基于BIM技术的预制装配式混凝土结构设计方法

周卫来

(黑龙江省林业设计研究院，哈尔滨 150080)

预制装配式混凝土结构建筑工程施工是采用工厂预制的混凝土构件，在施工现场进行拼装与吊装，以此完成建筑主体结构施工，施工简单、速度快，施工效益明显，使其在建筑工程中得到越来越广泛的应用。然而其结构设计影响着后续一系列的施工工序与施工质量，为了保证结构设计的精确性，应积极引用BIM技术探寻高效化的结构设计方法，在混凝土结构方案设计、初步设计、施工图设计的3个阶段，充分利用BIM技术的各项优势，实现结构的可视化、动态化、模拟化和协调化设计，提高结构设计的合理性与可操作性。

1 BIM技术特征

BIM技术为计算机辅助设计软件，是建筑工程中常用到的设计、建造、管理的信息化工具，其基于三维数字模型集约化管理建筑工程从设计、施工直至竣工验收的整个生命周期管理。BIM技术在预制装配式混凝土结构设计中的应用，打造出三维模型数据库，存储和生成混凝土结构的平面图、立面图、剖面图、详图、三维图，以及一些明细表等，图表上的数据信息之间存在着逻辑关系，设计人员只需改动其中一项数据，相关联的数据自动变化，并直接体现在图表上，极大地提高了混凝土结构设计的效率。

1.1 可视化

从预制装配式混凝土结构设计方面来看，在具体结构设计中，需要设计人员用脑想象，然后再进行具体的绘制。而BIM技术具备实时可视化的特点，设计人员直接按照自己的想象在BIM软件中，使用其中的构件进行混凝土结构的搭建，实时动态呈现出三维实体模型的设计效果。目前，其他建筑设计软件也可生成效果图，图中也标注了参数信息，但是这些数据信息之间没有关联，如果改动其中一处数据，与该数据相关联的构件不会发生数据联动，BIM技术弥补了这一方面的不足，全程可视化设计、数据联动，除了在结构设计中的应用之外，还可用于造价、招标、施工、竣工验收，以及建筑投入使用后的运维管理之中。

1.2 协调性

在预制装配式混凝土结构建筑建设阶段，各参与主体之间需要高质量的协调配合，方可保证工程建设的有序开展，比如，在设计变更时，需要设计单位、建设单位、施工单位和业主方等共同参与，探讨变更的原因，共同商量解决对策。而在混凝土结构设计阶段，引入BIM技术后，在技术交底过程中，各参建单位基于三维模型进行可视化分析，确定结构设计的可行性，并且使用BIM进行不同专业施工的碰撞检查，然后对实际专业施工进行协调，提升设计与实际施工的匹配度，在很大程度上避免了碰撞与设计变更问题[1]。

1.3 模拟性

BIM技术具有强大的模拟功能，不但在设计中构建建筑的实体数字模型，还可对施工过程进行模拟。比如，在预制装配式混凝土结构设计中，可以采用3D模拟，将各个预制构件进行组合，构建出混凝土结构的三维模型；在施工过程中进行4D施工模拟论证施工方案的可行性，以作为实际施工中的参考；以及在工程造价管理中，基于4D施工模拟实施5D模拟，对施工过程中的成本进行控制，或者是在工程投入使用后，可基于工程的三维模型，针对突发状况进行处置预案的模拟。

2 基于BIM技术探析预制装配式混凝土结构设计方法

2.1 确立设计思路

预制装配式混凝土结构施工的实质是，采用工厂预制的混凝土构件在施工现场进行装配，其结构设计是装配施工的基础，利用BIM软件中的混凝土构件在虚拟的环境下搭建三维数字实体模型，以作为实际施工中的指导性文件。所以，在结构设计过程中充分利用BIM技术的特点，设计预制装配式混凝土结构的各项细节，最大程度上提升预制构件的通用性，实现最少构件类型设计多样化空间的目的，提高结构空间的可操作性。以及仿真模拟施工过程，使施工各个专业之间协同联动配合。此外，在结构设计之前，应根据混凝土结构的设计需求，进行BIM构件库的完善建设，为混凝土结构设计提供坚实的基础支撑。

