对于装配式结构设计方法的研究

陈望舒

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

1 传统装配式结构设计方法的研究

1.1 传统装配式结构设计方法

传统装配式结构的设计以二维的CAD图纸作为交付的成果，只是在传统现浇结构设计流程之后又添加了装配式构件的深化设计这一步骤。具体设计阶段可分为5个步骤：①配合建筑方案进行结构体系选型。②结构试算，确定结构方案。③进行初步设计，进行结构整体分析并确定基本构件截面以及拆分方案。④进行施工图设计，完善构件配筋及大样。⑤根据施工图，进行装配式构件的深化设计。

由上述流程可以得知，在传统装配式结构设计中，前面四个过程与传统现浇设计模式基本无异，那么重点就在于最后一步的装配式构件深化设计。目前在实际工程设计的过程中，前面四个过程还是由传统设计团队完成，深化设计是交由另外的深化设计团队完成。当前构件深化设计在实际操作中主要有以下两种方法。

(1)采用基于CAD的二维方法。深化团队拿到设计好的施工图后，先在二维平面图上整合出设备各个专业需要的管线洞口及零件的预留，然后人工进行预制叠合板或叠合梁的拆分及深化图的绘制，然后利用CAD插件进行钢筋及零件的统计。此方式主要用于装配式建筑刚刚诞生的初期，目前已经基本淘汰，只适用于预制率较低的结构。

(2)采用基于BIM平台的深化设计方法。目前绝大部分深化设计团队采用的是这种形式。深化团队先将结构设计的计算模型(如YJK模型，PKPM模型)，通过接口转换为BIM平台的模型。然后在这些平台上按照施工图对三维模型进修改，人工输入配筋信息，再进行可视化三维设计及拆分，然后将拆分完的构件及钢筋方案通过软件内置的程序批量导出二维的构件深化图，由于BIM平台本地化还不充分的原因，导出的二维构件深化图还需要经过人工校核及调整才能正式交由工厂生产。

传统装配式结构设计方法的流程如图1所示。

图1 传统装配式结构设计方法

1.2 传统装配式设计方法存在的问题

(1)基于CAD二维的深化方法，由于各专业间采用传统平面图纸配合，此种设计方法配合沟通效率低，容易产生错漏碰缺的问题。同时，结构深化人员的工作量很大，一栋高层住宅即使只深化叠合板也有上百张图纸，采用人工画图形式工作效率很低，一旦改图，改图量也很大。这是一种低效且容易出错的深化方式。

(2)基于传统BIM平台的方法，此种设计方法作为第一种方法的改进。工作方法是在BIM平台中基于已经出图的二维图纸进行三维翻模，接着设计人员在程序内对翻好的模型进行深化设计，最后让程序自动批量输出深化图纸。自动生成的图纸能够避免原来人工深化造成的一些错漏碰缺。虽然自动生成的图纸仍然需要人工修改后才能交付预制厂使用，但是此种方法已经一定程度上减少了深化设计师的工作量。虽然采用了BIM平台，但是此种方法并没有实现真正的建筑模型信息化，结构的拆分深化模型与建筑模型及结构计算模型无关，仅仅作为深化的模板使用。这就导致如果遇到拆分方案修改需要反提给结构设计人员先进行结构计算模型的修改，然后再将修改后的计算模型及图纸提供给深化设计人员进行深化图的修改。此种方法虽然出图效率提高，但是建模及配合效率仍然偏低。

通过分析两种传统装配式设计方法，可以发现目前国内采用的装配式设计方法主要是两阶段设计，第一阶段为施工图设计，第二阶段为深化设计。这种设计方法往往会出现深化设计无法继承原施工图设计理念的问题，同时无论是手工绘制还是翻模出图都存在效率低下、设计准确性差的问题。

针对以上装配式结构设计问题，急需有一种新的方法来完善装配式混凝土结构设计。提高装配式结构的设计效率和设计精度。

2 基于BIM的一体化装配式结构设计方法研究

2.1 BIM技术的特点

BIM(Building Information Modeling)技术是通过将建筑的数据及信息整合入一个建筑信息模型中，利用这个模型在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对的工具[1]。我国建筑信息模型应用统一标准对BIM的定义是：在建设工程及设施全生命周期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称。

