基于BIM的装配式高层住宅设计关键技术研究

(广东省建筑设计研究院，广州 510010)

1 前言

预制装配式建筑是将建筑的部分或全部构件在工厂预制完成，然后运输到施工现场将构件通过可靠的连接方式组装而建成的建筑。我国装配式建筑市场产值2011年约为43.2亿元，到2015年已上升到约1 287亿元[1]，装配式建筑市场潜力巨大，发展迅速，然而目前建筑设计行业对装配式建筑的设计方法研究尚不成熟，标准化体系尚不完备，严重制约装配式建筑技术的发展。

装配式建筑的核心是建筑工业化，需要结合完整的产业链，而近年来兴起并正在蓬勃发展的BIM技术，为建筑工业化产业链搭建了一个实用的技术平台。本文以高层住宅为载体，基于BIM技术研究装配式建筑的设计方法，解决装配式高层住宅设计过程中遇到的多方协同、标准化设计、正向BIM建模、部品库建立与应用、经济效益评估、辅助软件开发与应用等关键问题。

2 基于BIM的协同设计

装配式建筑协同的核心是“三个一体化”，即建筑、结构、机电、装修一体化，设计、生产、装配一体化，技术、管理、市场一体化。目前，在运用BIM进行装配式建筑的协同设计过程中，仍存在下述几个难点：多专业模型的架构形式、协同过程中的提资方法、不同流程的提资内容、项目过程中的信息传递等。本文主要针对这几点内容进行阐述。

1.1 多专业模型的架构形式

在方案和初设阶段，模型构件较为简单，对各专业一致性要求也较低，可直接在对方模型内建工作集进行设计，或按单专业单模型进行协同，期间集中几次对模型进行链接校核即可。如项目较复杂，前期各阶段也可适当参考施工图模型架构进行简化组织。

在施工图阶段，为便于维护施工图模型，需对模型按一定规则进行拆分。常见做法为：跨工作团队、跨专业，按链接模型进行，同一工作团队按工作集在同一模型中进行协同设计； 团队划分时，建筑、结构为土建团队，暖通、水、电为机电团队。

1.2 协同过程中的提资方法

装配式建筑协同过程中的提资方法有以下5种：全过程链接模型、阶段性同步模型、模型局部提资、CAD图提资、部品提资。

全过程链接模型指项目过程中全过程都直接链接其他专业，每次打开本地模型或重载链接时，可实时更新看到其他专业的进程，若发现有对不上的地方可及时提出，但由于无法直接得知各部分是否定稿，如有修改仍需沟通确认。

图1 典型的全专业BIM项目文件结构

阶段性同步模型指在各阶段，结构方案初步稳定或集中完成某关键部位后，把全模型进行一次整体提资。采用链接其他专业的本地模型放置在本专业目录，只在提资时与中心文件同步一次，或按阶段绑定一套独立的模型，进行提资和归档。

模型局部提资与阶段性同步模型类似，在完成一个时间阶段后，绑定一套模型，并在提资单中注明，只对其中部分视图和某个区域的构件进行提资。

CAD图提资指对接收方无法应用BIM模型时，采用传统的提CAD图方式进行。

部品提资指对单个部品进行提资，其提资内容较为明确，但只适用于较小范围的调整，以及在构件加工阶段，设计单位对部分构件进行设计变更。

上述几种方式应灵活结合应用，典型的协同项目的服务器文件结构见图1。

1.3 多方协同

装配式建筑项目进入到施工阶段时，项目多方参与，有业主、勘察、设计(建筑、结构、设备、装修)、土建施工、构件加工厂家、安装施工、装修等，各参与方之间如何有效地沟通是影响装配式建筑建造效率的一个难题。

为解决多方协同难题，作者采用B/S模式构建基于互联网的管理系统GDAD-PCMIS[2]，将BIM模型信息进行轻量化存储，针对协同管理过程的相关需求进行系统开发，以使BIM的信息贯穿项目建设的全生命周期，并得以充分运用。平台开发的主要技术路线见图2，平台的事项综合浏览界面如图3所示。

