采用鋼管加內(nèi)灌混凝土組合柱，鋼管要求強(qiáng)度達(dá)到Q345B標(biāo)準(zhǔn)，混凝土使用C40混凝土；結(jié)構(gòu)梁采用高頻焊接窄翼緣H型鋼梁，鋼梁強(qiáng)度達(dá)到Q345B標(biāo)準(zhǔn)。如表1所示，為該建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表。

表1 建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

2.1.1 純鋼框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)通常僅由梁柱構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢(shì)是可以在建筑結(jié)構(gòu)空間上實(shí)現(xiàn)靈活布置，施工相對(duì)簡(jiǎn)單，并可以最大程度地優(yōu)化建筑使用面積，針對(duì)建筑的使用特點(diǎn)，純鋼框架結(jié)構(gòu)體系可以滿(mǎn)足。純鋼框架結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑空間的合理化布置，并可最大化地提高房間空間的使用空間及凈空率。

2.1.2 鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系

鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系也是一種多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中常用的結(jié)構(gòu)形式，其是以鋼框架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在部分框架柱之間布置支撐來(lái)提高整個(gè)建筑工程的承載能力及側(cè)向載荷。由于鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系柱、梁之間可以設(shè)計(jì)較大距離，同樣具有最大程度的優(yōu)化建筑使用面積特點(diǎn)。但相比純鋼框架體系，承載抗剪切側(cè)彎能力非常有限，并且鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系對(duì)有特殊要求的建筑物不能滿(mǎn)足，比如，建筑物需要良好的光照要求和室內(nèi)保溫要求，所以該建筑結(jié)構(gòu)體系并不滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。

2.2 基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)

該鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑設(shè)計(jì)基本流程為：模塊設(shè)計(jì)→預(yù)構(gòu)件裝配→統(tǒng)計(jì)工作量→輸出施工圖，設(shè)計(jì)人員需要圍繞該流程進(jìn)行細(xì)致化的優(yōu)化和修改。

基于BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，建筑模塊設(shè)計(jì)和修改的便捷性將會(huì)有很大提升，數(shù)據(jù)的信息整合、運(yùn)算和圖紙的調(diào)整更加方便，對(duì)設(shè)計(jì)人員的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑方案工作也有很大推進(jìn)作用。在設(shè)計(jì)人員進(jìn)行建筑模塊設(shè)計(jì)時(shí)，首先要指定完善的模塊族建模優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，其中包括模塊族的實(shí)際運(yùn)用手段，然后利用設(shè)計(jì)模塊和模塊組合來(lái)構(gòu)建建筑的平面樓層，通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息表可知建筑中各平面樓層建筑面積信息和建筑結(jié)構(gòu)大致運(yùn)算指標(biāo)情況。根據(jù)建筑相關(guān)要求和利用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)出的建筑模型信息進(jìn)行數(shù)據(jù)核對(duì)，可以獲得一個(gè)科學(xué)、穩(wěn)定的建筑結(jié)構(gòu)。另外，為滿(mǎn)足建筑，后續(xù)使用期間的多樣化發(fā)展需要，設(shè)計(jì)人員要在建筑室內(nèi)結(jié)構(gòu)中加入一些實(shí)用性的建筑構(gòu)件。關(guān)于室內(nèi)設(shè)計(jì)的整體布局，要將建筑綜合功能分區(qū)作為重點(diǎn)規(guī)劃方向，這樣才能讓施工單位和建筑負(fù)責(zé)人直觀(guān)的了解全部建筑空間功能結(jié)構(gòu)和分區(qū)布置情況，以此提升建筑工程的質(zhì)量和裝配式建筑經(jīng)驗(yàn)的積累。

通過(guò)利用BIM技術(shù)中的Revit建模工具，使用“階段”建模功能，將建筑的室內(nèi)構(gòu)件分成多個(gè)功能階段進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，并對(duì)其進(jìn)行分析研究，為后續(xù)的建筑工程應(yīng)用效果演示做好基礎(chǔ)保障。然后通過(guò)模塊功能中建筑構(gòu)件組合參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)室內(nèi)的每個(gè)房間戶(hù)型結(jié)構(gòu)，規(guī)劃建筑內(nèi)外房間的門(mén)窗，規(guī)劃室內(nèi)學(xué)習(xí)桌椅位置、模塊名稱(chēng)、房間名稱(chēng)等信息進(jìn)行有效標(biāo)注，然后進(jìn)行建筑內(nèi)各種燈具、開(kāi)關(guān)、插座等電力設(shè)施的布局設(shè)計(jì)。

該項(xiàng)目的建筑布局采用裝配式純鋼框架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)鋼梁和鋼柱要采用混凝土柱座灌入固定，通過(guò)BIM計(jì)算可知，選用鋼材強(qiáng)度需達(dá)Q345B，固定螺栓使用強(qiáng)度8.8及以上摩擦型螺栓。

2.3 基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)的模塊庫(kù)建立

BIM技術(shù)的出現(xiàn)完全滿(mǎn)足現(xiàn)今建筑行業(yè)的發(fā)展需要，建筑企業(yè)將BIM建模、信息化管理等技術(shù)應(yīng)用到預(yù)制裝配式建筑設(shè)計(jì)階段中，在完成建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)工作后，還需要相關(guān)人員創(chuàng)建相應(yīng)的裝配式建筑戶(hù)型庫(kù)和裝配式建筑構(gòu)件模塊庫(kù)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)各裝配式建筑結(jié)構(gòu)戶(hù)型庫(kù)和建筑構(gòu)件生產(chǎn)制造的規(guī)范化管理，使之建筑構(gòu)件設(shè)計(jì)、構(gòu)件生產(chǎn)、施工裝配等環(huán)節(jié)都可以起到提升工作效率和質(zhì)量的作用。

