BIM技术在装配式建筑设计中的应用

唐洪刚，高云鹏,孔思达，冯 娴

(1.贵州大学 勘察设计研究院，贵州 贵阳 550025；2.遵义市播州区城市建设投资经营(集团)有限公司，贵州 遵义 563100)

装配式建筑的核心工艺为按照构件详图进行物料采购，在车间完成建筑构件的组装浇筑养护后直接运至现场安装，其对于图纸精度和一致性的超高标准自然地产生了对于BIM技术的应用需求。当下各设计院对于BIM技术如何具体应用到装配式项目的设计、深化和辅助生产中，尚未达成共识，而构件拆分模数化和精确化难度过大、深化设计周期过长等行业难题也有待解决，原因在于设计理念和深化分工还缺乏连续性和整体性。结合当前国家力推的装配式建筑总承包项目管理的各项政策，从而让设计、施工、构建生产有了深度的融合，依托BIM技术的设计范围的延续与拓展成为装配式建筑实施的必要条件。本文将从BIM技术在装配式建筑设计的各阶段应用层面分析入手，对BIM技术在装配式项目中的深化分工提出探索性的解决方案。

1 BIM技术在装配式建筑设计中的应用分析

BIM(Building Information Modeling)是建筑信息模型的英文简称，通过含有建筑真实信息的三维模型实现工程设计、施工管理等功能，是一种分析及管理手段。是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点[1]。装配式建筑是将建筑的部分或全部构建在工厂预制完成，然后运输到施工现场，将构件通过可靠的连接方式组装而成，是具备“设计标准化、生产标准化、施工标准化、一体化装修和信息化管理”的新型建筑工业化建筑[2]。BIM技术在装配式建筑设计中的应用主要在三个阶段：

1.1 策划与建筑正向设计

在装配式建筑技术策划阶段，建筑师或者工程师不能够准确针对项目定位、建筑规模、成本限额为投资建设方提供合理的可视化的产业化方案，后期设计依据不足。需以模数化设计为核心，以将尺寸协调的功能单元进行组装的理念来指导设计思路，运用BIM技术来实现从方案一直到施工图阶段的正向设计，以不同阶段、不同深度的整体装配式BIM模型为典型成果。

1.2 深化设计与构件拆分

装配式建筑设计端手动拆分构件标准化程度低，专业内及专业间协同效率低，模型不共享。构件深化设计阶段，钢筋碰撞、预留预埋件与模具及钢筋干涉问题严重等带来后期构件制作节点变更频繁等。需以深度建模为核心，运用BIM来实现深化设计，尤其是结构构件、功能构件和装饰构件内部和构件间的碰撞协调。以项目BIM模型和可用于生产的加工图纸为典型成果。

1.3 设计辅助与构件制作

由于前期设计端考虑不周、信息化程度低、管理的粗放，导致构件厂异形构件数量多、模具周转率低、生产效率低、资源浪费。施工企业不具备装配式建筑施工组织经验，软件和硬件配置不充分，严重限制装配式施工发挥其保质量、缩工期的优势。需以服务于装配式构件制作车间和现场为中心，运用BIM技术来辅助制造和安装，并扩展至模具设计制作和构件吊运等环节。以物料清单、模具图纸和针对各施工环节的分析模拟报告与视频为典型成果。

2 BIM技术在装配式项目中各阶段的应用方案

2.1 理念层面下的装配式建筑正向设计

2.1.1装配式建筑的前期策划

在传统的设计模式里，各专业的深化设计呈线性关系，上游完成了一个阶段才会递进到下游，出现问题时不能及时有效地反馈，各方信息相对闭塞。而各个牵涉到的专业不同侧重点也不同，因此最后的落地成果往往也会出现偏差。这就需要在设计前期对整个建筑的设计做好前期统筹策划，基于装配式建筑的特点，为凸显其模块化特点，节省建造成本，前期项目策划对预制装配式建筑的实施起到十分重要的作用，设计单位应在充分了解项目定位、建设规模、产业化目标、成本限额、外部条件等影响因素的情况下，制定合理的技术路线，提高预制构件的标准化程度，并与建设单位共同确定技术实施方案，为后续的设计工作提供设计依据[3]。具体的策划可以从以下三个角度展开：

