基于BIM的装配式建筑结构设计研究

顾云凡，陆志祥，刘扬，陈强，杨思远

（南京工程学院建筑工程学院 江苏 南京 211167）

0 引言

目前，国家大力支持推动建筑工业化的发展，BIM技术的详细精确的建筑信息和装配式建筑结构可以很好地满足建筑工业化的要求。装配式结构主要通过在预制构件厂中制作预制构件，然后在施工现场安装和构件处理，具有施工高效、能耗低等特点，符合建筑工业化的要求。在我国，传统的装配式结构设计劳动力需求量大，因为实际工艺水平的限制，导致建筑的装配率与工业化水平都不是很高，信息化管理也不完善，各个部门的信息传递比较繁琐。BIM，即建筑信息模型，将建筑成产的全部生命周期赋予信息模型，将各个环节关联起来，以便于建筑的设计、规划以及各个部门的信息管理和传递。将装配式结构与BIM结合起来，从而把预制的构件信息化模型化，贯穿整个建筑的生命周期，可以避免结构设计与预制构件生产、施工以及后期脱节。

1 标准化设计的必要性

我国正大力推进建筑的工业化进程，而在此程中的一个原则就是结构设计的标准化。它的优势明显，比如能够使得建筑各个过程中提高一定的效率，进而降低一定成本、提高产品质量，有利于构件的统一处理。通标准化生产的构件具有满足要求的系列化和通用化等特点。

虽然已有一些预制装配结构技术涌现，然而它的标准化设计的概念却很薄弱。进而导致建设成本大大增加。在整个装配式结构设计当中，标准化设计处于核心地位，因为它出现在各个过程当中，比如设计、生产、安装施工等。其中，模块化设计又是必须遵循的前提。模块化设计即是在设计时要尺寸符合建筑模数的标准。它有利于大规模生产，是建筑构件具备一定的通用性。建筑模数包括两种，一是基本模数M，二是导出模数，导出模数又有两种，分为扩大魔术与分模数。扩大模数有3M、6M等，分模数有1/10M、1/5M等。当然这两种模数组合也能派生出一些新的尺寸，称之为模数数列。一般来说，模数数列会在工业化建筑中大量体现。

一个装配式结构建筑包含成千上万个部件，这些部件虽然是在时间场合条件都不同的情况下生产出来的，但是它们的标准是一样的，而它们之间的组合是靠模数协调实现，它使得那些部件的尺寸都要符合模数数列的原则，为此这些建筑的构件、设备等不需修改直接安装。

模数协调重要作用：

（1） 使得建筑物按照部位切割，大大提高模块化。

（2） 可使构件设备放线标准化，让各个生产厂家更加自由，从而降低成本，使得利益最大化。

（3）增强设备构件的互换性，使得它们的互换性与生产方式、生产厂家等独立开来，

（4）适当减少标准化构件的数量，加强建筑的多样性程度。

2 传统装配式建筑结构设计方法

2.1 装配式结构设计标准

与国外比较完善的装配式技术标准相比，国内的装配式建筑方面还存在许多问题。技术标准是从2014年《装配式混凝土结构技术规程》开始成型，并于该年10月起实施[1]。该规程作为设计标准为装配整体式剪力墙结构、装配式框架结构设计、钢筋连接设计技术要求等多项重要技术提供了参照。以及装配式结构的设计施工还应严格参照以下4个标准：

（1）国家工程建设标准表；

（2） 协会的标准表；

（3） 地方的标准表；

（4） 图集表。

2.2 装配式结构设计方法

装配式结构的设计主要包括了结构件的设计、整体结构的分析计算、构件设计的拆分与合并、构件连接处节点的设计以及进一步的深化设计。

2.2.1结构构件的设计

按照《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1-2014）、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）里的规定等进行构件的设计[2]。若是高层建筑的话要另外符合相关要求。进行构件设计时不仅要将两个阶段—预制与吊装的设计要求纳入考虑范畴之内，还有相关的计算规定。

2.2.2整体结构分析计算

装配式结构设计采取的是等同现浇设计方法，计算时要进行竖向和水平荷载的受力分析，为保证设计合理还要进行屈服和塑形的验算。在计算时需对参数根据具体情况进行改动与调整。

2.2.3构件设计的拆分与归并

预制构件的设计包含两个方面：一是拆分另一个是归并。先是拆分后是归并，在进行设计前，要想到施工方面的问题，考虑到施工的条件及施工的水平。此外拆分时尽量使得界面一样，类别较少并且保证它的使用功能保持不变。

2.2.4构件连接处节点的设计

像梁柱连接中的牛腿连接这样，通过节点的连接来使得等同现浇结构的设计得到保证。在节点的设计中，抗剪设计是要最先考虑的，在楼板的表面可以布置一些人工建造的粗糙面。

2.2.5构件进一步的深化设计

预制构件深化设计要满足专业和构件的安装、运输等其他方面的要求。深化设计包括3个部分：模具图的设计、钢筋组装图的设计、吊装图的设计。深化设计需要技术人员根据具体的模具图进行相应的计算。钢筋组装图要具体地描述配筋以便制作完成。设计吊装图时不仅要考虑到吊具的式样不同，还包含吊具的承载能力。

