基于BIM技术的装配式混凝土结构设计施工流程及应用研究

涂劲松，刘运林，谢轩，卞祝，周明

(1.皖西学院建筑与土木工程学院，安徽 六安 237012；2.安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230022)

0 引言

在当前互联网、大数据和人工智能技术发展的背景下，智能建造成为发展的必然趋势[1]，尤其装配式建筑依托BIM信息技术，改变了传统建筑的生产方式，打破了传统建筑产业的上下游体系，加速了工程设计施工和运维一体化管理。如图1所示现代建筑生产是以信息模型为中心，多专业协作，以信息化带动建筑工业化，以工业化促进信息化发展。

图1 以BIM信息模型为中心的全过程管理

为促进BIM技术落地生根，住建部自2011年开始陆续出台了《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》、《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》和《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》三部文件，明确要求建筑行业企业“积极探索‘互联网+'，促进建筑行业的转型升级，深入研究BIM、物联网等技术的创新应用，创新商业模式，重要提出了大数据、云计算、物联网、3D打印和智能化五项专项信息技术应用点[2]。

同时为有效推动BIM技术和装配式建筑产业的融合发展，加快装配式建筑产业推广，缓解我国在经济发展高速过程中的资源消耗过快、能耗过高的情况，国务院办公厅及相关部委在2013年以1号文的形式发布了《绿色建筑行动方案》(国办发〔2013〕1号)，其中“推动建筑工业化”被列为十大重要任务之一[3]。与此同时各地积极行动[4-6]，如上海2016年发布了《上海市装配式建筑2016-2020年发展规划》明确要求将BIM技术融入装配式建筑项目建设全过程，加快配套软件研发，实现产业链各环节数据共享。同时要求所有新建住宅供地面积不少于50%建筑采用装配式。

因此无论从政策制定到产业集成，还是具体到设计、施工关键技术等环节，BIM+装配式建筑成为了政府和行业研究热点。“数字建造”时代已来临，研究基于BIM+装配式结构中的工艺流程对装配式结构的设计生产和施工具有较好的指导意义。

1 BIM技术在装配式剪力墙结构体系中的应用分析

BIM模型是一个动态的三维数据模型，具有可视化、模拟性、协调性、优化性、可出图性、一体化、参数化和信息完备性等特点[7]。因此把BIM技术作为辅助手段可以解决装配式建筑生产建造过程的关键技术问题:

(1)在装配式建筑规划阶段，运用BIM技术与GIS相结合，把模型导入地图进行场地规划和建模，以帮助决策者实现合理的建筑规划。

(2)在装配式建筑设计阶段，运用BIM技术建立构件标准族库，与构件生产厂商对接，可实现人工智能拼装设计、智能生产和建造，后期仅对建筑的外立面进行人工处理即可，以此能加快住宅建筑实现标准化、工业化和产业化，改变传统建造方式，实现节能环保和经济效益。

(3)在装配式建筑生产建造阶段，运用BIM技术可以实现设计方将所有的设计数据以及参数通过条形码的形式直接转化为装配式结构加工参数，实现设计信息和生产系统的直接对接，避免生产错误、提高预制构件生产的自动化程度和生产效率。在生产的过程中，也可以实时的将生产信息传达给施工单位，便于施工方的进度安排。

(4)在工程造价方面，利用BIM技术进行精准建模在造价预算方面可以实现准确校核、查验、快速提取工程量，减少工程造价人员的计算强度，提高工程造价精度和效率。

(5)在运维阶段，BIM技术与装配式建筑的结合可以在工程的全生命周期中进行跟踪维护，与模型对接后可以实现自动监测，可以防止重大安全隐患的发生，以实现BIM技术在工程全寿命周期阶段的管理应用。

装配式建筑融合BIM技术改变了传统设计施工的方式，基于BIM模型的中心作用，必须对基于BIM技术装配式施工流程再造，并且大力推广工程总承包方式提高各作业单位的协同效率。

2 基于BIM技术的PC结构工艺流程再造和关键技术流程

装配式建筑对设计、生产和施工的协同作业要求比较高，如果按照单一线性生产方式，会产生很多不可逆的工程质量问题，因此建立动态BIM产品模型并以模型为中心，所有生产单位围绕BIM产品进行工作配合，在设计进展过程中，共享模型，逐步深化。图2是在装配式建筑的五个主要阶段中融入BIM技术的工艺再造，通过融入BIM技术减少各专业差错，提高设计施工准确度，同时要求在方案设计阶段时设计者和构件生产者就要协同配合，用逆向思维在考虑精细化、模数化以及工程造价成本多种因素下进行设计，从而打破传统工程方案技术策划→初步设计→建筑施工图设计→结构施工图设计→水电施工图设计→深化施工图等线性设计形式[8-9]，实现了设计施工一体化的有效衔接。

