基于BIM技术的装配式结构设计方法探析

裴佑生

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230031）

1 基于BIM技术的装配式结构设计价值和设计方法

1.1 设计价值

（1）提高工作效率。在当前的建筑结构中，一些设计人员大多是进行平面装配式建筑设计，缺乏立体的设计效果图，也无法保证每一环节在设计和施工过程中相互配合。如果采用BIM技术，能够从建筑模型中提出需要的部分进行加强和优化，通过协同设计完成设计和审核工作，并最终完成造价设计和分析。通过BIM系统中三维和二维图像的结合，零部件可以生成平面图然后运送至生产车间进行生产。运用BIM技术设计图纸时，专业人员可以在一个建构起来的图像中进行更改和设计，并从虚拟设计中直接生成所需要的图纸，这样可以提高建筑工程的效率。

（2）节省建筑施工成本。在装配式结构中应用BIM技术可以解决建筑工程施工中遇到的难题，如可以帮助节省一定资源和能源，保护环境。BIM技术还能够直接进行无纸化设计，减少人力和物力浪费，避免在建筑设计过程中因为操作不当而产生返工问题。

（3）实现参数优化设计。不同于传统的平面画图，采用BIM技术可以实现立体画图，将所有的建筑零部件都清晰地在图纸上表现出来，并通过数据使这些图像变得参数化。这些特点为建筑设计提供了支持，在施工时，人员通过参数化设计可以清楚把握建筑结构。

1.2 设计方法

将BIM技术应用于装配式结构中，需要工作人员先了解BIM技术，了解其特点、优势、注意事项等，然后再对装配式结构进行设计，对整体结构进行建模，通过计算机画图将整个建筑结构清晰地表现出来，呈现出立体的效果。三维建模以后，需要设计人员根据建筑工程的特点，将装配式结构和建模相结合，同时考虑装配式结构的特点，使其更好地满足建筑工程的要求。运用BIM技术进行设计主要包括以下几点：

（1）规划建筑工程的整体结构。按照装配式建筑进行标准化和参数化设计，建立起与建筑工程相关的零部件模型数据库，包括预制外墙零部件、梁柱以及楼梯等零部件。

（2）进行零部件的详细设计。在构建好的数据库中，工作人员根据需要选择工程所需的零部件应用于项目中，并将一个个的零部件安装成三维图像模型，这样可以提高工作人员的效率。

（3）对装配式建筑结构进行再设计，保证零部件结构在整体设计中满足建筑性能。为了较大程度地满足装配式建筑的设计特点，可以进行设计与研究，设计出最适合居民需求的住宅和户型，最终形成建筑装配式结构模型库。

2 基于BIM技术的装配式结构设计要求与设计流程

2.1 设计要求

（1）标准化设计的要求。在标准化设计中，需要采用统一的建筑模数用于建筑设计、施工和材料选择等，并根据建筑结构的尺寸和型号准确调节。模数化设计就是为了保障装配式建筑结构的标准化。建筑模数分为基本模数和导出模数2种类型，导出模数又分为扩大模数和分模数，根据这些模数形式划分出模数数列。参照模数数列进行设计，可以使建筑产品之间具有协同性和规范性，减轻工作人员的负担和压力，降低工程难度，提高零部件的质量。设计的标准化和模数性都属于零部件的拆分阶段，将装配式建筑结构拆分后，还需要将其重新整合，将模数协调起来，这是为了实现装配式建筑结构的互换性，使可以通用的零部件满足各项设计要求。

（2）科学化设计的要求。为了满足装配式建筑结构的科学化设计，重点需要满足对其的深化设计，这是装配式建筑与传统建筑相比的最大不同点。在装配式结构的设计阶段，可以将零部件拆分，简化设计程序；在模件的生产阶段，为了使工人的操作更加规范，要积极推进生产的机械化，以便随时从仓库中取出零部件用于生产；在施工阶段，要减少吊车运输的次数，便于对其操作进行统一协调安排，减少对接工作，使操作更加简单。设计人员需要根据工作平台对建筑工程、结构、电气设备和材料等进行整合，根据不同的需求保证不同预制件的性能，保证预制件生产与施工的一体化和统一性。科学化的设计要求预制件的详细和深化，这对预制件的生产起着至关重要的作用。完整的设计程序包括设计深化说明、预制件的布置、节点设计和预制件的深化设计等，所涉及的内容不仅有建筑，还包括机电设备、工程结构等。深化设计主要包括零部件的尺寸、型号、外观设计、墙面做法。

