基于BIM技术的装配式建筑设计

2023-02-14李源孙晔

智能建筑与智慧城市 2023年12期

李源，孙晔

（1. 江苏省建湖中等专业学校；2. 盐城市建筑设计研究院有限公司）

1 引言

装配式建筑是现代建筑体系的重要构成，相较于现浇式建筑而言，其将建筑按照结构分解为若干配件，通过配件的设计、生产、运输与现场组装装配完成建筑实施工序，具有效率高、成本低、工作量小的优势[1]。建筑结构配件设计是装配式建筑实施的重要环节，将BIM技术引入到建筑结构配件设计中，利用BIM 技术的三维信息化建模、碰撞检测等功能实现配件的优化设计与深化设计，可以切实提高装配式建筑设计的科学性，降低结构配件设计错误率，有效保障装配式建筑的实施质量。

2 BIM技术与装配式建筑概述

2.1 BIM技术

BIM 技术是一种新型的建筑新型技术，其利用三维信息化模型对建筑进行仿真模拟，通过精细化的模型构建与可视化的纹理贴合提高BIM建筑模型的实际观感与表达精准度，推进建筑设计由传统的二维平面图纸设计向三维信息化立体设计转变[2]。BIM技术具有良好的图形属性联动机制与自动渲染机制，设计人员通过调整BIM 建筑模型中的结构参数如规格尺寸、属性、材料等数据时，BIM 建筑模型可自动更新、局部渲染，以直观模型快速呈现设计成果，为不同设计人员协同设计、共同参与提供了共享平台，有效缩减了建筑的设计周期。同时，BIM技术具有良好的科学计算与模拟分析功能，能够为BIM建筑模型提供高效、智能的方法支撑，通过快速计算与分析发现BIM 建筑模型中存在的结构碰撞、空间布局与空间关系错误等问题，提高建筑设计的精确性与合理性[3]。BIM技术还可作为设计人员与业主、施工人员等进行技术交底的基础性技术，通过建筑三维信息模型的直观展示与细节表达，切实提高施工过程中的质量与效率。主要分为项目BIM实施方案编制、项目BIM 标准编制、基于BIM 的设计协调管理、各专业BIM模型建立、BIM辅助设计出具部分施工图、地下室BIM深化设计、BIM装配式设计及室外综合管网BIM深化设计、施工场地布置模型建立、辅助施工管理、BIM 5D模拟等。

2.2 装配式建筑

装配式建筑即对建筑构件进行设计与预制，并在工地施工现场进行安装。不同于现浇式建筑对施工人员、施工环境的高要求，装配式建筑的构件现场装配仅需要少量的人力与机械，耗时较短且对施工环境的作业条件要求较小，是现代建筑体系中的先进类别。装配式建筑的实施过程包括三个阶段[4]，其一为装配式建筑构件设计与生产阶段，通过建筑物构件拆分与构件设计，为构件批量化、规模化、标准化生产提供高精度的建筑构件设计方案；其二为装配式建筑运输阶段，将工厂生产的建筑构件按照施工需要逐批次运输到施工现场；其三为装配式构件装配阶段，在施工现场根据装配式建筑的设计图纸对构件按顺序进行组装，实现建筑的建造。通过上述实施过程分析可知，装配式建筑具有明显的优势，可以较好地管理与把控建筑建造与实施进度、质量、成本以及施工安全。

2.3 BIM技术在建筑设计中的作用

利用BIM 技术，即对建筑设计进行三维信息化建模，实现装配式建筑的可视化、立体化表达，实现从现实世界物理实体到仿真世界三维模型的高效、精准映射，充分体现装配式建筑中各构件的规格参数、功能特性、属性数据、空间布局与空间关联关系等，为装配式建筑设计提供可视性与协调性俱佳的三维仿真模型，以便设计人员向其他设计人员、业主、施工人员等细节化展示装配式建筑各构件的具体数据信息以及直观立体特征。将BIM技术应用到装配式建筑设计时，可以依托专业软件与平台实现构件数据的快速修改、三维信息化模型的自动化渲染，以便设计人员及时浏览设计成果并加以调整优化。BIM 技术的数据统计、碰撞检测等功能也可为装配式建筑的工程量统计、构件之间错误的空间关系计算与分析等提供技术支持，进一步提高装配式建筑的设计质量与设计效率[5]。并可以通过模型导出综合结构留洞图、机电管线综合平台面、局部剖面大样图及局部透视图、综合管线图等图纸，辅助项目进行深化设计及施工提供参考。因此，在装配式设计中，借助BIM技术，可以有效地提高装配式建筑的设计、施工等水平，显著地提升装配式建筑的整体质量，使装配式建筑从设计到运营维护的生产链条更加紧密、合理。

3 BIM在装配式建筑设计中的应用

3.1 装配式建筑结构设计

装配式建筑结构设计是BIM技术在装配式建筑设计中的最重要的应用。由于装配式建筑是由若干个构件按照一定空间布局与空间关系有机组合，BIM 技术可以为构件的标准化、规范化设计提供良好的技术支撑。针对装配式建筑的各个构件，可在BIM 专业软件平台中自定义构件族库，形成装配式建筑构件的数据库，作为装配式建筑的基础。在设计具体的装配式建筑时，从构件族库中快速、直接调用相关标准构件，并根据设计需要对构件的规格参数、功能特性等进行调整[6]。通过若干个构件BIM模型的空间嵌套与组合，生成各种类别与特性的装配式建筑三维立体可视化信息模型，以标准构件的调用与参数调整提高装配式建筑的设计效率，促进装配式建筑设计的标准化与数模化，简化装配式建筑设计流程，减少装配式建筑设计工作量。