2.2 理清设计流程

整个混凝土结构设计流程是：方案设计→初步设计→施工图设计。①方案设计，为结构整体设计阶段，从确定建筑的户型开始，逐步完成标准层设计，制定预制混凝土构件拆分方案，以及构件在结构中的位置设计等；②初步设计，主要设计内容是构件尺寸与类型的确定。混凝土构件影响着建筑结构后续的施工方案和施工效果，需从整个建筑工程设计入手，并结合施工的实际条件，进行结构设计的调整与完善；③施工图设计，该阶段为设计的深化，形成施工实际中应用的图纸，对混凝土结构中的每个构件进行细致的检验调整，确保施工图与施工实际的一致性，还需对参数信息进行补充和延伸，为实际施工提供详实的数据支撑[2]。

2.3 建立规范、标准化构件库

在进行预制装配式混凝土结构设计中，需使用到不同类型与不同尺寸的混凝土构件，像是预制外墙、预制梁、预制柱、预制楼梯和预制楼板等，由这些构件搭建成混凝土的结构。而这些构件是工厂按照工程混凝土构件设计的要求进行提前预制，这对于工厂混凝土构件制造质量和水平有着很高的要求，要想实现构件的标准化生产，需在混凝土结构设计阶段，进行BIM构件库的规范、标准化建设，丰富构件库的同时，完善构件的技术参数，打造通用模型库与常用的构件族，一方面是进行原有构件的整理分类，按照构件类型、通用性和加工工艺等进行划分；另一方面是在结构设计中注重通用性构件的运用，同时注意适用性较强构件的收集，比如，结构墙的类型、结构楼板类型和混凝土结构梁类型等，不断地充实构件库，并编制好常用的明细表，以此来提升混凝土结构设计的质量和效率。混凝土构件库的良好建设，为后期构件工厂化生产提供了辅助，基于BIM技术进行混凝土构件的深化设计，搭建结构三维数字实体模型，检验构件尺寸是否正确，并通过施工过程的模拟，进一步进行混凝土构件的优化设计，避免构件尺寸精度出现偏差[3]。

2.4 搭建混凝土结构模型

在明确设计思路，理清设计流程与完善构件库建设之后，正式进入预制装配式混凝土结构设计环节。构件库是结构设计的基础，设计人员参照工程设计的要求，进行混凝土结构模型搭建的具体实施，从构件库中直接将构件拖拽至设计界面，进行混凝土结构的整体搭建，如果构件图中缺少某个构件，应根据结构设计的实际需要，进行构件的针对性设计，应用之后存储至构件库。一是采用结构基础平面，进行混凝土结构基础图的设计；二是利用结构模板平面，搭建混凝土结构三维数字模型，并使用3D视图检查模型是否存在问题；三是应用结构布置平面，进行技术参数的标注，主要包括构件的尺寸、注释和编号等；四是结构配筋平面，主要用于混凝土结构梁、板和柱等构件中钢筋的设计与标注。在结构模型搭建过程中，随时进行模型中构件调整与参数信息的修正，逐步完善结构模型的搭建。在结构模型审核过程中，当构件出现位置、尺寸等适配性较差时，需立即进行调整，并深度挖掘观察结构模型中潜在的问题，实现结构模型设计的深化，将结构设计偏差控制在最小程度。

2.5 合理巧用结构模型

预制装配式混凝土结构模型是正式施工中的指导性文件，构件加工与施工现场装配都需参照该模型进行规划设计，其中拼装是混凝土结构施工的难点与重点，可使用BIM技术进行拼装的模拟，明确实际拼装的操作流程与注意事项，以及确定一些具体装配的细节，提前进行拼装施工的质量控制。在实际仿真模拟拼装过程中，施工管理人员与设计人员依托于结构模型，分析实际拼装中可能出现的问题，提前制定出解决预案。通过结构模型提高施工现场的管理质量，合理规划设计施工现场的区域用途，设定施工材料、机具、构件的堆放位置，为结构施工创造良好的空间环境。此外，将结构模型快速的转化为施工图，目前BIM在3D至2D转换方面技术不够成熟，不能实现100%无缝衔接，可阶段性地使用该技术，像是将结构模型自动生成各种结构图，制作出结构条件图，最后导出2D平面图，以为各专业施工提供结构条件[4]。

