BIM技术在某装配式学生宿舍深化设计中的应用*

黄 泽，何 娟，欧阳伟，刘津成，林颖群，程从密

(1. 华南理工大学建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510640；2. 广州大学土木工程学院，广东 广州 510006；3. 广州市建工设计院有限公司，广东 广州 510030)

0 引言

装配式建筑是结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统等主要部分采用预制部品部件集成的建筑[1]，国家和地方均出台相关政策支持推广装配式建筑。BIM技术(建筑信息模型)是用于建筑工程相关三维图形辅助的设计工具，是对建筑工程物理特征和功能特性的数字化表达[2-3]。

装配式深化设计是在已有建筑结构设计基础上继续深化设计，以满足装配式建造所需的设计深度，主要包括装配率计算、预制构件拆分、预制构件节点连接设计、预制构件间混凝土和钢筋碰撞检查、预制构件钢筋图及模板图设计等。

装配式建筑深化设计与BIM技术相结合可发挥两者的优势。装配式深化设计图纸工作比传统结构设计工作量大，若按原有设计模式，将耗费大量人力物力，增加工程设计时间与成本。为缩短设计工期、提高出图质量稳定性、降低设计成本，将BIM技术应用到装配式建筑深化设计中，且全专业BIM协同向设计发展是大势所趋。

现结合华南理工大学广州国际校区一期工程中学生宿舍装配式项目，分析深化设计过程中的BIM技术应用情况与技术优势，同时对BIM技术出图精度及深度不足部分提出改进建议，力求早日实现装配式建筑BIM技术高效生产。

1 工程概况

该宿舍采用装配整体式框架-现浇剪力墙结构体系，总体效果及标准层平面如图1，2所示。学生宿舍地下室及1,2层为现浇混凝土结构，3层及以上为预制楼层。塔楼装配率>60%，采用预制柱、预制主次梁、预制叠合板、预制外墙、预制梁墙一体、整体预制沉箱及预制楼梯等构件。根据GB/T 51129—2017《装配式建筑评价标准》，可评价为A级装配式建筑[4]。

图1 学生宿舍效果

图2 学生宿舍结构平面

2 BIM技术在装配式深化设计中的应用

BIM技术在设计阶段主要应用于在装配式建筑方案策划优选、建筑模型拆分、装配率计算、构件深化设计、各专业预留预埋碰撞检查、预制构件间的钢筋碰撞检查等，同时兼顾工程量统计、提供钢筋预埋件下料单、深化图纸自动出图等问题，有效提高拆分及深化设计质量，减少设计错误，缩短设计和建造周期[5-6]。通过BIM三维模型整合数据，使各专业协调与交流更便捷高效。

2.1 模型拆分方案

2.1.1拆分原则

1)少规格、多组合 预制构件尺寸遵循少规格、多组合的原则。本项目以单一宿舍户型为标准，对项目内部结构进行调整，使标准宿舍仅3种，标准化总面积占比为61.2%。BIM软件可实现构件种类自动归并，设定归并范围，软件可按设定要求进行构件分割与数据统计汇总，设计师根据构件种类和数量评估拆分方式是否满足项目需求，并根据实际要求进行调整。

2)满足生产、运输、吊装因素 由于塔式起重机最大吊重限制，预制构件最大体积及质量均有限值。塔式起重机最大起重量受型号和起吊半径影响，所有预制构件质量不得超过最大限值。在装配式策划阶段，利用BIM软件可根据预设限值调整构件拆分形式，以满足塔式起重机对构件的要求。当局部特殊位置不能进行智能拆分时，软件会进行突显，届时可人工介入。