BIM技术具有以下几个特点：

(1)三维可视化

对于传统建筑行业来说，工程设计成果往往以平面图纸为主。不同专业工程人员根据自己专业技术知识来识别工程项目的构件和做法。各个构件的信息在图纸上采用线条绘制表达。而BIM提供了可视化的思路，通过直接创建三维模型，将二维的线条以三维的立体实物图形展示在人们面前。可以做到设计可视化、施工可视化、机电管线碰撞检查可视化。

(2)信息联动性

在传统的二维设计状态下，设计者需要分别绘制建筑平面图、立面图、剖面图等各类视图，且各类视图间缺乏联动，发现问题后需要逐个修改，整体效率低下。BIM技术则是通过直接创建三维模型，利用BIM技术的信息联动性，在模型中作出的任何修改均能同步更新到各类视图当中，即一处修改，处处更新，有效降低出错率，提升设计质量和效率。

(3)一体化

一体化指的是BIM技术可进行从设计到施工再到运营贯穿了工程项目的全生命周期的一体化管理。一体化基于建筑各阶段的用户都可以在同一个平台，同一个模型上对项目进行浏览或管理，大大减少了沟通成本，提高了信息共享的能力与准确性。

(4)参数化

参数化设计的特点即只要通过特征参数的修改便可以针对某一类形体或构件进行修改，可以有效提高设计效率并快速实现模型内部的有效互动。BIM模型是一个完全参数化的模型，在设计的任何阶段我们都可以通过参数的调整来控制模型的形体或实现对构件物理及几何特性的调整。

(5)模拟仿真能力

建筑物的模拟仿真能力是即基于建筑师及工程师在设计过程中赋予所创建的建筑模型大量的信息(几何信息、材料性能、构件属性等)，辅以相关分析模拟软件的帮助就可以进行日照分析、施工方案分析、施工进度的模拟等。有助于对建筑全过程进行管理。

(6)可出图性

运用BIM技术，我们可以直接针对三维模型进行建筑、结构、设备施工图的二维出图，能够提高图纸的准确性及出图效率。

2.2 基于BIM的一体化装配式结构设计方法的思路

传统装配式设计流程是以设计平面图纸为主要导向，大体流程是设计单位按建设单位的设计条件进行方案设计、初步设计、施工图设计、预制构件深化设计、然后工厂生产、现场装配施工。由于设计阶段与装配式深化阶段的脱节，一旦涉及结构调整或深化方案调整就需要调整两套模型，然后在深化模型中重新核对输入配筋再出图，这种设计方法会造成设计出图的效率和准确性都偏低。这个与BIM建筑信息化，一体化的理念是冲突的。所以需要改变传统的设计思路。

基于BIM的一体化装配式结构设计方法与基于结构模型的信息一体化，将设计和深化两阶段工作结合为一阶段，从BIM模型开始，遵循从三维模型到二维图纸的这一理念，正向的进行装配式结构设计。这种方法要求BIM模型与结构设计模型可以做到完全信息共享，在装配式阶段对模型的调整会直接反馈至结构设计阶段，同样的如果结构设计阶段调整模型，那么装配式阶段的深化也会自动按照调整后的结构模型及配筋来设计。这样就省去了传统装配式结构设计需要人工翻模及输入配筋这个设计过程，可以大大提高深化设计的效率及准确性，同时统一两阶段的设计思路，避免出现前后设计思路不统一的问题。

2.3 基于BIM的一体化装配式结构设计过程

由前文讨论可知传统装配式设计是一个二维转三维再转二维的过程，这种反复的做法其实是造成设计效率低下的根本原因。应该利用好BIM的一体化特性，以BIM三维模型到二维图纸为理念来重新研究基于BIM的一体化装配式结构设计过程。按照这个思路，总结出设计过程如下：

(1)BIM结构整体建模。在这个过程中我们可以按照传统结构设计软件的建模思路进行构件的布置和楼层的组装，然后输入荷载，建模完成后相当于同时完成了结构的BIM模型及结构分析模型。

