基于装配式建筑示范教学场景的 BIM 技术全过程设计研究

2022-07-22梁晓丹杨海斌闫长江上海城建职业学院上海00438上海建科建筑设计院有限公司上海0003

建筑科技 2022年1期

梁晓丹，杨海斌，闫长江（.上海城建职业学院，上海 00438； .上海建科建筑设计院有限公司，上海 0003）

0 引言

装配式建筑作为实现建筑工业化的必经之路，其标准化、数字化的内在要求与 BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）的信息化、可视化特点不谋而合[1]。以 BIM 应用技术为基础，以三维模型所形成的数据库为核心，包含了设计、施工、使用、拆除的全过程信息，集成了工程图形模型、工程数据模型以及和运营管理有关的行为模型，同时将BIM 建筑工程信息模型引入教学场景展示，在教学中以三维展示立体直观的建筑结构，是一种近似实践设计的理解。

1 项目研究背景

目前，BIM 在装配式建筑中已有诸多应用实践，曾东旭[2]结合不同工程实例总结出 BIM 技术在设计各阶段的工作要点；杨新、焦柯等[3]建立了以关系型数据库和模型图纸文件管理器为核心的协同设计平台；黄高松等[4]从推广实施层面提出了设计企业 ISO 质量管理体系。BIM 技术的应用可以实现设计阶段的全专业协同，施工阶段的建造全过程一体化和运营阶段对建筑物的智能化维护和设施管理，使设计、施工、建设到运营单位通过 BIM 信息共享联系的更加紧密，最终实现对建筑的全生命周期管理。本次实践研究的项目为某学院实训教学楼，是基于建筑装配式示范教学场景的 BIM技术全过程应用实践，希望通过信息化的设计手段和装配式的施工技术，最终完成既具有文化传承和空间延续，同时具有创新价值的装配式实训示范场景。

2 BIM 技术全过程应用

2.1 规划设计阶段

建筑策划与设计是建筑全产业链的最前端，是整个建筑的创作核心[5]。前期规划阶段，充分考虑项目迁建的局限性及校园内部的地形地貌特征，建筑以重庆特色自然环境寓意文化延续，建筑造型取山形就水势，建筑在形制上延续老主楼围合式布局，唤起师生熟悉的记忆，激发认同感。如图 1 所示，利用 BIM 分析软件分析地形地貌，根据功能需求、环境需求及人文需求进行参数化设计，对建筑体块进行计算与生成。

图1 建筑体块生产过程

2.2 方案设计阶段

如图 2 所示，在方案设计阶段，主要利用 BIM 模型的可视化、模拟性、协调性等特点，进行绿建设计、方案优化，为项目决策提供技术支撑，提高设计质量和项目经济性。对设计方案的效果进行分析、比选，优化设计方案。通过 BIM模型可以让用户直接看到设计方案的效果，更加形象、直观、准确，并可以通过漫游技术，对装修方案进行观赏，结合人体工程学进行适当的调整，以保证符合客户的需要。而且基于 BIM 的可视化技术，可以让施工人员更准确地明白二维图纸所不能理解的一些细部构造，以确保施工的顺利进行。因此客户再也不必在施工时要求施工人员和设计人员来反复修改设计方案，更快速、高效的的实现了客户心目中的装修方案。

图2 BIM技术对方案的优化

2.3 施工图设计阶段

BIM 技术对施工图进行深化设计、组织协调、起到高效的作用，因为各个专业的侧重方向不同，所以对模型的表达侧重也各不相同。深化设计利用 BIM 模型可视化的特点，在施工图设计过程中，对走廊等管线密集位置进行管线综合，预估及分配吊顶空间等专业协调的工作，对传统绘图模式来说，各设备专业分开设计，会审时工作量大，难以发现全部碰撞点，遗留大量问题到施工阶段。如图 3 所示，本次项目采用 BIM技术各专业协同设计，改变传统设计流程，提前进行管线综合，设计过程中及时发现并避免交叉碰撞，减少后期工作量。同时，BIM 的可视化在施工图阶段很好解决了二维图纸表达不清晰的问题，本项目为实训楼，空间要求变化多，所以设计跨层、升降板等复杂区域的问题，BIM 模型的三维显示较二维图更能清晰地把握实际情况。项目各方及各专业基于模型讨论问题，可以实时测量模型，更精确掌握建筑物的尺寸和空间信息。

