BIM在装配式混凝土建筑设计和施工过程的应用

2020-03-02朱水勇周桂香蒋凤昌

江苏科技信息 2020年23期

朱水勇，周桂香，蒋凤昌，3*

（1.江苏永泰建造工程有限公司，江苏泰州225300；2.泰州职业技术学院，江苏泰州225300；3.同济大学复杂工程管理研究院，上海200129）

0 引言

随着我国城镇化建设的高速发展，建筑业的传统生产方式、生产工艺、生产技术已不能满足城市发展的需求。预制装配式混凝土建筑技术、BIM 技术等现代建筑业技术获得发展和应用，实现绿色、低碳、环保和可持续发展理念，成为促进建筑业转型升级的必由之路。国家、省市相关部门相继出台一系列政策，推进预制装配式混凝土建筑技术的研究与工程实践，推进BIM技术在工程建设全过程的应用。相应地，如何将BIM 技术应用于预制混凝土式混凝土建筑中，已成为一个热点研究课题。通过这两项技术的有机融合，可以进一步产生良好的经济效益和社会效益。

1 BIM技术在设计过程中的应用

1.1 基于BIM的结构设计

PC 建筑结构的设计是系统工程，必须从结构设计的最初规划开始，落实执行PC 结构设计，并且贯穿设计全过程，而不能“中途”插入深化设计，实现PC 结构设计。基于BIM 的PC 结构设计包括结构体系选择、PC 实施部位选择、结构受力分析、构造设计等内容［1］。

（1）结构体系选择。这属于结构设计的首要任务，应根据建筑功能需求、项目的特点、政府的建设约束条件、国家规范的相关条文要求、预制装配式建筑的标准要求、行业和地方标准要求，选择适宜的结构体系。可基于BIM构建初步的方案模型，进行多方案比选，可采用框架结构、框架-剪力墙结构、筒体结构或剪力墙结构。结合建筑造型等特征，依据选择的结构体系，可进一步确定建筑物的最大高度和最大高宽比等设计参数。此时，结构设计的BIM 方案模型，基精度可以是LOD100～LOD150。

（2）PC 实施部位选择。依据建筑功能分区的特点，结合政府对装配率、预制率的刚性要求，同时考虑建筑物全生命周期功能弹性改造的可能性，初步选择PC实施部位。可以在BIM模型上将相关装配式范围的构件赋予预制属性，快速统计分析是否符合预制率和装配率。

（3）结构受力分析。基于PKPM，YJK，PCMAKER等软件的三维模型受力分析，实现PC 结构的荷载作用与结构计算。注意分析过程所涉及的规范和标准不同于现浇混凝土结构的有关规定，其中尤其要注意的是抗震设计的相关规定、附加承载力计算和相关系数的调整。这些前处理条件应采用装配式混凝土结构的标准规定，输入三维分析软件的程序中，最终通过BIM结构分析，体现到PC结构设计的成果中。

（4）构造设计。基于BIM模型进行精细化的构造设计，可利用BIM 族库减少设计工作量，在常用的族库构件基础上进行修改完善即可。

1.2 基于BIM的拆分设计

在基于BIM 进行PC 结构设计的过程中，拆分设计是非常关键的环节。拆分过程需要考虑的主要因素包括：建筑物功能类型、结构受力合理性、加工制作的可操作性、运输安装环节的设备有效性、项目实施的可行性和经济性。

（1）拆分原则。涉及建筑外立面的构件拆分，应该以建筑功能和建筑艺术性为主，通过BIM 模型的可视化漫游分析，确保拆分不影响建筑立面效果；不涉及建筑外立面的构件拆分，主要考虑结构受力合理性、加工制作的便捷性、运输安装的可行性及经济性。

（2）拆分设计流程。依据规范和标准确定预制装配构件数量和范围→确定预制部分与现浇部分的分界面位置→对初步确定的断开方案进行可行性、合理性和经济性分析→预制构件的构造节点设计→预制构件的节点合理性分析→PC 构件的加工图、装配图和连接节点图设计→与建筑、机电管线设备、装饰各专业对接需求。

（3）拆分设计考虑关键因素。基于BIM的模拟拆分设计分析，墙、梁、板、柱的拆分缝位置应充分考虑结构受力的合理性，优先选择应力较小的部位，优先考虑水平方向构件（梁、板）的预制装配，混凝土竖向构件（墙、柱）尽量不考虑预制装配；应充分考虑相邻预制构件的协调关系；考虑加工方便和节省成本，拆分的构件尽可能统一和减少预制构件的规格型号。

1.3 基于BIM的协同设计

由于PC结构在施工现场灵活机动处理各专业问题的可能性较小，所有问题必须在设计阶段充分考虑。而BIM 技术平台因其具有信息集成共享、可视化、参数化、可模拟性等特点，为协同设计提供了良好的条件。基于BIM 在PC 结构的协同设计，可达到以下价值和效果。