3 建筑标准化设计

装配式高层住宅的设计，从成本和建设周期角度考虑，应通过模数协调等手段，依照“多组合，少规格”的原则进行设计。

图2 平台主要技术路线

图3 事项的综合浏览界面

1.4 建筑设计

装配式高层住宅的外立面设计应尽量做到造型简单、立面简洁、没有复杂装饰的建筑，符合现代主义建筑“少即是多”理念[3]。

装配式高层住宅的平面设计可通过模块化的方式，将建筑空间根据功能分为卫生间、厨房、卧室、书房、阳台等模块，通过这些模块进行组合，形成基本套型模块[4]，如图4所示。

图4 基本套型模块

进行平面设计时，将套型模块作为弹性模块，公共空间部分作为固定模块，固定模块保持不变，通过变换弹性模块就可以形成多种组合户型，如图5所示，形成的示例户型如图6～图8所示。

图5 固定与弹性模块

图6 示例组合户型1

图7 示例组合户型2

图8 示例组合户型3

1.5 结构设计

装配式高层住宅结构设计应考虑装配式建筑与现浇建筑的不同之处，在保证结构安全的前提下尽量保证施工的方便性，尽量节省建造材料。

装配式高层住宅若采用预制剪力墙，需考虑预制剪力墙水平接缝对结构受力性能的影响[5]。

装配式高层住宅若采用了预制外墙，结构刚度受预制外墙的影响较大。计算中可通过周期折减系数考虑预制外墙对结构刚度的影响。本文通过高层住宅整体有限元分析，得到不同装配式体系的周期折减系数建议值，如表1所示。

表1 周期折减系数建议值

对于全受力外墙装配整体式混凝土剪力墙结构体系，由于预制外墙参与结构受力，因此结构刚度非常大，地震力也很大。针对这个问题，作者提出了一种用于装配式剪力墙结构的预制双连梁(如图9所示，发明专利申请号201710981864.X)，通过设置双连梁降低结构刚度，达到减少地震力、节省建造材料的目的，同一建筑采用单连梁和双连梁的性能对比如表2所示。

图9 预制双连梁示意图

对比项对比结果对比项对比结果周期增加约4%风位移减少约7%剪力减少约3%刚重比减少约7%地震位移减少约4%承载力比减少约1%位移比减少约1%

1.6 构件拆分

装配式高层住宅结构构件拆分应从尺寸、重量、传力路径、选筋控制、运输条件等角度进行分析，使得预制构件生产、运输、吊装的总成本达到最低。

对于叠合板，装配式高层住宅的楼板跨度一般不大于6m，且大部分不大于3.2m(工程生产线模台宽度限制值)，叠合板配筋一般由构造控制，且构件重量一般不会超过吊装允许重量。因此，楼板拆分应尽量按单向板拆分，尽可能采用大板，减少吊装次数。

对于预制剪力墙身，其数量由建筑布置确定，拆分时重点考虑减少构件规格数。可在满足规范要求的前提下，通过调整(一般为加长)边缘构件区的长度，使得预制剪力墙身构件的规格尽量少，方便生产。

对于叠合梁，其规格数主要受结构布置及底筋搭接长度的影响，规格一般较难统一。可通过使用对称户型、统一底筋布置等方法减少叠合梁规格数。

4 设计样板及正向建模方法

4.1 设计样板

设计样板是BIM设计标准的重要组成部分，样板设置的目的是进行设计成果的标准化表达，提高设计效率与图面表达质量。一般来说，应在公司层面制作符合装配式高层住宅BIM项目的基本样板文件，并且持续积累完善。

对于装配式BIM项目来说，除了需要设置装配式全专业设计项目样板(简称“项目样板”)，还需要设置装配式预制构件的设计样板(简称“部品样板”)。两者不一致，但有共通之处。部品样板可以在项目样板的基础上，进行优化调整。

项目样板、部品样板均主要由以下部分组成： (1)预设的构件族； (2)预设的工作视图； (3)预设的图纸布局； (4)预设的明细表。

项目样板、部品样板的不同之处在于：项目样板的设置主要考虑进行各专业的区分(如工作视图区分为：建筑专业工作视图、结构专业工作视图、机电专业工作视图、装修专业工作视图)，部品样板的设置主要考虑进行加工步骤的区分(如工作视图区分为：深化设计工作视图、配筋工作视图、模板工作视图、机电预埋工作视图、安装工作视图)。

4.2 正向建模方法

基于BIM的设计需要进行三维建模，对于装配式高层住宅，需要进行土建模型建模(包括构件拆分)、机电模型建模、装修模型建模，机电、装修模型完成后，土建模型需要根据管线走向、插座位置等在预制构件上开洞。