图3 本项目 BIM 管线综合模型

2.4 PC 构建生产阶段

BIM 技术可以实现设计信息的开放与共享。设计人员可以将装配式建筑的设计方案上传到项目的“云端”服务器上，在云端中进行尺寸、样式等信息的整合，并构建装配式建筑各类预制构件（例如门、窗等）的“族”库。随着云端服务器中“族”的不断积累与丰富，设计人员可以将同类型“族”进行对比优化，以形成装配式建筑预制构件的标准形状和模数尺寸。预制构件“族”库的建立有助于装配式建筑通用设计规范和设计标准的设立。同时，PC 构件结构复杂、数量繁多，利用 BIM 模型精准、可视化的特点，在 PC构件制作前利用 BIM 模型为数控机床、模具的建造提供构件精确的定位信息，为装配式构件的精准化建造提供了必要条件。

在构件生产阶段，每个构件中都置入一个芯片，用专门研发的手持设备扫描构件对应的加工图纸上的条形码来识别构件的唯一编码，将该编码写入芯片中，作为该构件的物理识别芯片。每个构件中都永远嵌入这样一个标识芯片，在构件生产、运输乃至吊装的任何阶段的关键环节，工人都会将每个构件的即时状态通过手持设备扫描芯片并通过网络传输到管理系统，确保任何构件的加工状态、运输情况、吊装状态都是可监控的。这样，项目的相关方通过 BIM 系统可以查看任何一个 PC 构件的生产及安装进度，结合生产与安装计划，进行过程控制和教学展示。

2.5 施工阶段

利用 BIM 软件建模将预制构件精确的排列在模型中，因为在模型中预制构件的外形尺寸非常准确，能快捷精确地提取到相关数据，进行材料用量、构件统计、应用比例的统计计算。这个阶段，对 BIM 的纵向协同与配合工作提出了更高的要求。首先设计阶段的 BIM 模型，信息化的工作一定要到位，技术运用 BIM 模型算量，可以快速计算出项目的工程清单量，并可以根据施工组织进度编制材料需求计划，项目预算与技术方案。

在绿色施工方面，利用设计时的 BIM 模型根据施工要求，再进行深化设计，重点不仅是建筑本体，而是为了在施工场地布置方面找出最优的布局方案，进行施工现场动态管理，提高场地利用效率，降低二次规划的成本。在不同施工阶段对场地布局进行提前规划和转换；同时利用软件统计功能，自动生成临时工程量，减少计算工作量。

2.6 运维阶段

从整个建筑全生命周期来看，相对于设计、施工阶段的周期，运维阶段的周期往往是之前实践周期的几十倍到上百倍，且处理的数据量大且门类广，包含了从规划勘察阶段的地质勘察报告、设计阶段的各项图纸、施工各工种的组织计划、运维各部门的保修单等多项内容。如果没有一个好的运维管理平台协调处理这些数据，可能会导致某些关键数据的永久丢失；不能及时、方便、有效检索到需要的信息；更不用提基于这些基础数据进行数据挖掘、分析决策，因此，作为建筑全生命周期中最长的过程， BIM 在运维阶段的应用重中之重，BIM 三维可视与信息化的结合是 BIM 技术与运营维护管理的结合，对建筑的空间、设备资产等进行科学管理，对可能发生的灾害进行预防，降低运营维护成本。本项目利用 BIM 模型，在设计和施工阶段已经为后期建立基于BIM 的信息集成系统平台做好铺垫，将建筑、空间、设备、设施等信息实现高度集成共享，同时与物联网系统关联，为项目投入运营后设备设施的管理与维护提供全面、高效的信息化管理平台及技术支持，实现高度集成的数字化、信息化的管理模式。

3 BIM 与 VR 的教学展示应用

基于 BIM 模型，用 VR 虚拟技术真实还原搭建的虚拟仿真实训，学生可以通过 VR 设备进行上机实训，这是项目建设服务本身的一种延伸。本项目本身的使用性质就是教学示范与实训，这种用身边真实项目进行教学的模式，使设计师为后期教学提供素材，学校教师提前参与到项目中的探索模式属于跨界的合作，属于一种全新的尝试。教学平台根据实体实训基地的基建进行仿真虚拟建设，系统将达到和实体实训基地环境、材料和装饰装修工艺完全还原的效果，实现细节和部件的完全仿真化和虚拟化。学生可以通过虚拟仿真的方式，对装配式构件的 BIM 模型显示切换、间距数据测量、分析构件及进行调整，学习实体模型各个节点，一方面增加学习的趣味性，另一方面增强学生掌握知识的牢固程度，达到前所未有的体验感和学习效果。