BIM技术在装配式建筑设计中的应用

文/中国建筑设计研究院有限公司 张 玲 潘 悦

0 引言

2020年7月，住建部发布《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，进一步推动装配式建筑的发展。传统二维平面设计方法中各专业相对独立，在设计过程中进行阶段性综合，此种方式虽可满足装配式建筑的基本需求，但设计效率和质量难以提高，装配式项目中工厂生产和现场装配的时差及质量偏差导致返工成本很高。基于BIM技术构建的一组协同BIM模型被各专业共同使用，可完整描述工程设计对象，真实反映建筑产品信息，辅助各专业改进和优化设计，提高设计质量。另一方面，BIM技术可作为沟通协同的工作方式，为建筑产品提供多方共同沟通的载体，确保信息的一致性，是一种新型协作设计模式，可减少浪费。

1 BIM技术与装配式建筑

BIM技术是以建筑工程项目的各项相关信息为基础，集成建筑所有的几何信息、功能和结构信息，建立三维建筑模型，通过数字信息模拟建筑物所有的真实信息。BIM技术的应用使所有相关方从规划方案设计、施工图设计、部品部件生产加工到现场装配过程，甚至运维过程的全生命期均可进行可视化管理与协作，相较传统二维图纸的抽象化表达与信息传递具有明显优势，在装配式建筑设计中应用BIM技术，可打通设计各专业、生产、现场装配等各阶段的信息壁垒，最大限度发挥BIM技术优势，解决装配式项目的技术和管理难点，最终将建筑工程打造为具有工业级品质的产品。

2 BIM技术在装配式项目中的应用分析

2.1 项目概况

本项目为朝阳区垡头地区焦化厂公租房，总建筑面积54.8万m2，其中地上29.4万m2，地下25.4万m2，包含住宅、商业、车库及配套公共服务设施等功能。项目单体预制率47.80%，装配率最高达91%，评价为AAA级装配式建筑，建成高度为78m，是目前国内最高的超低能耗建筑。该项目从方案设计、扩初设计到施工图设计全部采用BIM技术，如图1所示，参与BIM设计人员60余人，目前项目已交付。本文只选取部分应用内容阐述BIM技术在装配式项目中的应用特点和价值。

图1 各阶段BIM模型

2.2 方案设计阶段

本项目方案设计阶段主要综合方案经济性、可行性及部分规划指标的要求进行方案选型，如在立面设计上采用工业化设计逻辑，运用标准化、模块化、系列化设计，利用预制外墙板展现预制模板肌理变化，通过不同元素组合，在整体和谐的基础上实现个体差异化；通过BIM模拟分析，在一类高层建筑的超低能耗应用上进行抗风压、气密性等研究；基于标准化设计原则，采用套型标准化、厨卫模块化及内装部品装配化设计，通过标准化套型设计构成多样化的套型产品系列，使套型功能空间集约合理；利用BIM信息制作虚拟样板间（见图2），通过VR技术，在客户身临其境体验的同时，可实时更改装修方案，便于与政府主管部门及业主代表沟通，提高方案质量和客户满意度；考虑施工运输路线、吊装等因素，调整楼栋定位，既降低施工难度，又满足建筑全生命周期要求。

图2 VR虚拟样板间

2.3 扩初设计阶段

为确保项目本身对装配率的要求，在扩初设计阶段就与相关专家、构件厂家进行交流，最大限度识别可预制构件及工厂加工可行性。下沉广场设计时采用BIM模型进行沟通和协调，在结构主体上设置综合管廊解决管线外露的问题，同时为内外管线综合提供有力支持。其中2栋楼创新采用地道风系统，利用BIM模型直观推敲该系统的可实施性及优化方案，如图3所示。充分考虑构件加工和现场装配的可行性，采用新风热回收机组+户式冷热源一体机解决小套型新风，利用BIM模型优化后将每层1台全热交换机组设置在前室的公共室外设备平台，每户在入户玄关吊顶内设置新风冷热源一体机，风机高度350mm。外墙洞口的防水防火保温设计和施工质量是装配式项目的一大难点，连接位置处理不好可能会出现渗水、冷桥等无法补救的质量事故。在本项目外墙窗洞节点方案选择时，通过BIM模型进行沟通，对原有方案进行多次优化，最终确定可满足立面方案设计效果、加工精度及保证现场装配质量的节点方案，并在节点模型中标注详细的细部尺寸、关键控制点等信息，为后续工厂制作、现场装配提供准确信息，确保最后的施工质量，如图4所示。

