基于BIM技术的预制装配式建筑设计方法研究

卢 璐（广州市住宅建筑设计院有限公司山西分公司，山西 太原 030009）

预制装配式建筑与传统建筑在设计方法、施工周期、施工工艺、形态特征等方面存在一定的差异性[1]。预制装配式建筑工程整体施工周期较短，对于建筑构件质量的要求较高，对建筑建造行业未来的稳定发展具有重要意义[2]。当前，我国预制装配式建筑设计方法仍然存在一定的不足，主要体现在建筑施工质量偏低，预制构件设计不够完善[3]。为解决这一问题，本文在传统装配式建筑设计方法的基础上，引入BIM技术，通过BIM技术的可视化模拟功能，对预制装配式建筑进行全方位、全过程的设计，为促进我国建筑行业高质量、高效率发展做出贡献。

1 预制装配式建筑设计方法

1.1 基于BIM技术设计建筑施工平面布置

建筑施工的平面布置作为预制装配式建筑设计中的重要施工环节，对工程施工的顺利进行具有较大影响。因此，本文引入BIM技术应用，对预制装配式建筑施工的平面布置进行优先设计，最大限度满足施工调配的相关需求。

首先，根据建筑工程施工场地的基本情况，将施工现场根据建设功能、施工特点与施工特征，划分为多个不同的施工区域，采用BIM技术的可视化模拟功能，全方位设计并模拟施工场地的平面布置[4]。控制施工区域中能够利用的空间，用于预制构件运输车的调动，避免在运输过程中出现二次运输的情况，进而缩短工程项目建设的周期[5]。建立BIM模型，实时反映施工现场各项布置的动态变化情况[6]。将预制装配式建筑施工的总平面图作为输入层，输入到模型中，利用BIM 技术，拟建工程施工的实际地形，根据施工设备、施工材料、施工覆盖范围等方面的动态变化，不断调整施工现场路线、施工道路布局[7]。本文设计的预制装配式建筑施工平面布置流程，如图1所示。

图1 基于BIM技术的建筑施工平面布置流程

如图1所示，基于BIM模型模拟施工现场各个施工区域之间存在的关系，采用动态视觉模拟的原理，使各个施工区域内的动态变化实现可视化的目标。首先，在施工现场设置双车道，合理规划运输路线；布置塔吊与群塔在施工区域中所处位置，避免塔吊运行过程中发生碰撞现象；设计预制装配式构件的吊装方式。对上述设计的施工平面布置进行模拟，判断模拟结果是否符合相关的平面布置要求，若符合平面布置要求，则输出结果，确定装配式建筑场地布置方案；若模拟结果不符合相关要求标准，则对布置方案不断进行优化改进，直至符合平面布置要求为止。

1.2 装配式建筑预制构件设计

在预制装配式建筑施工平面布置设计完毕后，依据预制装配式建筑工程项目设计标准，对装配式建筑工程所需使用的预制构件进行全方位设计。首先，将建筑的设计图纸信息模型导入到BIM平台中，包括预制构件安装位置、安装数量、施工顺序等，规划预制构件的施工工序。选取不同型号的装配式建筑预制构件，确定预制构件的相关参数，预制构件设计流程如图2所示。

图2 装配式建筑预制构件设计流程

如图2所示，首先，利用BIM技术，建立预制装配式建筑构件数据库；基于BIM模型运行的实际情况，在数据库中提取预制构件相关数据信息；获取建筑预制构件中心线的位置参数；基于预制构件中心线的位置参数，生成装配式建筑预制构件；在此基础上，根据预制装配式建筑的实际建设情况与特征，不断修正预制构件的参数值；根据装配式建筑各个施工阶段，将生成的装配式建筑预制构件划分在各个施工阶段中，并使用BIM技术的模拟功能，模拟施工视图。参数化创建装配式建筑预制板，结合预制构件二维设计图，将预制构件设计与生产的全过程可视化呈现给技术人员，直接读取预制构件参数化模型中涵盖的各项信息，获取预制构件在装配式建筑中应用的属性，得出预制构件安装中的搭接方式，为预制装配式建筑设计与施工提供精确的信息。在BIM模型中，增设构件拼装图、主体结构图与透视图，自动生成构件各个剖面的深化详图。采用BIM 技术，模拟预制构件生成、运输、安装的整体流程，完善预制构件数据信息的完整性。

1.3 装配式建筑施工方案设计

装配式建筑预制构件设计结束后，对装配式建筑施工的整体方案进行设计。首先，对装配式建筑预制构件进行匹配操作，与施工现场的实际条件进行匹配，避免在施工方案设计中出现偏差，分别从装配式建筑施工技术、施工进度以及库存计划三个方面进行施工方案设计。本文设计的装配式建筑施工方案设计流程，如图3所示。