建模方式上，可采用“三中心文件法”，根据项目的实施情况从浅到深的过度定义三个层次的中心文件，不同阶段的模型针对不同的用途进行区分，并采用不同的文件命名进行识别。装配式高层住宅大致上可分为：初步设计模型、施工图设计模型和深化设计模型。不同模型的应用重点见表3。

图10 部品的组成

5 基于Revit的部品库

5.1 部品部件建模

装配式部品部件的建模需满足以下要求： 1)有精确的三维模型，深度达LOD400； 2)方便工程师选择和切换； 3)三维模型与二维图纸完全一致； 4)不同项目中能积累和重复使用。

表3 三中心文件法的应用重点

为满足上述要求，部品部件的建模应采用“独立Revit文件+链接”的方法：在一个独立的Revit文件中进行构件的三维建模，通过剖切和注释形成构件加工图，构件的三维模型和加工图形成一个部品，如图10所示，多个部品文件组成部品库； 使用时，通过链接的方式载入到项目中心文件中，如图11所示。部品的具体使用方法详第5节。

5.2 部品库应用方式

5.2.1 部品链接

部品文件通过“链接”的方式载入到主体模型中，进行链接操作时，定位方式为“自动—原点到原点”。

链接后部品被放置在项目原点，在三维视图中，通过修改面板中的“对齐”命令将链接文件移动至需要的标高，在平面视图或三维视图中将部品移动至需要的地方。若有多个地方用到同一个部品，使用复制的方法建模。

图11 部品的使用

5.2.2 部品修改

由于项目是逐渐深入的，链接进去后的部品可能需要修改或深化(如修改配筋、开设备洞口等)，因为修改后的部品实际上是一个新的部品，必须绘制新的详图，因此，遇到原部品无法满足设计要求而需要修改的情况，不能在原部品文件中进行修改，应该复制出一个新的部品文件，修改部品文件后重新链接到项目中。通常来说，部品的修改可以按如下步骤：

(1)打开部品库所在的文件夹，选择最相似的部品，复制出新的文件，按命名规则修改文件名；

(2)打开部品文件，修改主体构件的族类型名称，修改成部品文件名(用于链接到项目后的注释，后面详讲)；

(3)按需要修改部品文件；

(4)在项目文件中使用“链接”的方法载入该部品，载入后部品在项目原点，将之删除；

(5)在项目中选择需要修改的部品，在属性栏中修改“链接的Revit模型”属性，用此方法可避免链接后重新调整位置。

5.2.3 部品可见性控制与展示

如果在部品库文件中预设好相应的视图，Revit允许链接模型在平面或三维中显示部品库文件中预设好的视图，从而实现部品的可见性控制。具体方法为：在可见性设置中将链接文件的“显示设置”选为“按链接视图”，在下拉菜单中选择相应的视图。通过该方法，部品库链接到项目文件中之后，可由用户自由选择是否只显示部品库中某些构件，如钢筋可选择：全不显示、只显示某些构件的钢筋、显示全部构件的钢筋。可见性控制方法可协助项目文件的BIM展示，如展示全部钢筋(图12)、展示预制件钢筋(图13)、展示某个预制构件内的钢筋(图14)或进行节点区钢筋展示(图15)。

图12 展示全部钢筋 图13 只展示预制部分钢筋

图14 展示预制构件的钢筋 图15 节点区展示

5.3 部品库优缺点

采用本文方法实现的部品库主要有以下优点：

(1)实现模型轻量化

链接进来的模型不增加项目文件的大小。部品中虽然携带钢筋，但可通过切换链接文件的视图样式自由切换每个部品的钢筋显示和消隐，因此不会影响图形显示速度。

(2)实现构件详图与三维模型统一

每个部品库都是一个完整的项目文件，通过在项目文件中建立“图纸”，直接将构件详图集成到部品库中。二维的构件详图是通过三维模型剖切后添加注释信息得到的，可以实现构件详图与三维模型统一。

