BIM技术在低层轻钢夹芯板装配式房屋的应用

赵浩宇 刘志威

摘 要以某装配式轻钢结构项目为例，着重阐述了BIM技术在装配式构件选型、节点连接设计的应用。模型建立后，通过BIM技术对房屋装配方案进行施工模拟，得出各构件集的施工顺序，继而进行装配流程的优化，最终实现轻钢房屋的精细化设计和施工方案优化，减少设计缺陷、提高建造效率。

关键词轻钢房屋;BIM技术;优化

在住宅产业化、装配绿色化的背景下，轻钢结构以其构件预制程度高、施工周期短、重复利用率高等优势作为一种新兴产业进入房地产市场。但轻钢住宅体系在我国尚处于初级发展阶段，其在应用和推广还有很多不足[1]。此外，关于轻钢房屋的技术规范和体系不完善，建筑安全、绿色评价体系不成熟，设计阶段中构件尺寸的设计、房屋结构的优化;施工阶段中不同类型构件在满足结构安全性前提条件下搭接方式的筛选、调整等都需要投入大量的精力和时间。最终导致轻钢住宅的优越性被淹没，极大地制约了轻钢房屋的推广和应用。

利用BIM相关技术，对轻钢夹芯板预制房屋进行建模设计，结合轻钢结构合理性分析进而及时调整设计方案以符合规范要求，再利用Navisworks软件进行建筑施工模拟，快速高效指导建造工程，节省建造时间，提高工程质量和效率，为轻钢结构房屋的产业化生产提供技术支撑。

1 工程概况

某轻钢夹芯板装配式房屋为“吊脚+楼梯”设计，一层为梁柱杆件装配式轻钢框架结构，上部采用压型钢板混凝土楼面。二层为轻钢结构主体和通风扇叶组合，外侧墙面和屋面采用夹芯板材料。屋顶为坡屋顶，轻钢结构主体形式为“钢桁架+支撑”体系，采用全螺栓连接;预制构件形式为预制钢结构柱、外侧预制钢板楼梯及夹心保温外墙板和屋面板。

2 轻钢夹芯板装配式房屋的技术难点

装配式轻钢房屋由于其构件完全预制化，设计阶段中所需构件的尺寸都是固定的，设计的同时还需考虑复杂关键节点的施工。此外，由于装配式房屋完全通过螺栓进行连接，施工方案要结合房屋具体的结构形式、选用的材料、设备等多因素进行比选。因此，和传统建筑相比，本工程在设计和施工阶段有如下难点。

（1）节点连接方式设计和构件选型困难。本工程为功能型装配式别墅项目，功能区多、构件杂，复杂关键节点数量多，传统模式由设计人员通过空间想象力和计算来确定构件的选型和节点的连接方式，工程量大、过程复杂烦琐，很容易出错和遗漏施工过程中诸多细节，导致前期设计与后期施工脱节，设计质量和效率低下。

（2）对施工过程的把控和装配方案的制定难度大。本工程主体结构完全以螺栓的形式进行拼接，与传统建筑施工相比极易出现交底不清楚问题[2]，导致进度跟不上计划，计划又赶不上变化。同时，在现场装配时，由于每个功能区的差异性和人力、材料资源的限制，施工阶段进度计划的制定和优化变得异常困难。

根据装配式轻钢房屋构件具有标准化的特点，利用BIM参数化设计，集成构件信息，建立标准构件库，方便设计过程中的构件选型和节点设计。同时，通过BIM技术施工方案模拟，综合考虑各构件的施工顺序、施工冲突等因素，找出施工难点，制定最优的施工方案。

