基于建筑信息模型的装配式构件深化设计流程

邓朗妮, 周 峥, 叶 轩, 廖 羚, 雷丽贞

(广西科技大学 土木建筑工程学院, 广西 柳州 545006)

0 引 言

建筑信息模型(building information model, BIM)是逐渐兴起的新兴建筑信息化思想。这一思想起源于20世纪70年代, 美国国家BIM标准(national building information modeling standard, NBIMS)认为: “BIM是一个分享有关建筑项目的信息, 为该项目从设计到拆除的全寿命周期中的所有决策提供可靠依据的过程; 在项目不同阶段, 不同利益相关方通过在BIM中插入、 提取、 更新和修改信息, 以支持和反映各自职责的协同工作”[1]。随着建筑产业现代化进程的加快, BIM已成为当前国内外科研人员及建筑业界人士关注的焦点[2]。BIM技术在建设工程中具有三维可视化、 信息化管理和各阶段协同工作等优势, 近年来在钢筋混凝土和钢结构中得到了一定程度的应用[3], BIM技术可以针对建造的具体工序、 流程进行优化设计, 并通过其可视化的特点, 直观地展示优化结果、 指导施工[4-5]。BIM技术和现代装配式建筑结合, 是装配式建筑行业的一次创新, 不仅能满足建筑精细化要求, 还可以完成建筑全生命周期管理。因此， BIM技术在装配式建筑中予以深入应用与推广成为装配式建筑信息化建设的根本出路[6]。

装配式建筑体系采用统一装配的建造方式, 这种工业化的建造体系为信息化管理提供了良好的基础, 也提高了BIM管理推广和应用的可行性[7]。推广BIM技术在装配式建筑中的应用是满足国家对智慧建造的要求。 智慧建造就是应用BIM技术, 全面推进装配式建筑的绿色化发展, 提升建设项目全生命周期的科学管理水平[8]。 装配式建筑发展的优势是施工工期短、 生产效率高、 资源利用率高、 保护环境、 符合社会可持续发展理念， 其施工特点是构件多、 工序复杂、 信息管理难度大且呈动态变化[9]。目前装配式建筑对于构件精度要求和施工管理的可视化要求都很高, 而结合实际工程的特殊性对BIM技术在装配式建筑全生命周期中的使用方法所开展的研究较少, 且尚未有相关的方法学理论被提出[10]。 装配式建筑构件深化设计阶段是提高构件精度和构件管理数字化水平的重要阶段, 因此有必要根据装配式建筑建造特点和建筑规范, 对装配式构件深化设计流程和方法进行研究。本文将聚焦装配式建筑生命周期中的建造过程, 结合我国装配式建筑规范, 总结出一套完整的装配式构件深化设计流程。

1 装配式建筑深化设计研究概况和趋势

知识图谱是一种结构化的数据网络, 通过描述图谱网络中不同概念之间的相互关系来确定研究领域内的研究方向分布。知识图谱具有清晰的上下级区分, 其节点代表实体或概念, 边代表实体/概念之间的各类关系[10]。本节基于文献计量软件CiteSpace, 对2010—2019年CNKI期刊中BIM领域的相关研究进行整理分析, 以期为BIM 领域的理论研究与实践应用提供指导及借鉴[11], 数据来源及具体检索信息见表1。

表1 CiteSpace数据检索信息

1.1 装配式建筑深化设计研究热点分析

文献的关键词能够高度反映文章的主题概念和思想, 因此, 可根据频率较高的关键词确定某学科领域的研究热点[12]。通过CiteSpace软件根据关键词绘制装配式建筑深化设计研究热点知识图谱, 如图1所示。

图1 装配式建筑深化设计研究热点知识图谱

通过对装配式建筑深化设计关键词知识图谱分析可以看出: 一些突出的高频关键词所代表的研究领域为研究热点, 除“建筑信息模型”、 “深化设计”、 “装配式建筑”、 “预制构件”等关键词相对突出之外, 其他的关键词研究相对分散。各关键词的节点大小相差较大, 说明装配式建筑深化设计领域的研究热点之间存在一定差异, 研究的热点也相对集中在突出关键词。对于装配式建筑深化设计领域主要研究热点集中在: 1)装配式建筑的深化设计大部分都是依托于BIM技术, BIM的信息化优势在装配式建筑整个生命周期内发挥作用, 包括建筑性能分析、 质量检测、 碰撞检查等阶段， BIM技术在装配式建筑深化设计中的应用是学者们研究的一个热点。2)装配式建筑的深化设计以混凝土结构为主要设计结构, 一般对预制构件的设计研究较多, 因预制装配式建筑是中国建筑工业化的重要组成部分, 它在满足了绿色建筑的设计理念的同时， 相较于传统的现浇混凝土建筑提高了设计效率， 因此， 对装配式预制构件的研究也成为研究热点, 未来还可以向钢结构、 木结构建筑发展。