3.2 BIM模型建立与图纸绘制

采用BIM技术对装配式建筑的三维可视化信息模型加以构建，生成装配式建筑的三维独立空间设计方案，并在BIM 专业软件平台中予以可视化展示。设计人员可输入与调整三维信息化模型的相关参数，实现对装配式建筑BIM 模型的快速更新与自动渲染。若是设计人员未对装配式建筑BIM模型的相关参数进行重设，则采用构件库的默认值并自动生成三维设计方案。相较于传统的二维平面图纸，BIM三维信息化模型的立体感与可视化程度更加直观，同时其对装配式建筑构件的细节表达、全局特征、空间关系等的刻画也更为全面。对空间狭小区域竖向净高尽可能地在早期进行干预与分析，提高住户的体验与设计的质量，再通过基于BIM 技术的机电管线进行管线综合优化项目管综布局、满足净高要求。对空间在早期提前进行规划与干预，辅助机电工程师有效率的进行管线的排布。设计人员可以点击BIM三维信息化模型查询到装配式建筑具体构件的规格尺寸、功能特性、用途、材料等属性数据[7]。对于现代建筑设计中常用的CAD 软件，BIM专业软件平台也有着较好的兼容性与连接性，可以将CAD 软件设计好的二维矢量化图纸直接导入到BIM 专业软件中，并根据设计需要动态变更装配式建筑的设计图纸，进一步提高了BIM 技术在装配式建筑设计应用中的整体性。

3.3 装配式建筑的工程量统计

工程量的快速、精准统计可以为设计人员预估与分析装配式建筑的实施难度、实施成本、施工周期等提供基本参考。将BIM技术应用到装配式建筑设计中，依托BIM 专业软件平台自带的包含工程信息的数据库，对照装配式建筑的设计方案执行工程信息统计，分析建筑构件的装配工程量。同时，设计中的碰撞检测可以为工程量统计的准确性提供基本保障，利用快速碰撞检测算法对装配式建筑构件的设计工况计算与分析，进行优化装配式建筑的设计方案，更加准确地估算出装配式建筑的工程量。此外，建筑的工程量统计也会给装配式建筑设计优化提供方向，对于工程量较大的建筑构件，可针对性开展优化处理。

3.4 装配式建筑中的抗震结构设计

抗震结构设计也是BIM在装配式建筑设计中的重要应用之一。与传统的检测方法不同之处在于，基于BIM技术的装配式建筑抗震设计是依托各类传感器设备对装配式建筑项目的抗震参数进行实时检测，并将检测结果传输回微处理器中。微处理器与BIM 专业软件平台高度关联，可根据微处理器中的抗震参数计算与分析装配式建筑的抗震性能。通过优化设计、抗震性能分析，实现对装配式建筑抗震性能的精准测定，以优质的装配式建筑设计提高建筑的抗震性能。

3.5 装配式建筑的深化设计

深化设计是提高装配式建筑设计科学性、合理性的关键环节。将BIM技术应用到装配式建筑深化设计中，通过构件三维信息化模型的构建以及各类埋件或钢筋的隐蔽参数的精确统计，可以为构件预制与生产提供精准的规格参数，帮助构件预制生产厂家合理储备构件生产原材料。例如，当利用BIM技术对装配式建筑的外墙板进行三维信息化建模后，根据外墙板的构件构成、构件分类，结合构件族库中关于工程信息、原材料信息、埋件信息等数据，自动计算与统计出外墙板预制加工的各类原材料耗材量。同时，BIM技术具有良好的协同联动机制，允许不同设计人员共同参与到BIM 三维模型构建中，对三维信息化模型进行构件调用与插入、构件规格参数修改与更新等操作。不同设计人员以三维信息化模型作为可共享的信息载体，可以协同深化设计，有效解决不同设计团队在深化设计装配式建筑时存在的信息冲突、共享滞后等问题。在深化设计的基础上，可依托BIM 技术对装配式建筑的各个构件进行预拼装，计算与检测构件预拼装过程中存在的各类错误，以及时调整优化构件参数，提高装配式建筑设计的实用性[8]。通过BIM 可视化及结构计算模型的数据互通解决了结构系统问题，可以通过BIM 技术漫游模拟解决各专业间的碰撞问题，减少设计变更，提高设计周期的效率。例如，在对超大飘窗拆分深化设计时，基于BIM 模型对预制装配层结构进行拆分，在复杂线条部位考虑到模具生产困难、构件生产效率及生产质量，将超大飘窗进行拆分，以达到降低构件重量、方便吊装施工及集成化拆分线条的目的。在预制墙板预埋管线深化设计时，依据PC标准层水电点位图、标准层机电安装施工图；综合考虑预埋线盒、给排水系统、强弱电系统预埋管线的合理性，将同回路管线并线优化，解决预埋线盒遗漏、水电点位错误等问题，减少预埋管线的使用量。