(3)可积累性

每个部品库文件其实就是一种类型的构件详图，拥有某个部品的完整信息，并且与具体工程项目相独立，可随工程实践积累部品库，前期工作可在后续的工程中继续发挥价值。

采用本文方法实现的部品库仍有以下待解决问题，需要通过后续开发和研究进行改进：

(1)部品库管理和保密问题

部品库文件为普通rvt格式文件，Revit本身没有配套的文件管理系统，需要用户自行管理部品库文件，并且部品库文件也没有保密的机制。

(2)模型打开时速度慢

如果在项目中链接了大量的外部文件，打开模型时由于需要将链接文件载入，因此花的时间会比较长。

6 经济效益分析

6.1 费用组成

建筑工程建安工程造价是由直接费、间接费、利润、税金组成，具体比例详见图16。间接费主要为企业管理费和规费。企业管理费和利润根据企业自身情况而变化。规费和税金是根据项目所在地的相关政策计算，为不可竞争费用。直接费是由人工费、材料费、机械费、措施费组成，具体比例详见图17。现浇混凝土结构工程，材料费约占土建建安工程造价的55%～60%。装配式混凝土结构工程，其材料费占比更高。因此，影响装配式建筑造价的主要因素是预制构件材料费。

图16 建安费组成 图17 直接费组成

预制构件材料费是由构件生产费、运输费组成。构件生产费包含原材料费(水泥、石子、砂、钢筋等)、建设工厂费、模具摊销费、工厂设备摊销费、生产人工费、生产使用水电费、厂商利润及税金等组成。运输费包含预制构件从生产工厂运输到项目工地现场的运输费用。预制构件购买原材料费与现浇混凝土原材料费相同。为生产预制构件，工厂需要在前期投入大量资金建设工厂、制作模具、购买生产设备。因此，影响预制构件材料费的主要因素是建设工厂费、模具费和工厂设备费。一般预制厂按照产能需要先行投资500～1000元/m3，全部要摊销在预制构件价格之中。

6.2 经济效益分析

以广州市某保障性住房项目(图18)为例，通过计算标准层工程量，分析不同预制构件组合的造价差异。该项目为两梯六户住宅工程，标准层建筑面积452.26m2。当楼梯、阳台板、空调板、楼板、内隔墙、梁、外墙、柱、剪力墙等构件分别采用预制构件的情况下，计算项目的预制率以及增加的单方造价，详见表4。

图18 广州市某保障性住房标准层

序号预制构件名称砼工程量(m3)预制率(%)增加造价(元/m2)1楼梯2.962.073.172阳台板5.323.8019.103空调板0.590.422.124楼板45.15415.7968.275内隔墙41.67622.57311.586梁20.73814.5182.217外墙31.87618.23240.708剪力墙68.21647.71292.54合计216.527

表4为当仅仅是某一种构件采用预制的情况下，所对应的预制率及增加造价。如楼梯构件为预制构件时，则内外墙均按砌筑墙体考虑； 内隔墙为预制构件时，则内隔墙为预制砼构件。

对应某一个预制率，都可以有多种不同的预制构件组合形式，每种组合形式的造价不同。在目前的技术条件和技术成熟度下，先考虑结构安全性和施工方便性再考虑造价，则预制构件的选取顺序应为：先选择楼梯、阳台板、空调板构件，然后选择楼板和内隔墙构件，最后选择梁和外墙板构件。结合上表，通过对15%、20%、30%、45%、60%五种预制率进行分析，得到不同组合下增加的造价(以下数据对应于图18所示项目)。分析表明：

预制率15%情况下，最经济方案为楼板采用预制构件，其余采用现场浇筑，每平方米造价增加68元。

预制率20%情况下，最经济方案为楼板、空调板、阳台板采用预制构件，其余采用现场浇筑，每平方米造价增加89元。

预制率30%情况下，最经济方案为梁、楼板采用预制构件，其余采用现场浇筑，每平方米造价增加150元。但按照预制构件选取顺序，则以楼板、空调板、阳台板、内隔墙采用预制构件最为合适，每平方米造价将至少增加336元。

预制率45%情况下，最经济方案为外墙、梁、楼板、空调板、楼梯采用预制构件，其余采用现场浇筑，每平方米造价增加394元。但按照预制构件选取顺序，则以梁、楼板、内隔墙采用预制构件最为合适，则每平方米造价将至少增加462元。

为使预制率达到60%，则需要外墙、内隔墙、梁、楼板、空调板、阳台板、楼梯均采用预制构件，剪力墙采用现场浇筑，每平方米造价增加727元。

7 辅助设计软件开发

7.1 预制率和装配率计算软件

预制率和装配率是影响装配式建筑方案比选的一个重要指标。Revit可自动生成构件相关明细表，根据明细表工程量来编制预制率计算书。一般以标准层为单位，分层计算。图19、图20是Revit生成的叠合板混凝土量明细表和通过Excel制作的预制率计算表格。