1.2 装配式建筑深化设计研究演化趋势探析

根据检索文献数据, 绘制国内装配式建筑深化设计领域的突现词时序图, 如图2所示。总体来看, 装配式建筑深化设计领域的发展不断从理论研究过渡到实践应用, 整个研究发展可以分为3个阶段。

图2 装配式建筑深化设计领域突现词时序图

2010—2013年, 处于初级研究阶段, 2011年, 住建部印发有关建筑业信息化发展的文件, 建筑信息化这一设计理念越来越被建筑行业所重视。而对于信息化程度要求较高的装配式建筑也迎来了基础发展。此阶段“预制构件、 “建筑信息模型”、“预制装配式构件”、 “深化设计”等成为研究重点。基于建筑信息模型的装配式深化设计以预制装配式构件为主要研究重点, 注重构件的设计合理化和效率化。

2014—2017年, 处于探索应用阶段。我国建筑产业现代化的进程在这期间飞速推进, 装配式混凝土建筑越来越成为装配式建筑的主流。 对于装配式混凝土建筑的深化设计又区分为工业建筑和住宅建筑两个研究主题方向， 虽然研究重点多在设计阶段， 但对于施工阶段的研究也开始成为一个新的热点。

2018—2019年， 政府对装配式建筑支持力度加大、 市场的需求增加, 装配式建筑研究已经到了深化设计细化阶段。随着工程的深入, 装配式建筑深化设计的应用范围也在向钢结构建筑和高层建筑转变, 同时把装配式施工的研究纳入整个装配式建筑全生命周期当中。

2 基于BIM技术的装配式构件深化设计流程

现阶段装配式建筑多以混凝土结构为主， 而装配式混凝土结构的整体设计思路是“等同现浇”[13], 该设计思路采用传统现浇混凝土设计方式对建筑整体进行设计， 但是这只完成了一半的设计, 对于上一阶段的整体建筑构件进行合理的“拆分”再“组装”才是整个设计步骤的完成。装配式构件设计完成后需要在考虑规范性和经济性的基础上对其进一步深化设计, 让装配式构件在组装后与拆分设计前的现浇结构方案实现“等同”, 以提升装配式建筑结构的安全性和整体性。装配式项目的构件深化设计根据实际工程的规模划分拆分区域, 对于拆分的构件与现浇整体之间的连接节点、 构件结合面进行设计以加强结构整体性和构件实用性, 根据《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)对连接节点荷载验算, 按照构造要求处理构件结合面。在完成这一系列的设计方案后制订合理的生产计划, 根据构件的物料表准备相应的生产材料。

2.1 基于BIM的装配式构件深化设计

装配式建筑项目需要对构件进行精细拆分深化设计以保证能够达到设计要求。引入BIM技术协同装配式建筑构件深化设计, 是借助BIM信息化、 可视化的优点来满足深化设计需求。利用BIM技术， 一方面可以优化整条深化设计产业链， 从设计、 生产、 施工、 运维各流程出发将传统复杂的深化设计流程一体化, 在流程上做“减法”; 另一方面是将建筑部品部件信息化、 数据化, 将各流程有关建筑、 结构、 机电、 装修的信息集成到BIM平台这一载体上, 使建筑信息透明化、 立体化、 多维化, 在信息维度上做“加法”[14]。基于BIM的装配式构件深化设计流程通过运用BIM技术, 分析深化设计构件的参数数据, 根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)和《装配式混凝土结构技术规程》等一系列行标规范的指导确定整体设计方案, 具体见图3。

传统的二维深化设计流程, 从建筑设计方案的拟定到图纸的审查和会审, 需要消耗大量人工资源, 并且只能通过图纸传递信息, 信息不流通、 不共享、 不协同。此外, 设计过程和分析优化过程是在不同的软件中独立进行的, 软件间的信息传递容易丢失大量重要数据、 降低参数化设计的效率。 本文提出的基于BIM的深化设计流程是以BIM模型为基础、 Revit插件平台为核心、 SQL数据库为管理后台的数据信息耦合方法， 通过深化设计平台的人机可视化操作管理界面和SQL数据库的信息融合集成, 将Revit三维模型信息与数据库进行关联, 实现基于Revit深化设计平台对构件信息进行增加、 修改、 查询、 删除等数据实时管理及后台运行。