3)满足装配率要求 本项目要求装配率达到《装配式建筑评价标准》中的A级，拆分过程中使用BIM软件自动化生成装配率计算结果，利于方案快速优化和确定。使用BIM技术得到的装配率如下：①第1层 竖向构件总体积253.71m3，预制竖向构件体积为0，预制率为0；②第2层 竖向构件总体积211.69m3，预制竖向构件体积为0，预制率为0；③第3层 竖向构件总体积201.65m3，预制竖向构件体积为91.97m3，预制率为45.6%；④第4层 竖向构件总体积200.78m3，预制竖向构件体积为91.97m3，预制率为45.8%；⑤第5层 竖向构件总体积200.49m3，预制竖向构件体积为91.99m3，预制率为45.9%；⑥第6层 竖向构件总体积203.55m3，预制竖向构件体积为93.14m3，预制率为45.8%；⑦第7层 竖向构件总体积200.05m3，预制竖向构件体积为83.23m3，预制率为41.6%；⑧第8层 竖向构件总体积200.45m3，预制竖向构件体积为82.65m3，预制率为41.2%。

2.1.2拆分设计流程

预制构件拆分及深化设计依托传统结构设计计算模型，总体流程为策划方案、参数化设定、模型生成及建立、确定深化构件种类、指定预制区域、特殊构件单独拆分、进行软件深化一键出图及下料表等清单。

2.2 装配评价标准

BIM软件中内置《装配式建筑评价标准》评分表格，表格汇总数据含有各评分项的占比及实际得分，同时可实时查找对应得分项的预制范围，可实现装配式深化拆分总体控制全过程联动。修改项目深化得分项，对应评分表进行相应改动，可实时监控装配率是否满足建设初期的装配式目标要求，避免出现项目变更导致装配率不达标的情况。

2.3 预制节点设计

2.3.1预制构件节点连接设计

预制构件节点连接设计考虑受力节点可行性模拟分析及连接节点碰撞检查。装配式预制构件连接等同现浇结构，BIM软件在结构满足受力性能的前提下，设置常规的装配式连接工艺，如钢企口连接、钢筋搭接后浇连接等，满足预制构件节点连接要求。预制构件不同部位连接节点模型如图3，4所示。

图3 预制梁柱节点

图4 预制主次梁节点

2.3.2预制构件与现浇节点连接设计

预制构件与现浇部分钢筋间的校核深化不仅考虑深化阶段构件设计，还需前置分析现场施工安装流程，检测两者是否能够顺利进行。利用BIM软件的三维施工模拟，可前置处理并优化连接件对位、核心筒现浇模拟、预制构件与现浇部分施工顺序及节点问题，减少预制构件与现浇构件的碰撞。

2.4 预制构件设计

2.4.1标准预制构件设计

BIM软件对标准构件，如预制柱、预制主梁、预制次梁、预制叠合板、预制楼梯、预制夹心墙板等构件均有成熟的深化内置，可根据层高、开间等参数进行智能化设置，对预制构件进行精细化分割。并能对接传统结构设计软件，导出结构计算结果，建立三维配筋图，规避对应洞口及预埋件等避让部位，实现一键出图功能。

为满足构件标准化，构件族库可根据需求进行保留与重复应用，随着项目增加，逐步形成企业族库，进一步发展为地方族库。建立构件库不仅提高设计效率和设计质量，同时将设计阶段与下游阶段的深化、生产加工形成一体化。

2.4.2非标预制构件设计

特殊构件如整体预制沉箱、预制梁墙一体、L形带悬挑板预制梁的深化设计，在BIM软件中通常没有数据库，设计师可根据设计要求内建族库，用链接的形式插入主体深化模型中。预制沉箱模型如图5所示。

图5 预制沉箱模型

2.5 碰撞检查

2.5.1预制构件间的碰撞检查

根据结构图创建节点处的钢筋模型后，BIM软件的碰撞检查功能将模型节点中的碰撞位置，通过数据列表或高亮显示等方式区别表示。设计师根据需求进行手动修改，也可由程序进行自动精准避让，BIM软件再根据图纸复核各节点的碰撞问题是否解决，在碰撞检查中，预制构件间的钢筋碰撞次数最多，共785例，占碰撞总数的83.2%。

预制构件间的碰撞主要发生在预制构件的预留钢筋部位，钢筋碰撞最多的是预制梁柱连接节点，由于该节点连接空间较小，而需连接的构件数量较多，所以易出现钢筋碰撞问题。传统二维深化图的碰撞检查只能规避水平方向上的钢筋碰撞，难以发现纵向空间的钢筋碰撞问题。BIM技术采用自动识别功能，可快速检查各连接节点水平方向与竖直方向的钢筋碰撞，并智能化进行钢筋避让。

