基于BIM的装配式建筑协同设计方法

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

引言

装配式建筑因其效率高、对环境影响小，是我国建筑业转型升级的最佳选择。装配式建筑不仅是一种建筑形式，更是一个复杂的系统工程，需要用系统工程的方法和思想去解决实际问题[1]。就装配式建筑设计而言，装配式建筑设计不仅增加了构件拆分、深化设计等内容，从设计理念、流程、方法等也应有相应的改变。BIM技术的推广和日渐成熟，为装配式建筑协同设计的实现提供了新的方法和平台。目前，BIM在装配式建筑中的应用大都停留在施工和生产阶段[2]，在设计阶段的研究多局限于对结构设计[3-4]、构件连接[5-6]、构件拆分和深化设计[7-11]等某一方面的研究，对装配式建筑的设计流程、设计内容，以及标准化、参数化设计缺乏系统性和完整性。本文基于建筑协同设计理论方法，建立了基于BIM的装配式建筑PCP协同设计概念模型，确定了装配式建筑设计的内容和流程，基于标准化、参数化设计要求，研究了预制构件拆分、设计优化的具体方法。

1 BIM协同设计

1.1 协同设计概念

所谓协同工作，是指基于计算机支持的网络环境，团队通过信息共享、转换和相互协作机制，有效地完成工作任务。建筑协同设计是协同工作在设计领域的分支，通过构建基于网络的协同设计环境，利用统一专业标准和协同设计软件，实现设计数据实时共享，以进一步提高设计效率[12]。建筑工程领域中，协同设计一般分为二维协同设计和三维协同设计。二维协同设计是以CAD软件的外部参照为基础的直线式、文件级协同，是基于二维图纸的定期更新的阶段性协同方式； BIM三维协同设计是一种新的设计范式，是在同一环境下，各专业人员基于三维模型进行的平行设计，通过信息共享、沟通协作完成同一项目设计工作的协同模式。BIM协同设计不再是设计外的加载技术，而是设计过程本身的一部分。BIM协同设计较二维协同设计其设计内容更加丰富、效率更高，更具有优势[13]。

1.2 BIM协同设计与传统设计对比

传统设计方法在项目设计中是阶段性、单向的，缺乏交流，设计过程快速简单，在过程组织、任务快速分配上有一定的优势，但项目各参与方之间缺乏交流，无法进行方案的最优化配置[14]。同时，由于各专业设计工具不尽相同，信息缺乏统一性，导致各专业间的信息数据无法完全共享。BIM协同设计方法强调“设计迭代”，即建筑设计从初期的概念设计到最终的施工图设计不断迭代，在设计前期将所有关于设计问题的各方思想统筹考虑，建筑师不再是唯一决策者[15]。BIM 协同设计是基于同一个三维模型的“闭环”，各专业可以通过网络服务器实现同步设计，信息可在上下游专业之间无缝传递共享，缩短了专业之间协调时间[16]。两种设计方法的主要区别见表1。

表1 两种设计方法的区别

区别传统设计BIM协同设计设计理念以规划和功能为重点,提供满足使用要求的设计方案,外立面以造型的美观作为判断标准在满足规划和功能的前提下,将功能及平面模块化,用模块化的设计方式组织平面,在满足工艺需求和造型美观之间找到平衡点设计内容各专业设计内容符合相关规范要求除现浇设计内容外,需对构件节点、连接做法等细节进行深化设计,且将各专业设计内容整合在一起设计流程立项→设计→施工→使用立项→策划→设计→生产→施工→装修→使用→更新多专业协同方案设计以建筑布局、功能、形体为主,初步设计阶段各专业介入,施工图设计阶段各专业密切配合后各自深化并出图结构专业介入方案设计,确定结构体系和拆分平面后,建筑专业完善平面和立面; 初步设计阶段各专业密切配合,在同一个模型中完善图纸; 施工图阶段各专业在同一平台上深化设计工作,出构件拆分大样图协同工具CAD、相关插件Revit+CAD+协同平台图纸表达二维表达二维+三维表达工地验收施工现场验收对构件厂和施工现场均进行验收