1)美学理念，基于装配式的工艺，构件单元将更复合化与专业化，结构功能、装饰功能、使用功能得以有机统一。而装配式建筑的设计美学更多地强调于功能单元的创意式尺寸参数设计和单元间的多样组合。

2)经济性思考，装配式建筑施工的成本构成中，主要包含模具制作、车间加工和调运安装。而在建筑设计中，细节尺寸的凌乱极易导致上述三项成本的大幅增加。而对于异型建筑，传统施工方法极难达到理想效果，但运用装配式技术就完全可以实现。因此，装配式建筑在方案设计阶段，就需要将装配式建筑特有的模数化及模块化理念纳入设计前期策划中。

3)专业协同，装配式建筑的设计难点，在项目方案基本确定后耗时最长的各专业和各方深化设计的过程中，主要在于需要反复进行方案的调整。因为，装配式建筑是集设计、生产、施工、装修和管理为一体的集成化建筑，从设计到施工运营的各个阶段都需要建筑结构、构件生产、暖通、给排水、机电和装修等专业设计人员共同配合工作。

2.1.2策划下的建筑正向设计

1)在方案初设阶段，建筑的功能单元、结构体系、创意造型即结合装配式建筑的工艺，运用BIM软件进行轮廓建模，确定整体外观。

2)确定项目装配式工艺各功能区的构件模数，在进行主要尺寸设计时，由专门的结构工程师把控通用尺寸要求、钢筋布置条件和节点做法，在BIM平台端就将房屋构件单元的尺寸硬性约束为模数匹配，从源头规避掉尺寸凌乱的问题。

3)在建筑设计和结构设计进行对接时，逐级将结构设计平台和前述装配式建筑构件设计平台进行数据对接和功能对接，在结构设计人员的专业支持下，实现从装配式方案到装配式构件的自动拆分。

4)在其他各专业进行设计时，同样充分考虑功能单元的组合，尽量保证构件轮廓和出筋定位的一致性，在和单一构件进行协调时，充分考虑水暖电设计方案的“模数化”、一致性，保证尽量减少构件开孔方案等的多样。

5)将传统建筑设计中的功能分析和方案展示工作，同样转移到装配式BIM方案的设计体系内，根据装配式建筑的设计初衷，从建筑美学、建筑功能和绿色环保等角度完成参数化分析体系的重新制定。

2.2 深化设计阶段装配式构件的BIM运用

2.2.1BIM服务用于装配式构件制造中的现存问题

当下装配式建筑的工作方式大多是通过常规的设计工作出具二维图纸，交付PC构件厂家后再由PC构件厂家进行二次翻模，进而订制模具后在车间内完成所需构件的生产。其主要缺点在于设计单位所提交的装配式订单图纸无法供构件加工车间使用，而多数PC构件厂家出具模具图纸和加工图纸的效率较低，且二维构件图纸未经过预拼装，在车间加工环节极易出现钢筋碰撞情况，但模具改造和节点深化设计的综合成本极高。

要解决上述问题，主要需通过精细的构件建模和基于参数化模型展开的各类深度应用来解决。因此，对于这一类BIM运用，主要从技术角度展开论述。

2.2.2技术层面下装配式构件的BIM运用方案

1)将结构构件、功能构件和装饰构件单元按造型、配筋原则、制作方法等指标进行划分，在此基础上制定针对装配式建筑的BIM族库架构(图1)。

图1 Revit平台装配式构件Fig.1 Prefabricated elements on Revit systematic platform

2)运用BIM技术将装配式构件的二维草图和三维模型中各处尺寸进行参数化管理，真正做到全参数化模型。

3)在真正进入建模环节中，重新梳理建筑中构件间的依附关系，保证各构件的独立性，而仅保留构件间的参数联动，将构件内部的模型树结构进行扁平化改造，通过参数标签的方式提高管理效率。

4)建立双重可行性验证制度。对于装配式构件整体在组合嵌入整个建筑时，在BIM平台上预先进行拼装模拟，确认整体构件外部轮廓和单元划分的准确性(图2、图3)。

图2 模板预拼装和碰撞检查Fig.2 Pre assembled module assessment &interference checking

图3 钢筋预拼装和碰撞检查Fig.3 Pre assembled rebar assessment &interference checking

其中，对于构件单元内部的支撑结构，以钢筋网络为典型，在BIM平台上需进行全参数化异形钢筋的深度建模和碰撞检查。钢筋网络的深度编辑在行业领域内已经形成共识，“未来需要编写相应的程序语句在参数化建立钢筋的基础上实现钢筋对于不同洞口的避让或者截断并自动配置补强钢筋，这样可以在保证设计深度的前提下进一步提升工作效率”[4]。核心工作是为了保证钢筋纠偏的自由，在钢筋建模环节，同样清除掉结构钢筋和结构外轮廓见的依附关系，而仅保留参数联动

