基于BIM的装配式结构设计与建造关键技术探讨*

2020-08-13杨金凤

九江学院学报(自然科学版) 2020年2期

杨金凤

(阜阳职业技术学院安徽阜阳 236031)

建筑行业是中国国民经济发展的重要产业之一，随着社会经济的发展以及科学技术的进步，传统建筑的设计方法以及建造方法已经无法满足现代化建筑的需求，人们绿色环保的理念也越来越深入，所以必须要对传统的设计和建造方法进行改革。BIM技术的出现是必然趋势，BIM技术能够通过关联各个环节，让各个过程的信息得到集成，避免到最终建造环节出现脱节，并能全程控制构配件的需求量，为建筑行业提供了技术支撑，能有效推动中国建筑行业的进一步发展。

1BIM技术与装配式结构概述

1.1BIM技术的含义与特点

BIM技术主要是基于整个建筑工程当中各个环节的数据信息，构建出科学的建筑模型，实现了建筑产业的信息化发展。通过三维信息技术能够在一个工程模型当中集成项目中所有的信息数据内容，让工程的设计、施工等环节能够实现一体化，保证每个工序都能得到协调发展。目前国内外常用的BIM技术有很多，具体见表1。BIM技术的主要特点包括可视化、可协调性、可模拟性、优化性等。①可视化：在二维的施工图纸当中，工程人员只能靠自己的想象力构建出建筑构件的形式，但是随着建筑工程项目越来越复杂，依靠想象力无法保证想象的准确性与可靠性。而BIM技术则可以使用三维立体的方式，在工程人员面前直观展示建筑构件，不仅减轻了工程设计人员的工作量，同时还能保证建筑设计图纸的准确性和可靠性。②可协调性：在整个建筑项目施工的过程中，施工图纸有着非常重要的引导作用，如果施工设计图纸出现了问题，各方没有得到有效的沟通与协调，就可能导致发生严重的安全事故。而BIM技术所具有的协调性则能避免该问题的发生，其能够在建筑项目建造之前对各个专业的设计进行协调，能有效降低各个专业之间存在的冲突。③可模拟性：目前BIM技术不仅能够模拟建造之前建筑物的建筑节能、施工等相关方面，还可以对一些紧急情况的应急处理方案(运营和维护阶段的逃生情况等)进行模拟，让整个施工方案更加科学、合理。

表1 国内外常用的BIM软件

1.2装配式结构的概述

装配式结构主要是指将预制的混凝土构件通过一定的连接方法进行装配的混凝土结构。装配式结构是工业化发展的体现，通过系统化设计、模块化拆分相应的建筑构件，并在工厂内进行预制生产，然后再在施工现场进行装配安装。其与传统的现浇结构相比，生产效率更高，且在一定程度上节省了人工资源，具有较大的环保节约的特点。但是其在实际使用的过程中也存在受到运输条件的限制、设计难度较大等的问题。目前装配式结构被氛围框架结构、剪力墙结构以及框架-剪力墙结构三种类型。

2以BIM技术为基础的装配式结构设计方法研究

2.1设计思想

传统的装配式结构设计方法主要是参照现浇结构进行设计，通过对预制构件进行深化设计之后，最后进入施工现场进行最后的装配工作。该类设计方法设计的预制构件种类较多，限制了预制构件实现工业化发展，所以在现代社会中必须积极转变这类传统的设计思路。通过创新后的装配式结构设计方法应该更加注重预制件的通用性，减少对构件的种类设计，保证设计出的建筑产品能够满足多样化的需求，所以通过利用BIM技术，应该统一标准且通用的构件，形成相应的预制件库。在设计装配式结构的过程中，可以选择预制件库中已有的预制构件，从而建设设计的步骤，通过减少设计人工和设计时间成本，减少工程造价的成本。

2.2设计方法

传统的装配式结构设计当中，由于设计的预制件尺寸、型号等较多，不能适应现代社会中标准化和工业化的设计，也就不能实现自动化生产的目标。所以基于BIM技术的装配式结构设计方法首先应该形成和完善预制构件库，其次应模拟出BIM模型；再分析和优化BIM模型；最后应用BIM模型。

