BIM 技术在装配式建筑设计开发中的应用研究

［钱忠骅 任明宇 王琼 任刚 黄永慧 董延锋］

1 引言

2020 年9 月住房和城乡建设部等9 部门联合印发《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》[1]。《意见》提出，大力推广BIM 技术，加快推进BIM 技术在新型建筑工业化全寿命期的一体化集成应用。加快新型建筑工业化与高端制造业深度融合，搭建建筑产业互联网平台。以新型建筑工业化带动建筑业全面转型升级，打造具有国际竞争力的“中国建造”品牌，推动城乡建设绿色发展和高质量发展。

BIM 技术被认为是继CAD 之后，建筑业第二次“科技革命”，也是建筑产业信息化的重要抓手[2]。要加快信息技术融合发展，大力推广BIM 技术，加快应用大数据技术，推动传感器网络、低功耗广域网、5G（第五代移动通信技术）等物联网技术在智慧工地的集成应用。在装配式领域，BIM 应用工具类软件的生产效率已高于传统设计方式[3]，成为生产力工具，形成了常态化工作方式。低成本、易获取的高精度模型，可实现预制构件深化设计自动出图，可协同全专业模型三维展示，降低该类型项目检查碰撞问题的难度，为工厂生产管理系统发挥作用提供准确的几何模型和数据模型[4]。

《中国建筑业BIM 应用分析报告（2020）》[5]指出以BIM 技术应用成果为载体，促进企业实施创新驱动发展战略，有助于推动建筑业高质量发展。为解决建筑工程施工进度领域中的数据获取、分析与模型求解等问题，可以结合BIM 技术与遗传算法的优势，构建建筑工程施工进度优化体系，有助于提升BIM 技术在项目管理领域的应用效果[6]。为了促进预制装配式建筑产业中的信息化和工业化的融合发展，可以将BIM 技术与物联网技术紧密结合，有助于促进传统建筑产业化与信息工业化的深度融合[7]。为了在施工阶段采用一种创新的方法来减少废物对环境的影响，可以利用BIM 技术开发一个内置BIM 工具，在综合环境中评估转化为废物的材料对环境的影响，从而深入分析产生垃圾的主要原因，提出减少垃圾产生的对策[8]。另外，BIM 技术和三维激光扫描技术在预制装配式建筑智能施工安装系统研究中发挥重要作用[9]，通过优化现有管理方法与施工工艺，降低了安装偏差，有助于施工过程的精细化。特别是在“互联网+”环境中，BIM 技术在建筑工程招投标管理中得到很好地应用，可以很好地提高建筑工程的管理效率，帮助企业降低建筑投入成本[10]。在装配式轨道交通工程预制构件生产管理应用中，将BIM技术和数字孪生技术相结合，可以实现实体生产与虚拟施工的信息交互，从而解决生产过程中组织协调困难的问题，获取了良好的综合效益[11]。在建筑物的震后加固修复过程中，可利用BIM 技术建立一个建筑物震后重建的可视化框架，设计了一个信息采集模板，用于集成损伤信息、加固方法、技术方案、施工措施等多维信息，有助于修复震后建筑物和提高抗震能力[12]。BIM 技术在钢结构装配式超低能耗建筑中得到充分应用[13]，将BIM 技术、装配式建筑以及超低能耗技术相结合，可实现装配式建筑的智能化管理和精细化施工，为未来超低能耗建筑领域的发展开拓广阔的应用前景。

本文以合肥市红莲园安置房小区项目为例，介绍BIM 技术在本项目装配式建筑中的应用。首先，在深化设计阶段建立高效的全楼预制构件BIM 模型，由模型自动生成输出预制构件加工图纸。其次，在预制构件阶段深化设计BIM 几何模型和信息模型，延伸了BIM 模型和数据的应用场景。在项目实施过程中，BIM 技术的运用提高了装配式建筑预制构件深化设计的效率和质量，实现了模型和数据传递，具有很好的工程应用前景。

2 装配式BIM 深化设计模型和方法

传统深化设计使用CAD 软件，设计师手动绘制预制构件的三视图、统计钢筋预埋件的数量，输出成果为PDF或DWG 图纸。制图过程繁琐，重复工作量大；深化设计成果与建筑、结构、机电专业之间的协同，均基于二维图纸，碰撞检查难度大，对设计师的经验和空间想象能力要求极高。为了解决该问题，使用BIM 技术进行装配式建筑深化设计，可实现预制构件BIM 模型自动出图，快速生成全楼预制构件模型。BIM 模型中所有预制构件均可导出为XML 格式文件（可扩展标记语言）。支持在新的项目模型文件中导入生成相同的预制构件，并支持继续编辑修改，有效减少设计师相似预制构件重复建模的工作量。相比使用传统的族库软件管理预制构件族文件的方式，本项目技术能够管理复杂度更高、规模更大的族嵌套关系，对实际项目预制构件形状、钢筋布置、预埋件种类多样的情况适应性更好。