2 基于BIM的装配式建筑协同设计实现

BIM协同设计从协同的内容角度可以分为三个层面，即全过程协同、专业协同和构件协同。全过程包括方案设计到深化设计的四个设计阶段，并考虑施工阶段主要施工工艺； 专业协同是指建筑师、结构师、暖通水电、构件加工、施工安装等不同专业工种的协同； 构件协同即指三维模型的设计精度和模型交付所需要的信息。以上三者的信息交互协同是基于BIM三维模型实现的，其中全过程协同是原则，专业协同是实现手段，构件协同是基础。

2.1 PCP概念模型

基于BIM的协同设计PCP(Professional-Component-Process)模型系统表述了装配式建筑构件设计、专业协同、构件生产等关键环节之间的关系，如图1所示。图中打“√”者为协同设计设计选项。

图1 PCP集成设计概念三维模型

(1)构件设计与专业协同结合。构件设计即应用BIM建模软件完成的包含图形信息和非图形信息的三维模型。预制构件(Component)设计应与专业(Professional)相关联，根据不同专业分工要求，利用网络平台不断补充完善模型信息。一般来说建筑师首先提出设计方案，其后结构、水暖电工程师、构件制造生产商等先后介入，这种次序是传统设计的流程，但含有丰富信息的三维模型和高效的网络协同平台可以实现信息的及时共享，并且通过设定权限的方法对实现对三维模型的浏览、编辑下载、下载上传，可以极大提高设计效率。

(2)构建设计与生产过程结合。预制构件(Component)设计应与实际生产过程(Process)相结合，因不同设计阶段内容和深度各不相同，构件包含的信息各有差异，但具有迭代性，模型信息的精度和细度根据IDM信息交付标准规范来确定，以满足使用要求为目标，尽量使模型轻量化，避免信息繁冗。

(3)专业设计与生产过程结合。不同生产阶段对应不同的专业工作，但生产过程和专业工作的成果并非是线性的传递过程，可以利用BIM虚拟仿真工具，对后续工作进行模拟分析，在BIM模型中实现过程集成和专业集成，以提高设计质量和效率。如装配式建筑方案设计阶段，结构专业应提前介入，结构专业根据建筑专业确定的建筑布置形式初步确定结构形式，并做出结构方案，进行构件初步拆分和预拼装模拟。

PCP概念模型从概念上解释了装配式建筑协同设计的内涵和内容。在实际应用时应从以下几方面入手：其一，过程中应在原有设计流程中增加深化设计、生产加工和施工安装环节。尤其是预制生产阶段应与充分考虑项目总体设计和施工安装； 其二，各专业协同设计工作应严格依照《建筑信息模型设计交付标准》(GB/T 51301-2018)，除满足模型精细度和粒度要求之外，尤其要注意对象和参数及文件的命名规则； 其三，建立装配式建筑的标准构件库。装配式建筑的特点是模块化、标准化、参数化，丰富的构件库可以极大提高设计效率。

表2 不同专业的模型精细度

LOD100LOD200LOD300LOD400LOD500建筑专业模型精度略略建筑外观细节:扶手、楼梯; 内墙、隔墙、管道井; 家具、卫浴装置建筑外观细化; 预孔洞预留内部二次装修、细节深化; 隐蔽工程典型用途概念设计方案设计初步设计、碰撞检测施工图设计、现场模拟施工和竣工模型结构专业模型精度主要预制构件:叠合梁、外墙板、柱、叠合板等次要构件:楼梯、洞口、空调板等节点钢筋模型,所有未提及的结构设计、安装加工模型施工支护、围护结构、临时支撑、预埋件典型用途结构概念结构布置方案结构初步设计、碰撞检测深化设计、详细碰撞检测、结构展示施工模拟、施工碰撞检测机电专业模型精度—主干管线、桥架分支管路、机房设备、线管、配电箱、控制柜毛细管路、管路末端设备、阀门、卫浴装置、灯具开关面板、支架、特殊三通/四通加工模型典型用途—方案设计初步设计、碰撞检查、预留孔洞施工图设计、碰撞检查施工管理、细部表现