上文对装配式结构的设计要求进行了分析，尤其是对其标准化的设计和科学化的设计进行了说明。其要求是要满足我国规定的五项标准，包括设计的标准性、工厂流水线式一体化的生产、装配式施工、统一式装修和智能化管理。其中的重中之重为设计的标准性，标准性的生产就是要求其结果满足完整化和通用化，通过模数数列优化预制件的尺寸和型号。新型的装配式建筑和传统的装配式结构具有显著差异，它们的分析方式不同，前者对设计人员的要求更高，设计更加科学；后者适用范围较广。

2.2 设计流程

基于BIM技术的装配式结构设计是一种新型结构设计。在这一结构设计流程中，主要包括两类方法：第一类是与传统的装配式建筑结构相似的设计流程，它们只是在零部件的设计上略有不同，这一方法需要先根据生产商的要求建立起构件库，在构件库中完成项目的施工，再对其中的零部件进行计算；第二类方案是一种新型的结构设计方案，这一方案与传统的装配式结构设计相差较多，其将建筑的所有零部件视为一个整体，再对多个零部件进行拼接。两类方法都可以在设计初期建库使用，以保证零部件的稳定性，这对尽早实现建筑工程的工业化生产具有重要作用。

（1）清楚掌握预制件的生产流程。第一，预制件的生产商需要充分了解预制件的标准、生产规模，清楚认识到自己的生产能力，选择最适合自己的生产方式。第二，随着现阶段建筑行业的快速发展，生产方面不仅要有数量，还要保证质量，加大对预制件结构的选择性，必须具有一定数量和质量的构件。第三，保证构件库中的信息数据准确，预制件的钢筋、类型需要有明确标识，保证构件的承载力。

（2）准确选择构件尺寸型号，完成设计方案。在设计阶段，以往的设计中先是对整体构件进行分析，再分析单个构件，新型的结构设计是先分析单个构件，再对整体的承载力进行分析。这与以往的分析情况相反，需要设计人员树立新的设计观念，专业知识技能更加丰富。传统的装配式结构设计流程的难点在于结构拆分，根据拆分原则与模数原则实现其标准化，随着科学技术的快速发展和信息化时代的到来，新型的装配式结构设计越来越受到大家的关注。新型的装配式结构设计重点在于拼装阶段，在设计初期通过选择预制件并进行拼接，可以同时生成较多设计方案，从而完成对楼层建筑的整体计算。学者张超[5]研究了装配式建筑结构的设计方法，分析了整个结构设计、BIM模型的建立和优化等环节，并说明了每一环节的内容和要求，其中预制件的建库环节和完善环节是基础环节，拼装和计算等环节都依据这两个环节来进行。装配式设计环节的优势是能够减少成本、节约资源和能源，减少工程时间，确保工程质量。促进工业化生产最主要的就是要建库，根据不同的预制件和结构形式，根据工厂中的生产规模和技术等加以确定。梁和墙板等需要通过计算预制件的位置等来判断，以构件尺寸信息为主，通过计算可以确定构件的布置位置，通过尺寸来保证模数化设计，对于非承重墙的负荷力度和跨度，可以根据这些安排钢筋布设。在设计阶段，设计人员可以从构件库中直接挑选。对于空调板、女儿墙的设计，可以根据构件的详细信息使类型更加多样化，满足建筑结构的立面设计。如果建筑结构较复杂，不能满足设计需求，需要在构件生产中添加构件。

（3）完成结构的拼装设计。在项目的构建中，需要对结构以积木的形式进行拼接，在满足工程实际情况的基础上，认真选择最适宜的结构设计方案，选择零部件进行重构，再通过门窗等完成户型设计，确保拼装过程符合建筑体结构的立面。

（4）BIM技术的优化设计。对预拼装的建筑整体受力进行分析，确定预制件的钢筋排列顺序，优化设计方案。结构分析检查后，对不满足的进行替换，再次检验，直到满足设计要求。因为构件库是由厂家提供，复检阶段会涉及专利问题，设计人员在检查时应以此为辅证，判断结果是否准确。

3 结束语

综上所述，由于传统的装配式结构存在较多的问题，新型装配式结构越来越受到人们推崇。文章主要介绍了基于BIM技术的装配式建筑的设计原则、设计方法、设计要求、设计流程等内容。通过研究发现，虽然传统的设计流程有些许不足，但随着软件技术的发展，将二维设计软件转换为BIM软件后，可以有效地弥补这些不足，对于装配式结构设计更为有利，为装配式结构的发展提供了新的思路。