2.2.1形成与完善阶段在设计以BIM技术为基础的装配式结构当中，设计预制件库是重点与核心，在设计BIM模型时需要将其作为基础，通过构件预制件库保证预制件的标准和通用化，让预制件工厂的流水线施工更加方便，从而满足各类建筑的需求。在设计标准化、通用化的预制件时，需要根据不同的结构类型设置出不同的预制构件，并按照荷载大小、跨度等的不同情况对构件进行分类，构件出预制构件的集合，形成预制件库之后还应完善，在设计的过程中如果没有找到满足设计要求的预制件，则应该将其重新定义，让预制件库更加科学和完善。

2.2.2构建BIM模型通过创建预制件库，就可以按照相关的设计要求在预制件库中进行查询，并构建出相应的BIM模型。构建BIM模型主要是为了预设计装配式结构，让其能够保证安全，设计完成之后还应该分析和复核，使用各种检查方法不断调整和优化BIM模型，保证其使用可靠性和有效性之后才能投入生产和施工工序中。

2.2.3优化和分析BIM模型经过设计的BIM模型需要经过分析和复核之后才能投入使用，让结构的安全性得到保证，让最终的设计方案具有较强的合理性。如果分析、复核不符合相关的规定，则应该在预制件库中重新挑选出更加合理、科学的构件进行替换，再进行分析和复核，直到最终的模型满足设计要求。

2.2.4 BIM模型的应用当BIM模型满足相关的设计要求之后，就能投入建造使用。在建筑工程建造阶段中，可以利用BIM模型对施工的进度进行模拟，从而让预制构件的生产、运输、施工等各个过程能得到合理的规划，让整个工程实现科学的管理。

2.3基于BIM技术的装配式结构设计方法与传统方法的对比研究

传统的装配式结构设计方法主要基于二维施工图纸，然后开展方案设计等各个阶段，在对图纸处理的过程中不仅需要耗费大量的精力，同时由于人工进行操作，可能会出现信息不明等误差情况，造成设计的失误情况，影响建筑工程施工的效率和质量，并浪费建筑资。但是应用BIM技术能够通过构建BIM模型，让专业之间进行积极的沟通与交流，减少了误差，并能实现信息的共享，三维的图形设计让整个建筑工程更加直观，进一步提高了建筑施工的效率。

3基于BIM的装配式结构建造关键技术

3.1创建以BIM技术为基础的装配式结构预制件库

在装配式结构设计中应用BIM技术主要是让各类建筑信息实现资源共享，所以建立相应的装配式结构预制件库是应用BIM技术的基础。设计单位以及预制件单位应共有该预制件库，当设计人员开展设计工作时，能够随时在预制件厂内查询，避免设计的预制件工艺复杂，增大预制件制作的难度，并且创建预制件库还应该实现预制件库的相关功能。详见图1。

图1 创建预制件库流程图

首先设计装配式结构应该按照相应的结构体系进行。如果同一类型的预制件较多，则需要归并该预制件，同选择具有较强通用性的构件纳入预制件库中，所以应该按照不同的专业和类型分别建立预制件库。其次入库的预制件上都应该进行编码，让预制件更容易被区别，避免因为信息不足对预制件的实际使用造成影响。最后预制件入库时必须要根据统一的标准进行，在入库前还应该按照相关标准对其进行检查，保证其相关的信息能够准确可靠。只有通过保证入库的有效性，才能让预制件库将其作用最大化发挥出来。在管理构件库过程中，还应该定期进行更新和维护，让预制件相关信息的完善性和准确性得到保证。

3.2选择并分类预制件

3.2.1分类方法由于目前装配式结构不同，所以创建预制件库也应该根据相关的结构体系进行分类建立，如图2。目前比较常见的装配式结构体系包括预制预应力混凝土装配整体式框架体系、预制混凝土体系和预制混凝土模板体系、新型预制混凝土体系以及叠合剪力墙结构体系等。预制件进行分类是预制件入库与检索的重要基础，为了能够提高预制件库使用的便捷性，就需要根据相关的分类构件出储存的结构，从而让其形成具有规律性的预制构件体系。一般情况下，还可以按照建筑、结构以及设备等的功能不同进行进一步细分。文章主要按照建筑结构对其进行划分，包括地基基础、主体结构以及二次结构。