图19 叠合板混凝土量明细表

图20 预制率计算表格

上述方法是常用的预制率计算方法，根据上述逻辑，作者开发了能简便的计算出预制率的Revit插件：装配式建筑预制率及装配率计算模块，可实现一键计算出预制率结果，特别适合方案阶段的预制率计算。

预制率根据预制混凝土构件占所有混凝土构件的比例进行计算，装配率根据《装配式建筑评价标准》(GB/T51129-2017)进行计算，程序界面如图21所示，预制率和装配率计算结果显示界面如图22、图23所示。

图21 装配式建筑预制率及装配率计算软件

7.2 装配式建筑辅助设计软件

为了解决装配式建筑设计过程中遇到的实际问题，作者开发了装配式建筑辅助设计软件。软件包含4个模块：结构拆分辅助模块、装配式建筑构件深化设计辅助模块、梁平法快速成图模块、装配式建筑节点验算模块。

结构拆分辅助模块可用于结构梁拆分、剪力墙拆分和结构板拆分。其中，梁拆分参数设置界面如图24所示，生成拆分梁的效果图如图25所示。

图22 预制率模块一键计算结果

图23 装配率模块计算结果

图24 梁拆分参数设置界面

装配式建筑节点验算模块用于装配式建筑节点的力学验算，分为“塑性板验算”、“剪力墙接缝验算”、“预制梁吊装验算”、“外挂墙板验算”、“叠合梁端竖向接缝验算”和“叠合板接缝验算”等6个功能，程序界面如图26、图27所示。

装配式建筑构件深化设计辅助模块、梁平法快速成图模块详见文献[6]、文献[7]。

图25 生成拆分后的梁

图26 节点验算模块界面

图27 塑性板验算界面

8 小结

本文根据实际工作需要，对装配式高层住宅设计关键技术进行深入研究。通过对协同设计方法的研究，提出了多专业协同时模型的架构形式和协同过程中的提资方法，构建了基于互联网的管理系统GDAD-PCMIS，解决多方协同的难题； 通过对装配式建筑设计、结构设计和构件拆分中的关键点进行研究，为装配式建筑标准化设计提供实用性建议； 通过对装配式建筑基于BIM的设计样板、建模方法进行研究，提出一套实用化的BIM正向设计方法，为读者从事装配式建筑设计提供参考； 通过对Revit功能的研究，提出一套基于Revit链接功能的部品建模及使用方法，实现构件详图与三维模型统一，并具有可积累性； 通过对装配式建筑费用组成的分析，探讨不同预制构件组合对经济效益的影响； 通过二次开发技术结合实际需求，开发预制率和装配率计算软件等辅助软件，提升装配式高层住宅的设计效率。

鸣谢：广东省建筑设计研究院赖鸿立、蔡凤维、吴桂广、张伟锐、陈少伟等工程师也参与了本文的研究工作，在此一并致以诚挚的谢意。

参考文献

[1] 中投顾问产业研究中心.2017～2021年中国装配式建筑行业深度调研及投资前景预测报告[M].中投顾问产业与政策研究中心， 2017.

[2] 杨新， 焦柯.基于BIM的装配式建筑协同管理系统GDAD-PCMIS的研发及应用[J].土木建筑工程信息技术， 2017, 9(3): 18-24.

[3] 黄高松． 装配式高层住宅立面设计研究[J]．建材与装饰， 2017， 12： 74-75.

[4] 赵中宇. 建筑工业化的设计要点与技术创新(建筑工业化和节能一体化设计学术交流会).北京， 2015.05.

[5] 袁辉， 陈剑佳，焦柯．灌浆套筒连接预制剪力墙有限元分析[J]．广东土木与建筑．2017， 5： 9-13.

[6] 罗远峰， 焦柯.基于Revit的装配式建筑构件参数化钢筋建模方法研究与应用[J].土木建筑工程信息技术， 2017, 9(4): 41-45.

[7] 陈剑佳， 焦柯.基于Revit的梁平法快速成图方法及辅助软件[J].土木建筑工程信息技术， 2017, 9(3): 74-78.