装配式建筑对所需构件精细化要求程度往往很高, 同时又涉及到众多专业和领域, 为了实现BIM目标, 在现有设计标准的指导下, 本研究提出装配式构件的整体方案设计, 借助BIM主流软件Revit进行三维建模, 并完成构件拆分设计。将模型上传至深化设计平台, 进行预制构件库建立、 钢筋排布优化、 构件验算优化和生产优化, 之后建立匹配深化模型的构件信息模型, 在SQL数据库中存放, 调节预先设定的参数, 达到构件定型并设计相应的生产计划。

2.2 深化设计平台

图3中基于BIM的深化设计和生产阶段, 使用BIM深化设计平台, 对BIM软件进行正向设计。建立参数化项目预制构件库, 将构件验算优化的过程内嵌至深化设计平台中, 对构件进行承载力验算和施工荷载验算, 可视化验算结果并生成BOM物料清单制订生产计划。

图3 装配式建筑深化设计流程图

(1) 预制构件库建立。确定拆分方案后， 在BIM软件Revit中建立构件样板族库, 按照构件的种类和特点设置构件参数, 根据修改对应部位参数, 达到快速修改模型尺寸建立特征相似且有微小区别的构件。通过Revit公制族样板建立主要截面形式的参数化族样板库, 根据项目的拆分方案建立项目构件库, 完成预制构件库的建立。

(2) 钢筋布置。构件信息进一步明确后, 可以查看各三维构件模型的钢筋排布、 用量等信息。先检查节点连接处钢筋排布的疏密、 是否与其他构件发生碰撞等问题, 避免传统二维设计中出现的错漏现象； 再对复杂部位模拟配筋, 通过可视化界面分析图纸的准确性和可施工性, 进而提升深化设计质量, 在技术交底时三维模型的直观性是二维图纸无法比拟的。

(3) 构件验算优化。装配式构件的深化设计在于完成构件模块的设计, 对于构件的吊装、 承载力、 施工荷载等按照建筑规范进行验算以达到规范要求甚至更优。分析规范中抗弯承载力、 裂缝宽度、 受拉钢筋应力等指标, 需要在验算过程用到构件的参数， 如混凝土轴心抗压强度、 箍筋配筋量、 构件预制高度等。这些数据同样是BIM模型所需的数据, 可以在BIM设计平台通过代码开发设计模块, 将验算过程输入, 实现代入数据自动验算, 并在软件内根据结果人为优化构件。构件验算优化涉及到数据读取, Revit中构件的参数类型和单位各不相同, 读取数据前需要统一构件类型和单位。 数据读取的方法一种是读取内置名(elem.get-Parameter), 另一种是通过Symbol.LookupParameter(参数名)自动读取, 可以根据现场实际设计要求选择。

(4) BOM物料表。在达到设计要求的构件入库后, 快速读取当前构件的混凝土和钢筋信息, 通过BIM模型的数据支持, 对建筑材料进行采购成本核算和管理控制。将深化设计阶段信息关联至生产阶段, 实现设计信息到生产信息的协同共享, 最终将物料表交给生产工厂, 指导生产。

2.3 基于BIM的信息模型

BIM在本质上是基于建筑信息模型的协同工作方法, 其核心技术是信息的共享和无损流动[15]。 因此， BIM深化模型从建立到最终生成， 需要建立一个统一的匹配各层级构件的信息模型。在基于BIM的装配式预制构件库建立后， 需要将构件参数信息与构件库实时进行信息匹配。对于构件库中构件信息， 包括几何尺寸信息、 生产信息、 物料表信息等, 信息与构件型号或批次一一对应。建立SQL Sever数据库是BIM模型与构件参数匹配的关键。匹配的思路是通过BIM软件中RevitAPI的功能读取构件的几何尺寸、 钢筋配量、 材料属性等信息, 并通过SQL中的INSERT语句将这些信息同步到专属的SQL Sever数据库中， 可以通过对BIM软件的开发来完成生产工艺和生产基础数据库信息的读取。生产工艺数据和生产基础数据不仅是对设计阶段构件管理， 还为后期施工阶段的可视化管理提供保障。

BIM信息模型中以信息类别、 信息内容、 可视化方法为主体, 深化设计阶段BIM构件模型建立完成, 同时产生的附加信息是建立BIM信息模型的基础。信息模型以文件信息、 构件空间位置、 构件类型、 构件几何尺寸、 物理特性以及钢筋信息分类管理, 在模型交互传递中以可视化的方式展现。BIM信息构成图如图4所示。