图2 基于BIM技术的装配式建筑结构的全寿命周期工作流程

3 BIM技术在装配式混凝土结构设计中应用案例

装配式建筑结构对施工工艺要求比较高，对信息技术尤其BIM技术的依赖比传统的现浇钢筋混凝土建筑要高，没有信息化的精准设计，在生产和施工阶段的建造就很难实现。为说明BIM技术在装配式混凝土结构设计、生产和施工中的应用，本文选取浙江湖州市某装配式工程项目为例进行解析，该项目净用地面积为46 488.00 m2；容积率要求1.6～1.8；建筑密度不大于30%；绿地率不小于30%；建筑高度18-60 m(居住建筑)；要求实施装配式建筑面积去除比例达到50%(即43 431.0 m2)。

3.1 标准单元组合户型设计

为较好的实施本案例装配式建筑，采用如图2所述的反馈设计，考虑生产和施工成本因素和制造产品因素，建立标准单元进行户型组合实施标准化设计，户型统计如表1，设计建筑分布如图3，按照装配建筑面积比达到50%的要求，选择高层建筑进行装配式设计施工比较经济。

表1 标准化设计户型统计表

3.2 基于BIM的标准化立面设计

为充分考虑生产施工因素，在立面上尽可能简洁、美观，同时有利于构件的标准化，通过BIM三维技术，对YJ115-9(18F/17F)户型单元进行了拆分，使阳台、外墙板、窗户和空调板等构件标准化，户型单元拆解和户型立面如图4所示，经过拆分后的18层高层建筑的外墙、叠合板等预制率达到了35%，满足了大于30%的装配率要求。

经过拆分后形成的构件总数4708件，预制构件总重量为54.78 t，预制构件总体积为21.91 m3，其中预制凸窗6种型号，预制外墙板4种型号，预制阳台2种规格，预制叠合板2种规格，标准化构件拆分BIM示意图如表2所示(表2同类型的构件只列出部分构件)，较好的实现了建筑造型和标准设计的关系。

图3 小区规划鸟瞰图

图4 基于BIM技术的装配式构件拆分效果图和立面图

3.3 基于BIM技术的构件深化设计

装配式构件的生产质量标准比传统现浇结构要求高，特别是竖向构件的钢筋连接工艺，如果位置不准确则可能在现场无法安装，造成工期延误和成本浪费，为更好的实现构件在工厂的生产，对表2的16种规格构件实施BIM标准深化施工图，图5是经过BIM标准化后的外墙构造和楼梯构造图，把钢筋导入自动加工系统实现钢筋自动加工、绑扎，支模、浇筑直至构件成型。

3.4 装配式建筑的生产安装工艺流程

因装配式结构安装的精度要求较高，因此装配式构件部品出厂后，应加强构件的运输管理，减少构件的损坏和弯曲，为便于运输和构件的吊装管理，本案例对安装过程进行了细化流程如图6所示，同时制定关键环节质量验收标准，以满足装配式结构的设计和施工规范要求。

表2 项目标准化构件设计数量统计表

通过BIM技术的辅助，较好的达到了信息化、标准化和工业化的要求，该小区的设计、生产和施工得以顺利完成，满足了业主的装配式面积和装配率的要求，实现了较好的工期效益和经济效益。

图5 基于BIM技术构件详图

图6 PC结构现场施工关键技术流程

4 结语

装配式建筑是我国实现建筑信息化、工业化的主要路径，而BIM技术能够很好的实现装配式建筑的应用价值。本文通过基于BIM技术的流程分析和应用案例主要有以下两点结论:

(1)应用BIM技术能够提高全过程寿命周期的协同，在设计阶段能够提升标准化设计水平，提升设计效率，并大幅度减少装配式建筑的设计误差，实现精准设计。在生产阶段能够实现工业化，通过BIM的精准构件设计，能够加快构件的流水线生产并能重新整合上下游产业链条。在施工阶段能够较少手工作业、降低劳动强度，提升现场的安全文明施工水平，把脏乱差的工地变成工业化的流水生产。因此实施大规模装配式结构建筑具有长远的战略意义。

(2)因装配式建筑必须考虑全寿命周期生产过程，对构件的生产和工艺要求高、需要的协调工作量较大，因此在装配式工程项目实施中，建议采用设计总承包或施工总承包模式，在技术类别上可按照技术复杂类工程项目招投标。