2.6 构件拆分与碰撞检测

构件拆分是基于混凝土构件制作、运输和拼装等考虑，对较大混凝土结构构件进行拆分，像是结构墙体、结构楼板等，体积较大，通过准确合理的分割，使其与结构施工的各项条件相适应。在混凝土结构设计阶段，按照受力均衡、施工方便和少规格等要求，使用BIM技术进行构件拆分设计，可视化地展示构件的内部结构，以保证构件拆分的协调性，简化后续的构件制作，为运输与拼装施工提供便利。BIM技术在碰撞检测中的应用，使用其自动碰撞检测功能，确定管线铺设、设备安装等专业施工是否存在碰撞问题，然后进行各专业的协调，降低实际施工中专业碰撞发生的概率。

3 BIM技术在预制装配式混凝土结构设计中的延伸运用

3.1 深化施工设计中的应用

预制装配式混凝土结构施工是一项系统性的工程，每道施工工序之间都有着内在联系，各个施工项目不是独立存在的，尤其是各个专业施工，在混凝土结构中混乱而又有序的开展，所以，在结构设计中各专业之间的信息交互非常重要。一是BIM技术在结构设计环节的运用，需进行设计的深化，检测各专业碰撞情况，并进行设计上的调整，降低各项施工风险发生的概率，有利于工程进度的管理；二是基于BIM的结构设计，从整体结构至结构细节进行设计的完善与优化，在构件类型与尺寸选用设计阶段，提前对常见的施工问题进行规避，使结构设计更加切合施工实际；三是使用BIM技术构建了混凝土的结构模型，工程各参建单位应基于结构模型开展分析和讨论，及时发现设计中的问题，以及探索后续施工存在的风险，提前制定解决方案，提升结构设计可行性的同时，保证了施工效益[5]。

3.2 工程造价管理中的运用

结构设计阶段同时也是工程造价控制的关键环节，在预制装配式混凝土结构设计中，需从工程的经济性角度进行考虑。像是在构件设计中，将定额标准直接标注在构件属性中，或是使用BIM技术进行工程量的计算，形成工程造价的成本，作为工程施工中工程预算控制的依据。BIM技术基于4D构建5D成本控制模式，根据结构模型构件中标注的数据，进行工程量的计算与核对，将BIM软件中的工程量直接导入至三维算量软件中，完成工程成本的计算。BIM技术对于工程造价管理有着积极的影响，将大量、重复性的工程量计算工作，交由BIM软件与三维算量软件处理，使工程造价管理更加的透明、有效，缓解了工程量计算的压力。

3.3 预留孔洞设计中的运用

混凝土结构构件在设计过程中，需预留一些孔洞为设备安装、管线铺设提供方便。在传统的建筑工程中，完成混凝土浇筑作业后，使用钻机进行打孔。而在使用BIM技术后，可以在结构设计阶段预留出孔洞，工厂按照设计要求，生产出带有孔洞的混凝土构件，简化后续的施工环节。孔洞预留时要注意与相邻构件之间的配合，以实现预留孔洞的作用，需要在完成构件孔洞设计后，从整体结构上进行孔洞设计的检测，如果发现孔洞设计存在问题，则立即进行修正。再者，在结构模型设计审核阶段，应特别留意预留孔洞设计，保证孔洞开口设计的准确性[6]。

4 结语

预制装配式混凝土结构对于设计有着高标准与严要求，结构设计中包括了构件尺寸、类型的选用，构件与构件之间的拼装与连接等，使结构设计表现出了系统性、复杂性的特征，结构设计的难度较大。而BIM技术是建筑工程行业比较先进的三维数字技术，具备在结构设计中应用的条件，使用其强大的构件库、模拟仿真功能、专业碰撞检测功能，以及各种结构设计平面进行结构模型的构建，实现BIM技术效用的充分发挥，为混凝土结构设计提供最优的技术解决方案。