(2)结构整体分析。在建立好模型之后，我们进入结构分析模块，输入结构分析系所需要的各种计算条件参数，进行结构的整体分析，确保结构符合规范的各类要求。

(3)结构设计。针对结构分析结果对整体结构模型进行修改调整后再进行结构整体分析并进行配筋，直至结构整体指标及结构构件配筋均符合国家规范要求。

(4)拆分方案设计。对满足结构整体分析后的模型根据建筑预制率指标要求进行结构深化的方案设计。通过选择BIM平台中已经存在的各类预制构件库来赋予结构构件的预制属性。之后进行预制率的复核，若预制率不满足，那需要改变拆分方案继续复核，直至满足为止。

(5)BIM模型分析与优化：装配式BIM模型的拆分方案设计结束后，需要验证结构模型是否满足设计规范、装配式结构要求等。通过应用BIM的三维钢筋碰撞分析，结构的短暂工况复核等功能对深化后的模型进行优化调整，直至构件合理满足要求。

(6)出施工图：BIM分析与优化结束后，基于BIM的可出图性，可直接根据三维模型生成一套完成的二维施工图。

(7)出深化图：同样是基于BIM的可出图特性，可以高效输出数量很大的结构深化图纸。

基于BIM的一体化装配式结构设计的流程如图2所示。

图2 基于BIM的一体化装配式结构设计流程

3 传统设计方法与基于BIM的一体化结构设计方法的对比

(1)两种方法的联系

这两种方法在结构力学设计上都还是以“等同现浇”的概念，以现浇结构的设计方法为依据，设计时先按传统现浇结构分析，再拆分构件，通过考虑节点的连接来保证和现浇结构相同的力学性能。同时，在深化阶段都是基于拆分好的BIM模型进行从三维到二维的深化出图。

(2)两种方法的不同

传统装配式设计方法和基于BIM的一体化设计方法的不同主要体现在以下几个方面：

①传统装配式结构设计中二维施工图纸是最重要的核心信息，方案设计、初步设计、施工图设计、深化设计等阶段均以二维施工图纸作为信息的传递媒介。各方的工作都要围绕图纸展开，而在人工围绕图纸展开工作的情况下，很容易因为个人的疏忽而造成信息传递不准确，从而影响图纸质量甚至是结构质量。而基于BIM一体化设计方法中，模型是最重要的核心信息，且结构设计及装配式深化设计均基于同一个模型，解决了二维图纸在传递信息过程中引起的准确性问题。

②传统装配式结构设计采用先整体后拆分的两阶段设计思路。两阶段的衔接过程必然增加了额外的沟通成本，影响了出图效率，而且容易造成前后端设计思路不统一。而基于BIM的一体化装配式结构设计理念是在一个阶段内就同时完成施工图设计及深化设计，可以确保上游的设计理念与下游的深化、生产有机结合，是一种更高效统一的解决方案，可以大大提高装配式结构设计的效率。

③两种方法在基于BIM的装配式结构拆分方案设计后，都需进行模型分析及深化，分析复核不满足要求时可能需要替换预制构件，进行再分析，这是一个循环的过程。但是传统的装配式设计方法由于结构设计模型与深化设计模型存在于两个不同的系统，所以数据需要在两个系统间修改传递，工作量大，效率低。而当深化模型同结构模型一体化后，分析复核的过程将变得非常容易，与现浇结构设计软件进行设计具有同样的方便性。

④基于BIM的一体化结构设计方法有助于工程师在结构设计阶段初期就可以充分考虑装配式对结构的影响，便于择优选择结构拆分方案。

通过以上分析对比研究可以发现采用基于BIM的一体化装配式设计方法可以优化装配式设计流程，将原来的两阶段设计方式整合成一阶段完成，有利于保证结构设计思路的一致性。一体化的设计方式真正实现了BIM的信息化，结构模型与深化模型的数据共享及联动让设计及修改都变得更加高效并且精准。故在装配式结构设计中，采用基于BIM技术的一体化装配式结构设计方法相较于传统的装配式结构设计方法更符合装配式建筑的理念，可以大大提高装配式结构设计的效率和精度，有着明显优越性，是装配式结构设计趋势和发展方向。

4 结论

装配式建筑作为建筑工业化的发展方向和重要组成部分，具有广阔发展空间。现阶段装配式结构设计方法仍然存在效率低、前后设计思路不统一等问题。若采用基于BIM技术的一体化装配式结构设计方法，将原来的两阶段设计整合到一起，实现结构模型及拆分模型的统一，能够有效提高设计效率以及设计精度，有助于促进装配式结构设计的发展。