BIM技术在装配式建筑初步设计中的应用

李怡憬

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

BIM技术是目前在建筑学、工程学及土木工程最有价值的管理工具之一，现已在建筑工程中得到了广泛的应用，技术手段相对成熟。BIM技术的出现也是建筑行业发展的巨大改革，是信息化建筑、绿色环保施工、科学稳定设计等理念的有效表现，在工作流程和表现方式方面都得到了质的改变。同时，工业化是建筑行业实现高效优质生产、节能环保及可持续发展等目标的必然途径。随着“双碳”目标的提出，装配式建筑成为了建筑工业化发展的中坚力量。但装配式建筑通常规模比较大、涉及构件种类多且结构复杂，这无形中增大了装配式建筑设计、施工及管理等方面的难度及压力。通过BIM技术的合理运用，可以实现全自动协作管理、专业化同步设计、全建筑信息整合和全工程工期管控的目的，并且可以实现装配式工程各施工流程管理的智能技术支持。鉴于此，文章结合实例针对BIM技术在装配式建筑设计阶段中的应用展开研究，对推动建筑行业实现工业化、信息化发展有着良好的现实意义。

1 BIM技术在装配式建筑初步设计阶段的应用优势

1.1 实现建筑构件标准化

在装配式预制构件工厂生产过程中，要保证所有构件模数化和标准化的基本原则，实现建筑、部品、构件的统一化标准。只有规范化的建筑构件建模设计，才是确保预制构件在施工现场精准装配的必要条件。采用BIM技术设计模型，可以实现建筑构件的形状、管线、位置、装配等元素的三维空间展示，并可以进行信息标注。相比传统二维建筑设计手段，BIM三维建模更加全面、准确和直观。另外，BIM技术应用到装配式建筑设计阶段中，可以实现建筑模型的信息化管理，工厂制造预制构件参数和外形特征之间的联系可以有效体现，预制构件同时保存几何和非几何信息，并按照各建筑特征之间的关系构成组织关系。

1.2 实现模型节点的精细化设计

BIM技术应用于装配式建筑中，可以实现设计图纸和建筑模型的同步修改，避免人工修改易造成的遗漏和误差问题出现。相比传统装配式建筑设计手段，BIM技术的三维设计手段可以直观了解建筑工程的全部信息，实现便捷影像、便捷坡面图设计等操作，实现各设计流程模型阶段的精细化管理。另外，BIM技术应用建筑模型设计时，源自统一数据库的模型、视图、列表能实现相互联动，提升设计人员的工作效率和工作质量，并大大增加了后续校对人员的审核效率。

1.3 实现各专业的协同化设计

BIM技术的有效运用，能实现装配式建筑各专业的协同化设计，以三维制图手段进行的多专业、多维度建筑模型设计，其可以直观且多面的展示装配式构件之间的关系，对专业交圈暴露问题也可以完美规避，并利用模拟软件实现BIM模型的分析、优化。在装配式建筑结构设计方面，扁平化和离散化是传统二维设计手段难以解决的劣势，对建筑各预构件信息的表述和传达不够准确，易出现数据信息的重复表述，不够细致，不能对后续建筑图形的设计提供强有力的数据支持。而BIM技术的出现正是解决上述问题的手段，可以创建完善且多样的数据信息库，实时存储设计阶段的各流程、各模型、各构件之间的信息，并且设计人员在实际工作时随时调取。

2 工程概况

某建设项目一共6栋多层建筑，建筑高度为15.72 m，建筑框架结构采用装配式钢结构，抗震要求二级以上；结构柱采用钢管加内灌混凝土组合柱，钢管要求强度达到Q345B标准，混凝土使用C40混凝土；结构梁采用高频焊接窄翼缘H型钢梁，钢梁强度达到Q345B标准。如表1所示，为该建筑工程结构设计参数表。

表1 建筑工程结构设计参数表

2.1 装配式钢结构的结构体系设计

2.1.1 纯钢框架结构体系

框架结构通常仅由梁柱构成，该结构体系的优势是可以在建筑结构空间上实现灵活布置，施工相对简单，并可以最大程度地优化建筑使用面积，针对建筑的使用特点，纯钢框架结构体系可以满足。纯钢框架结构体系在实际应用中，可实现对建筑空间的合理化布置，并可最大化地提高房间空间的使用空间及净空率。

2.1.2 钢框架支撑结构体系

钢框架支撑结构体系也是一种多高层钢结构建筑中常用的结构形式，其是以钢框架结构为基础，在部分框架柱之间布置支撑来提高整个建筑工程的承载能力及侧向载荷。由于钢框架支撑结构体系柱、梁之间可以设计较大距离，同样具有最大程度的优化建筑使用面积特点。但相比纯钢框架体系，承载抗剪切侧弯能力非常有限，并且钢框架支撑结构体系对有特殊要求的建筑物不能满足，比如，建筑物需要良好的光照要求和室内保温要求，所以该建筑结构体系并不满足实际使用需求。