图3 装配式建筑施工方案设计流程

如图3所示，综合考虑施工设备与施工构件的承载力，在构件对应吊点位置进行分析，避免影响装配施工的进度与质量；优化构件节点连接与预留预埋参数，合理布置预制装配式钢筋，基于精细化施工原理，埋入预留预埋件，在预埋与吊装结束后，对预制构件实行碰撞检查，避免预制构件发生碰撞问题，降低预制构件的质量。利用BIM技术，采集装配式建筑施工的信息数据，并进行整合处理，基于可持续设计分析原理，规划装配式建筑施工体系与施工空间，实现建筑施工的综合协调。利用BIM 可视化功能与流体力学，分析并模拟预制装配式建筑室内外气流、风环境与温度场情况，根据模拟情况与特征，不断调整预制装配式建筑的尺寸与外形，判断施工方案是否满足工程建设需求，若满足工程建设需求，采用综合分析的方法，最终确定最优的施工方案，全方位提高装配式建筑的空间体验感与质量；若不满足工程建设需求，则循环上述设计步骤，直至确定最优施工方案为止。综上所述，为本文提出的预制装配式建筑设计方法的整体流程，全方位实现预制装配式建筑最优化设计的目标。

2 对比分析

为了对上述提出的预制装配式建筑设计方法的有效性做出进一步客观分析，进行了如下所示的实验。选取某地区X 建筑工程项目为研究对象，该建筑工程项目规模较大，面积约为264105.3m2，建筑中的PC构件以叠合楼板、预制楼梯与叠合阳台板为主，本工程为装配整体式剪力墙结构，采用的装配式建筑技术应用有：现场采用铝模板、叠合楼板、预制楼梯、叠合阳台板、成品隔墙板、轻质条板隔墙、全装修交房、厨卫采用集成吊顶及瓷砖薄贴墙面、竖向管线与墙体分离、全过程BIM技术应用（加分项），符合标准化设计、工厂化生产、装配式施工、一体化装修、信息化管理的工业化建筑基本特征。X建筑工程的概况，如表1所示。

表1 X装配式建筑工程概况

如表1中的工程概况所示，该建筑工程中应用了大量的装配式建筑技术，在满足建筑装配率的前提下，通过工程项目增加装配式建筑评价中“全过程BIM 技术应用”的鼓励加分项，增大了装配式建筑的综合评价分值。建立X建筑施工平面布置模型，选取适用于X装配式建筑工程的布置方案，使用Revit 技术，根据场地地形条件与特征，规划设计施工现场建筑主体结构标高。由于建筑工程项目中，使用的预制构件数量较多，管线埋设与分布相对密集，采用建筑施工场地动态管理的方式，结合BIM 可视化技术，不断切换场地视角，实时观察并记录建筑结构的细节构造。综合考虑现场施工作业的情况，布设吊臂半径与施工要求相符的塔吊，对施工环境进行反复模拟与校验，保证塔吊运行施工的安全。在装配式建筑施工过程中，使用BIM 模型对建筑结构各个部位进行碰撞检测，针对存在碰撞风险的结构进行修改与完善，直至碰撞风险点消除为止，保障建筑工程施工的安全。利用BIM 技术中的排版功能，对装配式建筑砌体工程进行排版设计，确定墙面砌体的布局、尺寸、构造柱位置等参数信息，获取更加直观的装配式建筑砌体排列效果。最后，结合BIM 模型与BIM 软件，基于建筑施工要求与标准，共同模拟整个工程施工的过程，计算建筑工程的装配率，并判断是否达到相关要求与标准，及时发现建筑设计与施工中存在的问题，并做出优化改进，达到提高施工效率与建筑质量的目标。

在此基础上，采用对比分析的方法，在满足建筑最低装配率的基础上，将本文全过程BIM技术应用的预制装配式建筑设计方法，与传统的设计方法进行对比分析，分别对比应用两种设计方法后，X建筑工程项目各个楼栋建筑的装配率与预期建设工期，结果如表2所示。

表2 两种建筑设计方法装配率对比结果

根据表2的对比结果可知，在两种预制装配式建筑方法中，本文提出的设计方法较传统方法相比不仅能增大装配式建筑的综合评价分值，而且在运用BIM 技术后对应的增量成本较降低，且本文设计方法所需的建设周期较短，更加具有优势。

3 结语

综上所述，为了改善传统装配式建筑设计方法建筑品质偏低、施工周期与成本较高的问题，本文在传统装配式建筑设计方法的基础上，引入BIM技术，提出了一种更加高效的预制装配式建筑设计方法。通过本文的研究，打破了传统设计方法在施工工艺与施工环境方面的限制，分别实现了对建筑设计质量、成本与进度三个方面优化的目标，提升了我国装配式建筑行业动态管理水平，促进了装配式建筑设计与施工的协同发展。