表3 预制构件拆分原则

2.2 BIM模型交付标准

协同设计的关键工作是各确定模型设计深度和精度。按《建筑信息模型设计交付标准》(GB/T 51301- 2018)装配式建筑预制构件各专业BIM模型精细度如表2所示。装配式建筑主设计主要分为4个阶段：

(1)方案设计。结构工程师介入，模型精细度为LOD200。根据建筑布局初步确定结构形式，进行构件拆分、预拼装模拟，配合业主和建筑设计师进行方案可行性评估；

(2)初步设计。暖通设备工程师介入，模型精细度为LOD300，完成构件的土建、钢筋、设备、管线布设等信息；

(3)施工图及深化设计。对节点连接等内容进行深化及补充建模，达到LOD400的要求，进行碰撞检查、施工模拟、施工图设计优化；

(4)施工阶段。模型精细度为LOD500，要求模型中包含以实际施工工艺为主的时间、成本、采购、加工及运输等工程管理内容。

2.3 构件参数化设计

装配式建筑设计需要采用工业化建造的思维，要求标准化、参数化、精细化，以满足工业化批量生产的要求[17]。构件拆分、构件深化设计是装配式建筑结构设计特有的内容。BIM协同设计为实现装配式建筑的参数化设计提供了技术支撑，Autodesk公司提供的基于Revit建模工具的Dynamo和Structural Precast for Revit插件，可用于构件拆分和结构分析计算。

(1)构件拆分

首先根据各构件拆分原则进行拆分，拆分原则如表3所示。

(2)构件结构分析

1)设置钢筋

构件进行拆分后，需要对拆分后的构件按设计规范配置钢筋。以叠合梁钢筋配置为例，基本过程如图2所示：从结构模型中拾取已有的现浇构件钢筋的相应尺寸、类型、直径、钢筋宿主ID等，在Dynamo中根据规定进行重编辑，通过中心线生成拆分后的构件的钢筋，然后再给予位置、弯钩、直径等信息。

图2 配筋流程图

图3 钢筋的创建

Dynamo运行步骤： ①输入钢筋的相关参数，确定钢筋距离，调取Rebar.FollowingSurface节点创建钢筋曲线； ②利用Rebar.GetProperties确定梁的ID、钢筋的类型、直径及种类、起点和终点弯钩方向和角度； ③调取Rebar．GetCenterlineCurve节点得到梁的纵筋线段(纵筋中心线即叠合梁中心线方向)； ④调用Curve.PlaneAtSegmentLength取得直线处垂直平面，该垂直平面首尾确定为后浇段的首尾； ⑤调用Geomentry.Intersect节点取得纵筋与垂直平面间的交点； ⑥根据已拆分的叠合ID、梁中线方向以及已获取的钢筋直径、弯钩和类别等信息，调用Rebar.ByCurve节点，绘制叠合梁纵筋[18]。Dynamo程序图如图3所示，创建完成的钢筋如图4所示。

图4 钢筋示意图

2)结构分析

图5 结构分析流程

图6 基于Dynamo结构分析程序图

结构分析利用Revit和Dynamo结构分析包(The Structural Analysis for Dynamo package)进行参数建模和结构分析，对Dynamo分析结果与设计标准比对。Dynamo参数化建模的优势在于结构荷载值与几何尺寸的变化是同步的，可实时优化设计方案。设计过程中需对单位面积重量、竖向位移、稳定性、内力调整等指标进行与标准的比较。

Dynamo主要操作流程如图5所示：Revit完成结构及建模后，在The Structural Analysis for Dynamo package结构分析包中调取Ananlysis.Calculate节点，对选中构件进行有限元结构分析； 调取节点analyticalBars、analyticalNodes、analyticalPanels分别对构件点、线、面分析，具体如图6所示。分析结果主要包含单位重量、构件位移、内力和反力，并将分析结果与与装配式建筑剪力墙结构整体设计控制指标比较，若有不符合标准要求的，重新调整结构模型并运行Dynamo，直至符合规范要求。