2.5.2预制构件与现浇构件间的碰撞检查

预制构件与现浇构件间的碰撞主要发生在预制构件连接部件上。对预制柱、预制剪力墙等竖向构件，预制构件连接预埋件，如灌浆套筒与金属波纹管等需与连接部位对应预留钢筋相匹配，包括两者的坐标位置及连接匹配长度均对应。对预制外墙板和预制整体沉箱等预制构件，则需核对连接件如接合铁件、钢企口的安装位置与连接口位置是否相匹配。

2.5.3整体模型与设备管线间的碰撞检查

传统管线综合设计由二维平面确定三维管线的关系[7]，存在较多缺陷与漏洞，利用BIM三维软件排布的管线对比传统二维排布，具有以下优势。

1)管线碰撞有效减少 对比二维管线排布，三维管线排布具有先天优势。另外BIM软件对楼层净高控制更精准，大大减少由于三维碰撞导致的管线避让，进而出现建筑净空不足的问题。

2)管线排布安装顺序与设备管线预埋协调 二维图示易引发施工安装不协调问题，增加返工，通过BIM技术模拟安装可直观掌握安装工艺流程，有效减少返工。

对比传统项目管线排布，BIM技术除可避免装配式项目管线碰撞外，还协调设计预制构件与管线预埋。传统项目将部分管线预埋到现浇构件部分，可在项目实施时进行，但装配式部分设备管线只能预先设置在预制构件中，不能进行后期打凿，所以BIM对于装配式项目更具有实用意义。

2.6 构件自动出图

该项目总建筑面积约96 400m2，深化设计出图含1 742张A3格式的设计图纸，其中只有预制详图不能进行软件自动出图，扣除预制详图出图量后，软件自动出图量占图纸总量的88.69%。预制楼梯、预制外墙、预制叠合板、预制次梁、预制主梁、预制柱、预制详图出图量占比分别为1%，19%，20%，5%，29%，15%，11%。

根据参数设置要求及不同单位所需的图纸，可将完成深化拆分的图纸按不同需求，导出构件生产、运输堆放、吊装支撑等工况，对应不同单位对图纸的要求。

BIM软件自动出图优势如下：①预制构件精准化算量 出图阶段进行设计时，构件制造所需的材料数量统计影响构件生产加工速度与成本。该技术难度较低，但耗时长，必须通过软件优化低难度、高重复工作。②协同快速修改 设计整体任务完成后，生产过程中可能由于多方原因需修改图纸，软件自动出图依托已完成的协同模型，当设计师修改需要变更的项目部位后，对应构件型号、匹配的形状图、钢筋图都会自动进行相应修改，有效减少重复修改产生的工作量。

3 结语

1)项目各专业采用BIM协同技术，提前规避专业间的碰撞问题，同时对宿舍项目中的特殊构件，如预制外墙中的预制梁墙一体构件、预制整体沉箱构件进行建模分析，优化拆分形式、加强薄弱部位，有效减少施工中可能出现的问题，提升深化图质量。

2)该项目工期较紧，设计阶段与施工阶段信息流转难度大、装配式深化设计效率高。通过BIM技术协同设计，有效减少设计生产吊装建设全生命周期的沟通成本及项目改动造成的变更工作量，有效缩短工期、降低建设成本。此外利用BIM技术进行碰撞检查、管线综合与净高分析，可全面提升设计质量。

3)通过BIM技术，可快速完成异形预制构件一体化设计等，通过软件进行深化图输出，自动出图率>80%。

4)基于BIM平台设计模式，预制构件考虑生产及吊装后续深化，构件深化模型不仅用于表达深化图形状、配筋及预埋件等，还可用于构件生产时的模具深化，增强设计生产一体化系统性，减少各单位重复建模。

5)通过软件自动出钢筋预埋件等下料清单，减少构件厂对图工作量，有效提高生产效率。