图4 深化设计阶段BIM信息构成图

BIM信息模型的主要内容和实现方法如下: 1)设计资料管理： 设计规范、 原始图纸信息、 项目前期的设计规范和各个版本的项目模型文件、 设计图纸, 根据深化设计平台的文档管理界面, 对文件进行重命名, 按照图纸内容、 构件型号、 项目名称等逐一命名， 降低文件丢失造成的损失； 2)定位信息： 构件作用的空间位置信息, 如一层叠合梁、 一层叠合板等反映构件作用空间, 建模完成后对每个构件进行相应命名, 实现可视化； 3)构件分类信息： 在深化设计阶段中导入项目构件库中的构件逐一命名并添加序号, 如13-叠合梁不贯通； 4)构件几何数据： 构件在建模完成并验算优化后, 输出对应的几何尺寸、 钢筋尺寸、 预埋件尺寸、 开洞尺寸等信息, 存储在数据库中, 设计人员调出构件管理界面进行查看、 修改, 在模型交互时设计和制作双方人员可以在构件管理界面查询构件相关几何尺寸； 5)构件体积， 砼算量, 钢筋位置、 型号、 数量： BOM表自动读取当前构件的形状、 编号与钢筋配比等信息, 在深化设计阶段向生产阶段过渡时, 自动将这些信息同步至数据库, 扩展并完善构件信息, 完成构件定型, 制订相应生产计划。

3 应用实例

以《装配式混凝土结构技术规程》、 《混凝土结构设计规范》(2015版)等规范为数据源指导深化设计流程, 采用上述装配式构件设计流程与方法对杭州某新建小学风雨操场进行装配式构件深化设计(图5)。整个建筑的总建筑面积为2.1万m2, 地上建筑面积13 721 m2, 操场长36 m, 宽22.5 m。依照上述规范, 以项目所需叠合梁构件为例, 对叠合梁在库族建立、 布置、 验算、 生产计划方面进行深化设计。首先利用Revit软件构建项目叠合梁族库, 按照叠合梁的种类, 将特定的参数赋予给梁模型构件, 如预制高度、 后浇带高度、 键槽位置等， 应用深化设计平台分析, 得到精细化参数如叠合梁贯通层面积等。

图5 项目构件设计

项目设计人员通过设计平台获取构件模型尺寸和其他参数, 点击任意构件可以查询各项指标。当构件尺寸约束等主要参数设计完成后, 在构件管理界面(图6a)点击构件型号检查参数, 双击构件， 可直接对参数进行修改, 同时导出BOM表(图6b)对构件的混凝土、 钢筋等信息进行统计。 造价人员对生产费用进行评估, 制订生产批次和生产计划, 并将设置好的信息更新到数据库。施工人员根据数据库信息实时调配现场构件数据。在施工荷载作用下，联对构件的受弯承载力、 受拉钢筋应力、 斜截面受剪承载力、 裂缝宽度进行验算, 点击“验算”按钮完成各项验算指标。验算受力界面如图6c所示。

图6 平台功能界面

本文提出的装配式深化设计方法在一定程度上提高了深化设计效率, 实现了远程资源共享、 远程技术同步, 优化了装配式建筑跨区域协同的方法, 降低了装配式项目， 尤其是生产阶段成本费用, 证实了基本BIM的装配式构件深化设计的实用性以及拓展了针对BIM软件进行二次开发功能插件在建筑领域的应用。

4 结 论

为了解决装配式建筑深化设计过程中存在的“信息闭塞”、 “设计复杂”和“低效漏项”等问题, 本文以BIM技术和《装配式混凝土结构技术规程》、 《混凝土结构设计规范》为数据来源, 利用知识图谱在知识推理上的优势, 通过构建装配式建筑深化设计领域的知识图谱剖析装配式构件深化设计的研究热点和发展趋势, 从装配式建筑的设计规范和装配式构件深化设计的要求出发, 提出了一种基于BIM技术的装配式构件深化设计流程。该流程将BIM理念和技术与装配式建筑高度结合, 推动了装配式构件深化设计流程的优化和升级, 保证了深化设计的快速性和准确性。本研究中装配式构件的深化设计思路, 同样适用于建筑其他领域专业的构件设计结合BIM的二次开发技术, 对促进整个建筑行业人工智能的发展有积极意义, 具有较好的应用前景。