（1）工程信息的集成共享。基于BIM 平台进行PC结构设计时，要求不同单位、不同专业的设计人员在同一BIM 平台上进行设计数据的链接、交换与共享，从而保证各专业的设计人员、构件生产商、项目管理人员和施工操作人员都能实时获得最新协同设计成果，显著提高信息沟通效率。

（2）各专业间设计协调。建筑专业、结构专业、机电管线与设备专业、装饰装修等专业的BIM 模型，通过模型整合，可以在同一个BIM 平台上展示共享。通过三维展示，提前进行碰撞与冲突分析，通过Navisworks 等BIM 软件自动检测出“错、漏、碰、缺”的设计问题，促进设计人员及时纠正这些问题，保证设计阶段的问题不带到PC 构件加工和安装环节，从而保证PC结构的设计质量。

（3）设计-生产-施工协调。基于BIM的综合管控平台，可以实现设计、生产和施工协调共享。BIM 设计成果可以传递到生产和施工环节，同时，生产厂商和施工单位也可以在平台上反馈加工和施工信息，用以修正完善设计成果，及时沟通协调。由于BIM平台有自动出图功能，可以将实时修改的BIM模型成果进行加工图出图，时刻保持图纸与BIM模型的一致性。

2 BIM技术在施工过程的应用

2.1 基于BIM的构件制作

基于BIM综合管控平台进行构件制作，主要是通过BIM 模型传递精准的构件信息至加工厂，然后生成加工图纸和加工信息至加工流水线，加工厂对各种类型的构件进行分类加工。PC 构件的加工作业形式包括全自动生产制作、固定模台制作、流动模台制作等［2］。

（1）全自动生产制作作业。可以实现BIM模型直接形成生产线设备能识别的图纸格式，生成加工指令，效率高且质量优，但是在全自动化生产线上能够加工的构件种类比较少，对不出筋的叠合板、双面叠合剪力墙及装饰不复杂的板式构件，可以顺畅地实现均衡作业；对于局部需要加强钢筋的板式构件，则需要人工辅助敷设。

（2）固定模台制作作业。基于拆分设计后的构件BIM生成加工图纸，用于固定模台制作作业。其特点是模台和模具固定不动，操作工人和加工材料（钢筋、混凝土、预埋管件等）在各模台之间“流动”，可以实现50多种标准化和非标准化的预制构件加工。

（3）流动模台制作作业。操作人员和钢筋混凝土等材料供给位置固定，模台和模具“流动”，从而实现预制PC 构件的集中养护，对混凝土振捣、模台清理、脱模剂喷涂等作业内容可以实现自动化作业。可以实现10 多种构件的作业，主要包括非预应力的叠合板、内隔墙板、剪力墙板、标准化的装饰保温一体化混凝土预制板等构件。该种作业对生产节奏要求高，必须详细安排生产节奏和工序完成时间，各加工工序的衔接非常紧密，若某个环节卡壳，则影响整个流动生产。可以基于BIM“虚拟加工”的工艺分析，提前做好预案，保证生产畅通。

2.2 基于BIM的现场安装

应用BIM 技术支撑PC 结构的现场安装，可以产生显著的效果。主要体现在三维场布分析、管线碰撞分析、三维技术交底、BIM-4D 模拟进度分析［3］、BIM安全吊装管理［4］等方面。

（1）三维场布分析。通过构建施工现场的BIM三维模型，进行优化分析，规划PC 构件的运输、临时堆放、吊装等精确位置。考虑避免或减少二次搬运现象，同时考虑起重机回转半径范围及地下室顶板上操作吊装PC构件的可能性等细节问题。通过三维场布漫游，提前发现影响PC 构件安装的潜在因素，为PC构件吊装施工提供有利条件。

（2）管线碰撞分析。在施工准备阶段，施工单位应基于BIM 综合管控平台，实现机电管线与PC 结构的碰撞分析。提前发现影响建筑净空高度、管线“错、漏、碰、缺”等现象。基于BIM 进行管线综合，并将相关信息反馈到PC加工图中，从而提高PC结构设计质量，减少施工过程中的错误和返工。

（3）三维技术交底。由于PC 结构的吊装施工要求精细化程度比混凝土现浇要求高得多，因此，对操作人员的技术交底非常重要。基于BIM 技术的三维技术交底，可以形象地展示吊装PC的工艺流程，并且对连接节点等复杂关键部位的操作工艺可以作详细讲述，便于操作人员理解和掌握操作要点，可以使一线人员快速掌握PC 结构的设计技术要点，达到良好的技术交底效果。

（4）BIM-4D 模拟进度分析。应用Naviswork，Fuzor，Synchro等软件，可以实现“几何空间三维+时间维”的BIM-4D“虚拟建造”模拟，对施工进度进行管理。并通过BIM 综合管控平台，集成共享进度信息，控制PC 构件的加工制作、运输、现场吊装的工序节奏，确保施工进度有效控制。

（5）BIM安全吊装管理。基于BIM“虚拟建造”提前发现施工现场的重大危险源，并采取措施优化安装设施布置；基于BIM+VR 安全技术交底，进行安全教育，达到良好的效果；基于BIM 综合管控平台与现场信息链接，实时进行安全管理。