3 BIM技术在装配式构件选型中的应用

3.1 标准构件库的建立

钢结构骨架模型建立

3.1.1 钢结构柱

房屋下部支撑结构为钢结构柱，钢结构柱有多种形式—轻型Z型柱、角钢柱，空心方形柱、矩形柱、圆形柱等。通过Revit自带“柱”族的载入和参数修改，构建不同类型钢结构柱的标准构件库。以矩形柱为例，利用“结构”选项卡—“柱”—“编辑类型”—“载入”—“结构”—“柱”—“混凝土”—“钢管混凝土柱矩形”完成载入，通过“复制”命令进行名称的更改，根据图纸中柱截面尺寸，修改对应“类型属性”中“深度”和“宽度”参数，最后完成模型建立。如图1。

3.2 立面钢骨架

立面钢骨架为矩形管桁架结构体系，桁架体系内节点构造形式有多种：T、Y形，X形、K形、TK形、TT形、XX形、KK形、KX形等。通过Revit内建模型的方式，构建不同桁架体系。以KT型节点桁架体系为例，在“项目浏览器”—“立面”—双击进入“东立面”，利用“建筑”—“构件”—“内建模型”—“结构框架”—“命名”—“拾取工作平面”，进入拉伸编辑页面，按照立面图图纸尺寸在对应位置绘制轮廓线，根据平面图相关尺寸，在左侧“属性”界面确定拉伸起终点，最后完成桁架模型的建立。如图2。

3.3 屋面钢骨架

屋架为三角支撑桁架组合体系，桁架内为K型节点连接方式，桁架体系建立方法与立面钢骨架建立方法相似，利用软件中构件外形轮廓编辑功能，选中轮廓线后通过拖拽轮廓线的两端点以及修改对应的尺寸标注，根据屋顶、墙体等外部约束，结合满足构件受力要求计算，对轻钢骨架模型构件尺寸、节点连接进行实时修改，最终保证整体的协调性。

4 BIM技术在装配式房屋施工方案优化中的应用

装配式轻钢房屋由于构件数量较多，构件管理工作十分复杂，在装配过程中各构件施工顺序相互交叉，极易出错。此外，装配式房屋的施工以吊装为主要形式，吊装过程中极易受到周围建筑物、地形以及其他施工条件的限制，而无法正常按计划施工。

构件库中每个构件都有特定的ID编号，再通过构件集对构件进一步分类，最后根据现场情况和施工方案，借助Navisworks软件模拟施工过程，查找现实施工中可能出现的问题，发现风险源，制定专项解决方案，优化现有的施工进度安排，高效快速地指导施工过程，在保证施工质量的前提下按时完工。

对于每一个施工步骤中要安装的构件，利用 Navisworks 中提供的选择树功能和模型本身，依次选择并保存为集合，使用Time Liner功能，通过Time Liner 中“任务”的设置，创建新的任务，并按顺序附着集合，同时设置每个任务的持续时间，选择任务类型为“构造”，在“模拟”选项卡，模拟施工过程，分析施工过程的合理性。

在模拟装配施工过程中发现，由于外墙板装配较为简单且轻钢骨架在对称立面的装配有极大的结構相似性，故可对针对这两个装配过程进行优化，由原来外墙板依次装配施工调整为四块外墙板并行施工，由单个立面轻钢骨架的依次装配调整为东西两立面轻钢骨架同时装配、南北两立面轻钢骨架同时装配，缩短了工期，优化了装配施工方案。如图3、图4。

5 结论

现有轻钢结构房屋技术体系不完善，项目全周期运营中仍会有大量的人力、物力的投入，使轻钢房屋的优势未能充分发挥。依托BIM技术，将构件信息集成，构建标准构件库，扩大对构件选择，在保证结构安全性前提下，解决设计阶段构件尺寸变更、比选难问题;同时运用施工模拟软件模拟轻钢房屋的施工装配过程，将方案不断优化，最大限度地降低施工成本;最终使轻钢房屋达到绿色、经济、安全的标准。

参考文献

[1]胡向磊.中国经济发达地区的住宅产业化探索—基于轻钢轻板住宅体系适用技术初步研究[D].同济大学，2004.

[2]黄飞亚.基于住宅产业化的建筑信息模型（BIM）在轻钢住宅体系中的应用研究[D].华南理工大学，2018.