图2 装配式结构体系

3.2.2选择方法在预制件库中的预制件应该保证其使用的通用性和标准性。选择的步骤如图3所示。

图3 选择预制件库中预制件的步骤

由前述可知，预制构件需要根据目前常用的装配式结构体系进行仔细的分类，且不同的体系对类型相同的构件区别较大，因此需要单独设计。对于已经分类的预制构件，则应该对其主要的控制因素进行统计。比如预制板，其受力的特性主要产生于板的厚度、荷载等方面，因此可以根据相关的受力因素对其进行分析统计，并制作入库。但是建筑结构中的梁、柱等结构的受力情况相对比较复杂，所以在划分构件的过程中应该首先统计预制构件，并将其归并，降低主要控制因素带来的影响，从而更加科学的预制构件。

3.3创建相应的编码与信息

分类和选择预制构件只是整个过程中的一个小步骤，其并不是构件入库的全过程。BIM模型构建的重点主要是创建信息，而预制件入库的过程就是创建信息的主要过程。在创建信息的过程中应该将每个预制构件进行编码，方便区别，并按照以下的编码原则进行编码：唯一性、合理性、简明性、完整性、规范性以及实用性，让相关工作人员的管理工作更加方便，也避免出现失误情况。

目前比较常用的建筑信息分类编码方法为UniformatⅡ，其主要通过利用层次分类方法，将整个编码体系分为四级层次结构，其以及类目下包括基础、外封闭工程、配套设施、设备家具等方面，二级类目包括地上结构、外护结构、地下室、基础、内墙以及楼梯等部分，目前预制件的编码如表2所示。

表2 预制件编码

表2中，X1表示预制件的分类编号；X2表示预制件的外形尺寸标识；X3表示预制件的表面标识；X4表示数字与字母的混合。

对预制件进行编码的主要目的是为了将各个构件进行区分，在设计和生产的过程中能够准确制定出相应的构件，保证工程的施工质量和效率，传统的二维设计过程中，建筑工程的相关信息主要体现在各类图纸当中，导致建筑信息比较分散，可能会出现信息重复、混杂的情况，而基于BIM技术建立的BIM模型，能够将所有的建筑信息进行统一，能够保证设计的质量。

创建预制件的信息应该基于三维模型，并在三维模型当中添加更加完善的几何与非几何信息，其具体的创建过程如图4所示。创建整个建筑过程中需要的预制件信息一般分为创建预制件库信息和添加相应的生产、运输以及管理维护等信息。由于在工程设计的过程中需要在预制件库中选取相应的构件设计出BIM模型，并不断将设计信息进行深化，保证BIM模型的使用能够指导预制件的生产、运输以及施工。所以在创建预制件库信息的过程中，就必须要保证信息的完整性和科学性，才能让整个设计工作和施工工作顺利进行。

图4 创建预制件信息的过程

3.4以BIM技术为基础的预制件库的应用

在基于BIM技术的装配式结构设计方法当中，预制件库是非常重要的内容，整个设计内容必须以此为基础，才能顺利开展。在设计装配式结构的过程中，首先需要根据相关的设计需求确定实际的标高，并使用科学、正确的装配式结构体系；再根据设计需求选择预制件的类型，充分对预制梁柱的协调性进行考虑之后才能布置其他的构件，从而完成BIM模型的设计；再次需要分析和复核BIM模型。如果BIM没有出现问题，就可以确定结构的设计方案；如果不满足相关的要求，则需要重新选择预制件类型，将其替换，再进行分析和复核，直到满足设计要求，最终才能进行生产与施工。文章主要简述了基于Revit的预制构件制作流程,详见图5。

利用Revit软件完成相应的世构体系创建预制构件，并通过相应的二次开发的平台增加了预制构件库的管理功能，说明以BIM技术为基础创建预制构件库并实现管理功能具有一定的可行性。