2.1 基于BIM 技术的装配式建筑深化设计模型

使用BIM 技术进行装配式建筑深化设计，可实现预制构件BIM 模型自动出图，快速生成全楼预制构件模型，如图1 所示。从而充分发挥三维模型可视化优势和多专业协同能力，为绘制预制构件图纸、统计BOM 表数据、校核碰撞问题提供新的解决方案。同时，在深化设计过程中，可同步完成预制构件预拼装。协同建筑、结构、机电、装修BIM 模型，设计师可方便地检查预制构件内部碰撞、构件与构件之间、预制构件与机电管线之间的冲突问题。

图1 BIM 技术预制构件三维模型图

传统深化设计工作输出成果为纸质图纸，基于BIM技术的预制构件深化设计方式，设计端输出成果是图纸和三维模型，预制构件几何模型和信息模型能够数据化，从而实现设计端与预制构件加工厂之间的数据打通，节省工厂生成管理系统内信息重复录入的工作量，为工厂生产管理系统三维进度展示提供模型骨架。如图2 所示，系统读取BIM 几何模型和信息模型效果展示图。

图2 系统读取BIM 几何模型和信息模型效果展示图

预制构件BIM 模型既是深化设计出图的前置条件，也是深化设计师工作的副产品。预制构件模型精度可达LOD400，对现场问题可以进行全面、准确、直观的描述。并根据对应的材料表设置，正确分配不同楼层预制构件的属性信息、构件身份编码，生成全楼预制构件清单。如图3 所示。

图3 预制构件LOD400 精度模型

2.2 基于BIM 技术的装配式深化设计方法和软件

在装配式BIM 深化设计软件方面，使用canvas 画布模式参数化地建立预制构件混凝土、洞口，建立钢筋模型，布置线盒、吊点预埋件等预埋件，操作界面定制化程度更高，更专业。如图4 所示，操作界面根据不同种类的部件的构成特点高度定制化，相比全三维模式建模，设计师工作效率大幅提高。

图4 预制构件参数化建模界面

依据BIM 模型，自动生成预制构件深化设计图纸，包涵平面图、剖面图，BOM 表信息，将设计师从繁琐的统计钢筋工作中解放。预制构件BIM 模型修改后，图纸、BOM 表自动更新调整，对项目方案频繁修改有较强的适应性。项目实施过程中，单个复杂预制外墙的深化设计出图所需工时从传统方式的3 个小时，减少为30 分钟。高效的建模、出图能力有效保障BIM 技术可实施、可落地。

装配式BIM 设计软件可在楼层之间批量复制预制构件，最终生成全楼预制构件模型。根据对应的楼层材料表设置，使用定制开发的软件功能，可根据生产管理系统的需求，输出预制构件的位置，尺寸，材料，钢筋信息，预埋件信息等。传递的数据格式更自由，规模更大。后期可对接工厂的自动加工设备，输出对应格式的加工文件。数据输入输出流程图如图5 所示。

图5 数据输入输出流程图

3 装配式BIM 设计方法在合肥红莲园项目中的应用

3.1 项目概况

安徽省合肥市红莲园安置房小区项目，位于安徽省合肥市经济技术开发区，总建筑面积39 万平方米，共23 栋住宅，建筑高度81 米，采用装配整体式剪力墙结构体系，预制装配率要求50%，装配式建筑实施面积23 万平方米，住宅单体设计采用标准化户型模块。本项目使用的预制构件类型包括：（1）预制混凝土复合保温外墙板、（2）预制混凝土内墙板、（3）预制混凝土PCF 板、（4）预制混凝土楼板、（5）预制楼梯，（6）预制梁，（7）预制混凝土阳台板，如图7 所示。项目共使用423 种预制构件，预制构件总数量5.9 万片，预制构件总方量4.68 万立方米。

图7 预制构件类型

3.2 应用案例

以合肥市红莲园安置房小区项目为例，在项目深化设计阶段，通过建立全楼预制构件BIM 模型，由模型自动生成输出预制构件加工图纸。然后，在预制构件阶段，深化设计的BIM 几何模型和信息模型，可数据化传递，延伸了BIM 模型和数据的应用场景。项目流程如图8 所示，BIM技术在本项目装配式建筑中的应用效果图如图9所示。

图8 项目流程图

图9 项目效果图

目前，装配式BIM 设计方案已经应用于建筑工程项目中，在系统应用期间，没有出现构件重复制作以及构件质量等管理问题，并且由于该系统具有实时操作记录功能，极大的提高了报表效率，减轻了文员和管理员的统计工作。同时，相比于传统方法，使用装配式BIM 设计方法大大提升了项目的设计效率，其中多专业协同效率、出图效率、图纸准确率等都有明显提升，并且通过构件编码规则优化后，所有构件一件一码，一一对应，方便了全过程管控。

4 结论

本文使用基于BIM 技术的预制构件深化设计方式，充分发挥了三维模型可视化优势和多专业协同能力，提高了装配式建筑预制构件深化设计效率和质量。以合肥市红莲园棚户区改造项目为例，本文提出的BIM 设计方法实现了设计端的模型和数据传递，提升了管理效率，展现了良好的工程应用价值。越来越多的建筑企业应用BIM技术，但是BIM 技术应用大规模装配式建筑的软件定制化开发和快速自适应建模方面需要进一步加强技术研发。