3 基于BIM的装配式结构设计方法

3.1 基于BIM技术的装配式建筑结构设计方法的思想

如今的装配式建筑结构设计的方式是以现浇结构的设计为基础进行的，第一步是根据建筑结构进行选型，进行整体结构的分析计算，然后进行预制构件的设计，先是把各个节点拆开，在进行完进一步的深化设计后，把构件全部运输到现场然后建筑组装。导致预制构件的种类繁多，不利于其工厂化的生产，它与如今工业化的原则相矛盾。因此，要转变过去传统的设计理念，并且今后新的设计理念应该考虑到预制构件的通用性，进而尽量使得构件的种类较少但是产品确是呈现多种多样化的趋势。从而基于BIM的装配式建筑结构方式要把构件与构件间联系起来，组合形成预制构件的数据库。进行装配式设计时，就可以直接从预制构件数据库中选择构件，这样可以缓解设计者的压力，进而减少了时间降低了设计成本，达到总体上造价的部分降低。预制构件数据库是构件设计方与构件生产商共用的，设计尺寸时可以在数据库的尺寸范围中选择，从而保证二者的协调性；预制构件生产厂可以提前生产通用性能较强的预制构件，保证预制构件的及时供应，使得工程建设的效率得到大大的提高。随着装配式建筑的发展，预制构件库也在不断完善，并且需考虑一些相对特殊的预制构件以便满足特殊建筑的布设要求。

3.2 基于BIM的装配式结构设计过程

与传统的装配式结构相比，基于BIM的结构设计中，预制构件的尺寸类别过于繁多，这会对工业化的进程造成一定的困难，更不利于实现生产的自动化。因此，要改变传统的设计思路，传统的设计思路是先是整体结构分析设计进而是构件的拆分，如今要把它转变为基于BIM的装配式设计，而它是面向着预制构件。现在的设计方式分为4个步骤：预制构件数据库的建立和完善，BIM模型构建，BIM模型的分析和优化及BIM模型的建造应用。

3.2.1预制构件数据库的建立和完善

预制构件库是BIM主导下装配式建筑的关键部分，而在设计这部分时首先得从建立BIM模型和生产设计的预制构件开始。为了使预制件能够通用化和标准化也非常重要，使其通用化是为了能应用于更多不同类型的建筑上，标准化是为了构件厂能更加方便生产施工。此外，预制构件库还要具有各种类型的构件，并能满足多种或某种要求，当建立较齐全时可开始对构件的节点使其符合规定而进行研究。

3.2.2BIM模型构建

基于预制构件库的建立，设计者可根据设计中的需求在预制构件库中搜寻并选用合适的构件，应用于BIM模型的构件之中。当所需要的预制构件找不到时，可以自己构思设计所需的构件，选中新构件后可将其加进预制件库。构建BIM模型是要去实现预先设计装配式结构并且使其结构更加可靠，还需要对BIM模型进行分析复核，使得结构能更加完善，仔细检查过后可把BIM模型投入使用。

3.2.3BIM模型的分析和优化

保证结构安全性的措施是利用分析复合的方法来对装配式结构的设计和模型进行检验，之后使得BIM模型符合设计要求，然后进行不断地检查加以改善，得出最后的较为完备的整体设计。分析及复核不通过时，要对预制构件及结构进行改良，可根据现浇结构进行分析，也可根据节点的实际连接情况进行判断分析。同样，通过将得出的结果进行查证，以此检验结果所采用的方法的准确性。

分析复核法是BIM模型需满足的结构设计方面的要求，要想满足其他更加深层次的要求就需要通过碰撞检查的方法来淘汰符合的构件，并用其他构件取代，再用分析复核的方法进行检验，使得都符合规定。从而使构件不用重新设计制作。

3.2.4BIM模型的建造应用

满足分析复核及碰撞检查的BIM模型可交付使用，建造阶段可通过利用BIM模型模拟施工进度并且以此合理地规划生产和运输所需的预制构件以及施工现场预制构件的装配及施工。预制构件厂以预制构件库为依据进行生产。在施工阶段，通过采集施工过程中的进度，质量，安全信息，并将所得信息导入BIM模型，从而实现工程项目的全寿命周期的工程管理。

4 传统设计方法与基于BIM的设计方法对比

传统的装配式的设计方法也就是相当于现场浇注的设计工艺，由整体到局部进行分析，一次做出节点的设计以及构建的设计。以上的使用方法固然能较好地可供设计师们去构思，但是构件的种类是非常宽泛的，要想适应工业化的流水线，必然要考虑到预制构件厂的具体生产情况，此外设计过程中出现的生产设计方面的信息的传递渠道不通畅，也是传统设计的一大弊病；而基于BIM的设计方法与之相比，其设计思路与传统设计方法不同，基于BIM的设计方法使用了面向预制构件的设计方式，首先是进行装配式结构的预先设计，然后通过分析计算对BIM模型进行检查，以便于发现问题并及时解决，另外通过对预制构件进行整理分类也有利于预制构件库的合理管理，此外这种方式也为程序的开发开辟了一条新的道路。

5 结语

随着建筑工业化进程的日益加快，传统的装配式结构是以二维施工图纸为交付结果，并且设计思路是先整体后拆分，而基于BIM的装配式结构设计确是以交付BIM模型为主，设计思路是以预制构件库为核心进行，与传统的装配式结构设计相比，基于BIM技术的结构设计方法的优势渐渐显现出来，在这其中标准化设计是进行结构设计的前提，它加强了建筑构件的通用性与系列性，而基于BIM的装配式建筑兼有BIM技术与装配式建筑二者的特点，在深度了解这二者的特点之后，得到了一种基于BIM的装配四结构的设计方法，它一共分为以下部分：预制构件数据库的建立和完善、BIM模型的构建、BIM模型的分析和优化和BIM模型的建造应用，它可以避免生产与设计间的冲突。