另外，該建筑工程支撐結(jié)構(gòu)以鋼框架體系為主，具有建筑構(gòu)件數(shù)量多、規(guī)格大、種類(lèi)多、質(zhì)量重等特點(diǎn)，所以運(yùn)輸和安裝的難度系數(shù)大大增強(qiáng)，除對(duì)運(yùn)輸設(shè)備和安裝設(shè)備要求高，也需要專(zhuān)業(yè)的施工人員進(jìn)行作業(yè)。在建筑構(gòu)件實(shí)際安裝過(guò)程中，需要BIM技術(shù)虛擬確定建筑構(gòu)件的重心位置，并設(shè)計(jì)完善的各建筑構(gòu)件連接手段和裝配圖紙。該建筑構(gòu)件柱有三種類(lèi)型，根據(jù)梁柱座節(jié)點(diǎn)間接的開(kāi)孔方向分為“L”型、“T”型和“十”字型。梁柱BIM設(shè)計(jì)模型圖如圖1所示。

圖1 基于 BIM 技術(shù)的梁柱設(shè)計(jì)模型圖

2.4 基于BIM技術(shù)鋼結(jié)構(gòu)的碰撞檢查分析

裝配式建筑初步設(shè)計(jì)階段的主要目的除了保證設(shè)計(jì)的建筑構(gòu)件為后期工廠(chǎng)加工制造有一定的準(zhǔn)確性，其主要任務(wù)還是為了保障每個(gè)生產(chǎn)的建筑構(gòu)件運(yùn)輸?shù)浇ㄖ?chǎng)地后可以進(jìn)行精準(zhǔn)的安裝，避免建筑構(gòu)件出現(xiàn)誤差、遺漏和碰撞等問(wèn)題。在鋼結(jié)構(gòu)建筑工程中，需要工廠(chǎng)制造大量規(guī)格大且多樣的預(yù)制構(gòu)件，傳統(tǒng)依賴(lài)吊裝機(jī)械設(shè)備進(jìn)行人工校對(duì)構(gòu)件和構(gòu)件檢查核驗(yàn)工作，不僅浪費(fèi)大量人力、物力、時(shí)間，還會(huì)因?yàn)槿斯げ僮魇д`造成構(gòu)件碰撞，甚至是出現(xiàn)安全事故。而B(niǎo)IM技術(shù)的出現(xiàn)解決了這些弊端問(wèn)題的發(fā)生，該技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件就可以精準(zhǔn)地對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行模擬校對(duì)和檢驗(yàn)，避免了施工現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件安裝過(guò)程中可能產(chǎn)生的沖突問(wèn)題。

該項(xiàng)目中，對(duì)于建筑構(gòu)件碰撞問(wèn)題的校對(duì)和檢驗(yàn)，是利用BIM技術(shù)計(jì)算機(jī)軟件中的“碰撞信息校核器”工具來(lái)進(jìn)行建筑構(gòu)件間的模擬碰撞檢測(cè)。其在計(jì)算機(jī)軟件上可以預(yù)先設(shè)置建筑構(gòu)件的檢測(cè)條件，待檢測(cè)建筑構(gòu)件碰撞完畢后，會(huì)自動(dòng)分析出檢測(cè)結(jié)果，可以實(shí)時(shí)掌握建筑構(gòu)件模型安裝過(guò)程中可能出現(xiàn)的施工問(wèn)題，如碰撞構(gòu)件數(shù)量、部位、材質(zhì)等信息參數(shù)，并且在模擬碰撞部分會(huì)進(jìn)行自動(dòng)特別顯示，方便技術(shù)人員的后續(xù)檢查修改。管線(xiàn)碰撞渲染圖見(jiàn)圖2所示。

圖2 碰撞檢測(cè)渲染圖（管道與風(fēng)管碰撞）

2.5 預(yù)制構(gòu)件清單設(shè)計(jì)

預(yù)制構(gòu)件清單可以為鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠(chǎng)商生產(chǎn)構(gòu)件提供依據(jù)。裝配式鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目施工所需構(gòu)件不僅種類(lèi)多，而且數(shù)量大，因此，構(gòu)件清單制作工作繁瑣，易出現(xiàn)錯(cuò)誤或遺漏等。為解決此次問(wèn)題，該項(xiàng)目中應(yīng)用Revit軟件跟設(shè)計(jì)要求及工程量清單整理匯總鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件清單，并可以根據(jù)實(shí)際需要實(shí)時(shí)生成2D圖紙，且在圖紙中標(biāo)明了構(gòu)件的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)、材質(zhì)信息及安裝措施等，以此確保構(gòu)件生產(chǎn)及安裝的精度。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，BIM技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)的建筑工程中，社會(huì)各界對(duì)其重視程度也在大大提高。想要把BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生最大化的助力，需要不斷對(duì)其進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化，硬件、軟件系統(tǒng)都要跟上科技發(fā)展的腳步。另外，強(qiáng)大的技術(shù)手段也需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員作為基礎(chǔ)支持，相關(guān)企業(yè)要注重專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)和完善相關(guān)考核制度，讓BIM技術(shù)的應(yīng)用變?yōu)槠髽I(yè)發(fā)展的核心任務(wù)之一。在將來(lái)，伴隨著B(niǎo)IM技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展和人們對(duì)于建筑的多樣需求，建筑企業(yè)為符合建筑行業(yè)市場(chǎng)需求，必然會(huì)不斷推動(dòng)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。