2.2 基于BIM技术的钢结构建筑设计

该钢结构装配式建筑设计基本流程为：模块设计→预构件装配→统计工作量→输出施工图，设计人员需要围绕该流程进行细致化的优化和修改。

基于BIM技术的基础上，建筑模块设计和修改的便捷性将会有很大提升，数据的信息整合、运算和图纸的调整更加方便，对设计人员的装配式钢结构建筑方案工作也有很大推进作用。在设计人员进行建筑模块设计时，首先要指定完善的模块族建模优化设计方案，其中包括模块族的实际运用手段，然后利用设计模块和模块组合来构建建筑的平面楼层，通过建筑结构数据信息表可知建筑中各平面楼层建筑面积信息和建筑结构大致运算指标情况。根据建筑相关要求和利用BIM技术设计出的建筑模型信息进行数据核对，可以获得一个科学、稳定的建筑结构。另外，为满足建筑，后续使用期间的多样化发展需要，设计人员要在建筑室内结构中加入一些实用性的建筑构件。关于室内设计的整体布局，要将建筑综合功能分区作为重点规划方向，这样才能让施工单位和建筑负责人直观的了解全部建筑空间功能结构和分区布置情况，以此提升建筑工程的质量和装配式建筑经验的积累。

通过利用BIM技术中的Revit建模工具，使用“阶段”建模功能，将建筑的室内构件分成多个功能阶段进行数据整合，并对其进行分析研究，为后续的建筑工程应用效果演示做好基础保障。然后通过模块功能中建筑构件组合参数来设计室内的每个房间户型结构，规划建筑内外房间的门窗，规划室内学习桌椅位置、模块名称、房间名称等信息进行有效标注，然后进行建筑内各种灯具、开关、插座等电力设施的布局设计。

该项目的建筑布局采用装配式纯钢框架结构体系，结构钢梁和钢柱要采用混凝土柱座灌入固定，通过BIM计算可知，选用钢材强度需达Q345B，固定螺栓使用强度8.8及以上摩擦型螺栓。

2.3 基于BIM技术的钢结构的模块库建立

BIM技术的出现完全满足现今建筑行业的发展需要，建筑企业将BIM建模、信息化管理等技术应用到预制装配式建筑设计阶段中，在完成建筑结构标准化设计工作后，还需要相关人员创建相应的装配式建筑户型库和装配式建筑构件模块库。通过标准化系统的有效设计，可以实现各装配式建筑结构户型库和建筑构件生产制造的规范化管理，使之建筑构件设计、构件生产、施工装配等环节都可以起到提升工作效率和质量的作用。

另外，该建筑工程支撑结构以钢框架体系为主，具有建筑构件数量多、规格大、种类多、质量重等特点，所以运输和安装的难度系数大大增强，除对运输设备和安装设备要求高，也需要专业的施工人员进行作业。在建筑构件实际安装过程中，需要BIM技术虚拟确定建筑构件的重心位置，并设计完善的各建筑构件连接手段和装配图纸。该建筑构件柱有三种类型，根据梁柱座节点间接的开孔方向分为“L”型、“T”型和“十”字型。梁柱BIM设计模型图如图1所示。

图1 基于 BIM 技术的梁柱设计模型图

2.4 基于BIM技术钢结构的碰撞检查分析

装配式建筑初步设计阶段的主要目的除了保证设计的建筑构件为后期工厂加工制造有一定的准确性，其主要任务还是为了保障每个生产的建筑构件运输到建筑场地后可以进行精准的安装，避免建筑构件出现误差、遗漏和碰撞等问题。在钢结构建筑工程中，需要工厂制造大量规格大且多样的预制构件，传统依赖吊装机械设备进行人工校对构件和构件检查核验工作，不仅浪费大量人力、物力、时间，还会因为人工操作失误造成构件碰撞，甚至是出现安全事故。而BIM技术的出现解决了这些弊端问题的发生，该技术通过计算机软件就可以精准地对建筑构件进行模拟校对和检验，避免了施工现场构件安装过程中可能产生的冲突问题。

该项目中，对于建筑构件碰撞问题的校对和检验，是利用BIM技术计算机软件中的“碰撞信息校核器”工具来进行建筑构件间的模拟碰撞检测。其在计算机软件上可以预先设置建筑构件的检测条件，待检测建筑构件碰撞完毕后，会自动分析出检测结果，可以实时掌握建筑构件模型安装过程中可能出现的施工问题，如碰撞构件数量、部位、材质等信息参数，并且在模拟碰撞部分会进行自动特别显示，方便技术人员的后续检查修改。管线碰撞渲染图见图2所示。

图2 碰撞检测渲染图（管道与风管碰撞）

2.5 预制构件清单设计

预制构件清单可以为钢结构生产厂商生产构件提供依据。装配式钢结构项目施工所需构件不仅种类多，而且数量大，因此，构件清单制作工作繁琐，易出现错误或遗漏等。为解决此次问题，该项目中应用Revit软件跟设计要求及工程量清单整理汇总钢结构构件清单，并可以根据实际需要实时生成2D图纸，且在图纸中标明了构件的相关尺寸数据、材质信息及安装措施等，以此确保构件生产及安装的精度。

3 结语

综上所述，BIM技术在我国的发展已经相对成熟，广泛应用于各种结构的建筑工程中，社会各界对其重视程度也在大大提高。想要把BIM技术在装配式建筑设计阶段产生最大化的助力，需要不断对其进行升级和优化，硬件、软件系统都要跟上科技发展的脚步。另外，强大的技术手段也需要专业的技术人员作为基础支持，相关企业要注重专业人才的培养和完善相关考核制度，让BIM技术的应用变为企业发展的核心任务之一。在将来，伴随着BIM技术的创新与发展和人们对于建筑的多样需求，建筑企业为符合建筑行业市场需求，必然会不断推动建筑行业的可持续发展。