BIM技术在装配式建筑结构设计中的应用

李俊峰 林增华 张传俊

自改革开放以来，我国正处于工业化、城镇化和新农村建设快速发展的历史时期，深入推进建筑节能、绿色发展，加快发展绿色建筑面临难得的历史机遇。目前，我国建设方式仍然还存在发展质量和效益不高等问题，装配式建筑是一种新兴的建筑形式，具有节能、环保、高效等优点，符合我国当今的绿色发展战略，已经成为建筑行业重要的发展方向之一。在科学技术快速发展的背景下，在装配式结构设计的过程中应用BIM已成大势所趋，可以实现检测、深化以及优化设计，为整个设计的过程提供了更加精确的信息和数据，提升整体结构的合理性，更加符合现场施工的标准，有助于提高工程的效率和降低资源的消耗，符合绿色发展。因此，在装配式结构设计中应用BIM技术有着重大作用，对于推进绿色建筑高质量发展有着重大意义。以为某中学大楼为例进行BIM技术在装配式结构设计中的实际应用。

随着环保意识的日益增强，绿色发展已成为各行各业追求的重要目标。在装配式建筑中，绿色材料的选择是实现绿色发展的基础。绿色材料具有环保、可循环利用、节能等特性，能够降低建筑对环境的影响，减少资源消耗。装配式建筑采用预制构件，可以在工厂内进行规模化生产，减少现场施工时间，降低能源消耗。同时，装配式建筑可以利用太阳能、风能等可再生能源，实现能源的自给自足，进一步降低碳排放。在装配式建筑的施工过程中，应注重环保施工，减少噪音、尘土、污水等污染物的排放。此外，还应加强施工现场的管理，确保施工过程的安全与环保。装配式建筑在投入使用后，也应注重绿色运营。可以通过节能设备的安装、绿色能源的使用等方式，降低建筑的运营成本，提高能源利用效率。笔者通过具体案例的深入分析，展示了BIM技术在装配式结构设计中的实际应用，为建筑施工提供了具有指导意义的参考，有助于推动这一领域的发展和进步。

一、BIM技术在装配式结构中的应用

BIM技术在装配式建筑中的应用越来越受到关注，为装配式建筑的发展提供了新的机遇和挑战。BIM技术可以有效地提高装配式建筑的效率和质量，同时也可以减少建筑垃圾和能源消耗，体现了对环境的友好。通过BIM技术，可以更好地规划和设计装配式建筑，优化生产流程，提高生产效率，减少生产成本。此外BIM技术与建筑体系有着许多的交叉性，要实现不同专业之间的协同，就必须借助与BIM技术实现信息传递，以达到绿色发展最终目标，实现低碳发展。笔者将运用BIM技术对某中学大楼进行全面体系构建与精密计算，并深入探究其背后的计算原理。

二、基于BIM的装配式建筑工作流程

1.工程概况

本项目是某中学教学楼扩建项目(图1）。项目的具体数据如下：总建筑面积6220.68m2，建筑基底面积1605.77m2，建筑的高度19.5m。每一层的净高度设定为4.0m。项目的层数设定为4层，结构上采用了框架结构，抗震设防烈度为7度，防水等级为2级，使用年限设定为50年，符合一般建筑的使用要求。笔者通过运用BIM技术详细展示了建筑的基础结构和布局，为更直观地了解这个项目提供了帮助。

图1 中学教学楼项目效果图

2.BIM技术的应用

本工程为了优化设计和指导安装，采用了BIM技术，以体现装配式结构的特点。BIM技术具有可视化、协同性、模拟性、优化性和可出图等特点，这些特点符合建筑工业化的要求。图2为中学教学楼项目BIM技术施工流程图以展示BIM技术在本项目中的应用效果。

图2 中学教学楼项目BIM技术施工流程图

（1）建筑建模

BIM技术在装配式建筑结构设计中的应用，主要是通过三维建模的方式，对装配式建筑结构中的构件进行建模。在这个过程中，主要是利用BIM软件对装配式建筑结构中的构件进行建模。BIM软件为构件建模提供了非常多的工具，可以为设计人员提供有效的帮助，从而使设计人员可以更加高效地完成装配式建筑的设计工作。