3 应用实例

3.1 项目概况

该项目为南京市保障性住房，位于江苏省南京市秦淮区，周围交通便捷。项目距离最近的装配式构件厂50km，属合理运输范围。项目综合技术经济指标见表4。图7、8为本项目的BIM三维模型和标准层平面图。

表4 综合技术经济指标

项目单位数值总建筑面积m21 583.85设计使用年限年50层高m8.7耐火等级二级屋面防水等级二级抗震设计七度目标装配率不低于65%目标装配式建筑等级A级及以上

图7 BIM三维图

图8 标准层平面图

3.2 建筑设计

1)户型设计

本项目共两种户型，面积在70～100m2。住宅空间需求倾向于经济、舒适、便利。套型平面图如图9、11所示，相对应三维图如图10、12所示。

图9 套型①平面图(74m2)

图10 套型②平面图(93m2)

图11 套型①BIM三维效果

图12 套型②BIM三维效果

2)装配式设计要求

本项目为装配式剪力墙结构，梁、预应力叠合板、女儿墙、楼梯、外墙板为预制，结构柱、非预应力楼板和部分板为现浇。采用集成式厨卫，围护墙与保温、隔热、装饰一体化，内隔墙与管线装修一体化，结果见表5。

3.3 结构设计

1)构件拆分

根据《装配式混凝土结构住宅建筑设计示例(剪力墙结构)15J939-1，以板构件拆分为例，拆分过程为：首先对模型中的预制构件做预拆分处理，在拆分时需要对拆分参数进行控制。如，在4.1节所述楼板跨度应小于6m，楼板重量限制在6 000kg以内，且以大板和单向板优先。拆分后的部分板如图13所示。本项目中，叠合板的种类根据计算规则为单向叠合板，共计2种。本项目核心筒区域及部分卫生间区域为现浇，在扣除该区域后，标准层叠合梁共计6个，其中框架梁4个，次梁1个，连梁1个。预制外墙为非承重混凝土墙9个，拆分结果见表6。

表7 结构整体控制指标结果

节点位移构件位移内力反力符号数值节点符号数值杆件符号数值杆件符号数值支撑Uxmin-0.01cm3Uxmin0.00cm7Nmin-19.48 kN1Rxmax2.25 kN34Uxmax0.00 cm9Uxmax0.00cm1Nmax9.74 kN1Rxmin0.00 kN1Uzmin0.00 cm7Uzmin-0.01cm12Qmin-8.83 kN13Rzmax123.31 kN46Uzmax0.00 cm1Uzmax0.01 cm3Qmax8.80 kN13Rzmin0.00 kN1Ufimin0.00°1挠度min-0.01cm12Mmin-9.40kN∗m13Rmmax0.00kN∗m1Ufimax0.00°9挠度max0.00 cm9Mmax4.48kN∗m12Rmmin0.00kN∗m1

表5 构件类型

类型结构柱梁楼板女儿墙楼梯墙板现浇√√√预制√√√√√

表6 拆分构件类别

类型类别共计预制墙板预制外墙(9)9个叠合梁框架梁(4)次梁(1)连梁(1)6个叠合楼板单向叠合板(2)2个

图13 部分板的拆分结果

图14 一榀框架示意图

2)配筋及结构分析

将拆分后的构件进行配筋并进行结构分析。以柱梁组合为例，根据规范15J939-1及图8所示Dynamo的计算程序进行配筋设计，进行结果如图14所示； 并利用图6所示的计算程序计算可得节点位移、构件位移、内力、反力如表7所示。经比较，设计结果符合设计规范。

4 结论

装配式建筑是建筑业转型的方向，BIM技术是促进装配式建筑实施的有效平台和方法，基于BIM的参数化集成设计方法有助于装配式建筑设计模块化、标准化、通用化，参数化设计可以极大提高设计效率，有助于设计方案的优化比选。本文采用的基于Dynamo的构件参数化设计方法，仍属于弱参数化应用，如何在BIM平台下以PCP概念模型为切入点，建立不同结构形式的装配式建筑参数化设计平台是未来研究的重点。