5)在成果交付环节，通过族文件优化，保证装配式构件BIM模型可以直接出具满足施工方和车间需求的二维图纸。

2.3 装配式建筑构件生产过程中BIM技术的辅助设计

2.3.1装配式建筑的执行难点

装配式建筑在制作和安装阶段，目前的管理重点主要有两项：

1)构件模具多为一体式模具，材料成本高、制作周期长、模具加工图出图速度慢、容易出现偏差、模具复用率低下，造成极大浪费。

2)构件的调运安装环节缺乏技术指导，也缺少直观准确的技术交底措施，最终极易由于人员误操作导致出现质量问题和进度滞后。

单纯就模具建模和施工工艺仿真而言，实现手段和工具都有很多种，但要将具体项目的设计环节、模具制作环节和施工辅助管理环节进行打通则有较大技术障碍，对此的解决方案应从多样化服务的BIM平台着手。

2.3.2装配式建筑设计成果的执行

装配式建筑设计成果的执行主要包含两大环节：

1)模具设计和制造环节

执行方案为：设置能与构件设计进行无损数据对接和参数联动的模具深化设计平台。在构件建模阶段，即同步完成外围模具的建模，模具尺寸和构件尺寸参数设置联动，即在构件族的基础上附带完成模具族的制作。进而，在匹配构件尺寸的整体模具模型的基础上，通过数据接口，转换到模具深化设计BIM平台，同样将模具进行模数化的拆分，并补充固定加强部分，保证力学性能。最终实现模具模型和构件模型一同生成，一同随参数变化，同时保证模具深化设计平台直接输出的出图标准满足模具制造厂的需求(图4～6)。

2)构件调运安装环节

构件调运安装环节执行方案为：设置能与装配式设计平台进行直接数据对接的模拟仿真平台。在装配式项目BIM设计的基础上，建立制造车间和安装现场两大场地BIM以及配套的措施项目、施工机具模型体系。要真正实现有效的技术交底和施工管理，核心即在于两个平台间数据对接的高效，模拟平台端项目构件模型树和设计端项目模型树相一致，进而保证模拟展示平台上可实现以准确资源管理为基础的施工辅助管理。最终实现项目现场和模拟展示的高度一致(图7～10)。

图4 跨平台钢筋参数联动展示Fig.4 Rebar parameters coupling effect display between various operating platforms

图5 模数化组合模具参数联动及拆分展示1Fig.5 Modular formwork parameter coupling effects &disassembling presentation 1

图6 模数化组合模具参数联动及拆分展示2Fig.6 Modular formwork parameter coupling effects &disassembling presentation 2

图8 现场安装施工模拟1Fig.8 Site installation and construction simulation 1

图10 现场安装施工模拟3Fig.10 Site installation and construction simulation 3

3 结束语

装配式建筑发展过程中的核心难题是建筑的标准化，而装配式建筑的标准化决定了前期统筹、构件设计、构件生产等各项目阶段应相互协调、相互配合、相互修正，利用好BIM技术则可以有效地解决这一难题。本文通过对BIM技术在装配式建筑设计中的应用分析，对BIM技术在建筑设计、深化设计、以及建筑构件生产这三个核心阶段进行了探讨，为装配式建筑设计的前期策划进行了高效有序的步骤分解，从技术角度对装配式构件制造中存在的问题提出了解决方案，最后对装配式建筑设计成果执行的两大难点环节进行了方案推理演示。总体而言，装配式技术和BIM技术的应用应该在一定原则的基础上具有一定的灵活性。所谓原则，即通过新兴技术的应用，解决问题、提高效率、创造价值；所谓灵活，即抛去既有思维定式和习惯，重新审视、选择和建立切实可行的技术体系、总体理念和执行平台。在此基础之上，对装配式和BIM这两大技术进行攻关、推广和新技术执行标准的落地，最终实现建筑工业化与信息化的良性发展。