图3 地道风系统

图4 外墙细部节点设计

2.4 施工图设计阶段

施工图设计阶段主要是在扩初方案的基础上进一步明确细部做法。与厂家多次沟通后，外墙体采用高效预制夹心外墙板技术，并创新运用20mm厚VIP真空板+120mm厚硬泡聚氨酯复合保温技术，如图5所示。预制夹心外墙采用工厂加工，预留埋件，现场安装被动窗。公租房全部采用装配式装修，实现干法施工，机电系统采用管线分离技术，体现工业化的技术特征，如图6所示。

图5 装配式结构外墙外保温构造

图6 管线分离

3 BIM技术应用效果

装配式项目目前处于提升与发展期，由于劳动力成本不断攀升，预制构件加工精度与质量、施工技术和管理水平不断提高，随着一系列政策的出台，装配式项目在新建项目中的占比会不断提高。装配式建筑可提升建造效率和工程质量，降低建造成本，同时提升绿色节能效果，其推广和普及在一定程度上可拉动建筑产业的转型升级，在此期间总结应用经验对加速产业发展至关重要。现阶段装配式相关技术、产业链及政策法规仍有很大提升空间，装配式项目的优势尚未完全发挥，随着各项条件的不断完善和成熟，装配式项目的优势将更加凸显。以下是基于该项目总结BIM技术在装配式建筑中的应用效果，该成果在当前环境下具备一定普遍性。

1）基于BIM的多专业协同设计对设计质量的提升效果明显，但设计效率和成本优势并不明显。通过BIM协同平台将各专业数据信息共享和深度集成，各专业设计互为约束、互为条件，强化专业协同，BIM软件的部分自动约束功能在一定程度上可降低对人员专业能力的要求，减少“错、漏、碰、缺”导致的设计变更，从而提升设计质量；另一方面，受设计人员BIM技能、平台本身存在的技术问题等因素影响，设计人员的传统设计习惯改变仍需一定过程，同时，现阶段在政策标准层面对二维图纸尚有强制要求，这些因素均对设计效率和设计成本产生较大影响。

2）基于BIM技术的设计、生产全过程协同对确保最终建筑产品的质量、降低建造成本、确保工期效果明显。装配式建筑是高度集成的工业化产品，现阶段部品部件的供应和生产标准化程度仍在完善过程中，如何确保设计成果的可实施性，最大程度提高其经济性，需要设计单位、构件加工企业及施工企业充分协作和沟通，消除信息沟通盲点，避免出现建筑质量下降、成本增加、工期延长等问题，真正体现建筑工业化的优势。

4 BIM技术应用影响因素

BIM技术在装配式建筑设计中的深入应用无疑会有效促进装配式建筑各专业、各环节、各参与方的协同工作，提高设计质量，保证交付产品质量。目前，BIM技术应用深度和广度不断提升，与此同时也发现一些影响BIM技术推广的问题。

1）人员 对人员的要求包括相关技术技能和意识、习惯两方面的要求。设计阶段的BIM人员包括基于BIM技术的复合型专业设计人员，这类人员可通过技能培训和学习培养；基于BIM技术的协作管理模式与传统协作沟通方式差别较大，习惯和意识的转变对BIM技术的应用至关重要，需要行业人员以开放的心态在客观理解其价值的基础上逐渐转变。

2）技术 专业的BIM集成和协同平台需完善，协同平台专业度仍需提升，缺乏统一开放的数据接口，造成协作效率降低和应用复杂，如基于BIM的标准化预制构件部品库尚不完善，相当一部分技术、设计、施工、生产及运维的各方管理协同衔接不佳，既影响效率，又不利于信息集中传递。因此需要相关软件企业完善接口标准，研发符合国内市场环境和发展阶段的相关软件、平台和应用系统。

3）标准 由于行业缺乏统一标准和规范，特别是针对装配式项目BIM相应的技术标准，各专业间缺少统一的行业技术和数据标准，导致不同专业BIM模型集成出现信息丢失、无法集成等问题；设计和生产厂家之间数据无法准确对接、流转。对此，还需政府和行业主管部门加大政策引导力度，通过行业标杆完善相关标准。

5 结语

工业化生产建造模式及一体化建造技术在装配式建筑中的深度应用更有利于发挥BIM技术信息共享和集成优势，提高设计质量和设计效率，为设计方带来效益。同时，我们也应该客观看待现阶段存在的问题，积极面对，未来BIM技术的应用将会促进装配式建筑快速发展。