在这个阶段笔者使用广联达系列的BIM软件进行了三维可视化设计，这样可大大减少项目因设计方案不合理而造成的资源浪费问题。

（2）结构的总体设计

①拆分结构与计算装配率

笔者通过使用相关软件对中学教学楼图纸进行模型翻制，并利用PKPM-PC进行了深化设计，装配式拆分全楼深化模型如图3所示。同时，应用BIM技术完成了结构装配式设计工作，装配式指标满足国标《装配式建筑评价标准》中的相关要求，对整个结构的装配率进行了计算。本工程结构竖向构件中预制部品部件Q1A得分26.7分，计算结果详见表1，大于评价标准表规定的最低分值20分;结构楼（屋）盖中预制部品部件Q1B得分20分，等于规定的最低分值计算结果详见表2，可以认定本工程为装配式建筑，这不仅提高了设计质量，也更加符合绿色建筑的理念。

表1 竖向构件统计汇总表

表2 水平构件统计汇总表

图3 装配式拆分全楼深化模型

②结构整体分析

通过BIM技术将设计方案与施工图纸进行对比，可以有效避免因设计方案不合理导致的浪费和资源浪费等问题，从而减少工程项目出现的结构设计问题。笔者通过过SATWE2021V1.3.1版软件的计算分析，完成了本工程的结构设计。从结构整体指标汇总信息表（表3）可以看出，各项指标均满足《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)、《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-2015)的要求。具体来说，本工程质量比小于1.5，楼层剪力/层间位移刚度比不小于1.0，楼层抗剪承载力与相邻上一层比值的最小值不小于0.80，有效质量系数大于90%，很大程度上保证了工程的可靠性设计。

表3 结构信息指标汇总

（3）BIM技术在不同专业之间的协同设计

BIM技术是一种基于建筑信息模型的技术，它可以将建筑物的所有信息集成到一个模型中，节点的处理问题是装配式结构的重中之重，将复杂节点建模及优化运用与BIM相结合，可以更好地发挥BIM的优势，提高建模效率和优化效果。通过BIM技术，可以更好地模拟和呈现复杂节点，优化设计，减少施工难度和成本，提高建筑质量和使用体验，如图4所示。因此，BIM在复杂节点建模及优化运用中具有广泛的应用前景和价值。

图4 中学教学楼项目给排水模型碰撞截图

另外本工程采用的是结构模型与机电模型同时进行协同配合设计，形成全专业模型。

（4）模拟施工及碰撞检查

在综合了土建、管线及设备的BIM模型基础上，即可进一步进行管线的碰撞检测。PKPM提供了较简单的碰撞检测工具，可实现模型内按类别区分的硬碰撞检测，并给出检测报告逐一列出各碰撞点的情况。对碰撞检测结果报告进行输出，还可以对碰撞模型对照查看等。如图4所示在预制构件局部拼装过程中，通过碰撞检查发现，影响了安装需要进行调整，以确保施工过程中的安全性和后期使用的稳定性。

（5）数字化运维

BIM技术的应用能够实现对建筑工程项目的可视化管理，使建造过程中的信息更加全面和真实。BIM技术能有效解决建筑工程项目设计阶段和竣工验收阶段存在的问题。在装配式建筑结构设计过程中，各个专业需要相互协调配合，以实现最优化的设计方案。如果各个专业之间不能有效协同工作，将会对装配式建筑结构设计效果造成不利影响。因此，BIM技术为各专业之间协同工作创造了良好的条件，提高了建筑工程项目的整体效率和质量。

（6）数字化施工

由于施工单位对BIM技术了解不足，导致施工过程中存在许多问题。为解决这些问题，需要将BIM技术应用到建筑工程的施工阶段。在装配式建筑结构设计中，数字化施工是当前需要重点关注的内容，可以为施工建设人员提供更多便利。BIM技术可以帮助进行数字化施工，对建筑构件进行精确定位，并通过模拟控制安装精度。相关人员需要不断对BIM技术进行分析和研究，使其能够得到有效应用，为建筑行业的发展提供助力。

三、结论

装配式结构设计中的BIM技术的应用，为该领域带来了前所未有的变革。BIM技术的应用为装配式结构设计领域带来了直观、便捷的交流沟通方式，提升了结构设计方案的整体科学性、合理性和可行性。通过互联网、物联网等技术的进一步探索和应用，可以提升平台的协同功能，实现设计、生产、施工等各个环节的实时沟通和协作，提高工作效率和准确性，还将与生产和施工管理系统建立接口，实现全过程的协同设计与施工。这将有助于提高装配式建筑的质量和效率，降低成本和风险，推动装配式建筑行业的发展。在未来的发展中，BIM技术将在装配式建筑领域发挥越来越重要的作用，为行业带来更多的创新和变革。