模块化建筑的结构设计与BIM技术应用研究

＊殷广庆

（中海油石化工程有限公司 山东 250014）

前言

模块化建筑结构设计既要考虑预制构件的内容，又要考虑后期现场施工，因此，相关人员必须保证预制构件满足施工要求，同时也要保证预制构件的强度和质量性能均符合整体建筑施工标准。BIM是一种建筑信息化模型，主要是利用计算机技术，用数字化的形式表达建筑工程信息中的各种内容，以提高建筑设计的效率和准确性。采用该技术后，建筑工程的施工质量将进一步提高，为建筑企业增加一定的经济效益。

1.设计方法

在模块化建筑结构中，相关的墙体结构、楼板以及楼梯等都是按要求提前批量生产的，它需要与混凝土相结合，才能构成建筑物整体。传统的施工模式在施工过程中，所有施工技术都是按照施工流程进行，这些技术都是发生在现场的。而模块化施工技术多发生在施工前期，这种技术往往需要有较高的前置条件。所以结构设计的相关人员，要使设计完成的产品达到相关规范的要求。这就要求结构设计必须与决策阶段相联系，设计人员必须与项目负责人建立良好的沟通，了解建筑工程的实际情况及施工要求、成本要求等，并了解预制构件厂的生产水平，使所设计的成品能满足预制构件厂的生产技术要求。总之，模块化建筑结构设计保证了结构的简洁，承载能力强，功能的多样性，布局的便利性。由于其在施工过程中还需要装配环节，所以应遵循“少规格，多组合”的设计原则，使设计的成品更加多样化和标准化。无论是总图设计阶段还是建筑单体设计阶段，为了保证设计水平，都应该采取一体化设计、模块化和通用化设计相结合的方法。另外，预制件模具的设计也需要相关人员减少其种类，增加其利用次数，使得模块化建筑结构的优势更加显著。

2.总图设计阶段

总图设计需要相关人员以整体的眼光看待模块化建筑设计事项，在考虑事项上也要做到面面俱到，使设计对象与整体建筑、整个施工现场及周围的环境等相协调。因此，有关人员在设计模块化建筑结构的场地布置时，应充分考虑总平面布置图中模块化建筑的位置及施工安排，使模块化建筑与其它功能建筑保持安全距离，保证大型机械施工场地面积，使机械布置合理。此外，还要进行运输方式与道路的设计，使车辆的进出符合方便施工的要求。模块化施工场地与预制构件存放场地之间的距离应设计合理，使预制构件在施工流程中能够顺利实施。不同的预制构件对吊装机械的要求不同，相关人员还需要针对具体的模块结构，对塔吊、起重机进行合理的布置和使用。在确定使用的机械后，相关人员还应对其吊装重量进行设计，使其与预制件的吊装压力相匹配。由于吊车悬臂在运行过程中会出现旋转现象，因此作业场地的尺寸也必须满足吊车转动半径的要求。这些机器比较笨重，不容易移动，有关人员也必须事先设计好行进路线。运输预制构件的车辆在行驶和运输过程中，应与吊装机械保持安全距离，并应安排专人看管道路，保证物料等及时到位。相关的车道应设计成环形，整个场地应满足平整、密实的要求，为减少设施费用，相关人员还应做好排水设计与道路尺寸设计。

3.建筑单体设计阶段

总图设计阶段的具体情况和特点，其针对的重点是现场管理，主要是为单体工程的施工提供安全可靠的环境，提高施工效率。但在建筑单体设计阶段，相关人员应使模块化设计方法更加规范，设计内容更加细致，并将设计重点具体落实到建筑单体工程项目，最终确保模块化建筑结构的设计质量和水平。在单体工程项目设计中，相关人员要遵循的设计规范与总体的设计要求相差不大。而单体工程的功能特点更加明显，要突出单体工程的功能设计，满足单体工程功能多样化的要求。采用这种设计方法还应满足“一体化、标准化、通用化”等要求。在“一体化”设计方法中，应充分考虑建筑物的整体使用要求和使用者的不同需求，使预制构件本身具有更大的灵活性，一旦使用者的需求发生变化，只要对预制构件的装配形式进行调整，就可以达到其他功能建筑的目的。调整过程对建筑物整体使用寿命无任何影响。另外，将结构设计与工艺设计有机地结合在一起，使结构布局更加合理，构件制造更加灵活方便。

通过“标准化”“模块化”的设计方法，将建筑结构的模块化表现为一种由多个预制构件组成的功能空间，使之符合规范要求。模块化建筑中各个空间单元所属的功能模块也不同，因此模块化建筑也可视为独立的功能模块，模块化建筑标准化所需的预制构件也有统一的标准，以便能够完全量产。这些量产的统一标准的构件在应用中不存在任何差别，从而达到了模块化建筑结构的通用化设计目标，使模块化建筑得到更广泛的应用。这种模块化、标准化、通用化的建筑空间在实际中很常见，例如办公大楼和医院的标准单元间。对模块化建筑立面设计而言，标准化，模块化设计同样适用。模块化建筑在色彩、材质和平面构造上都能保持统一的标准，从而达到建筑整体的统一。在色彩方面，这些模块化建筑内外墙涂料是相同的，相关材质如瓷砖、石材、混凝土等型号、色彩及质地等也有统一的标准。在平面造型方面，为了满足空间立面的需要，相关人员通常采用拼接的方式，这些拼装材料的颜色、材质等可各不相同，但整体风格基本一致。在对体块进行组合设计时，相关设计师应运用体块创造出具有一定风格的造型。

4.BIM技术在装配式混凝土建筑结构设计中的应用研究

(1)设计单位对于BIM技术的核心应用

BIM技术应用在建筑工程项目设计阶段，主要是针对一些不合理的设计问题进行处理，并在施工过程中不断优化管道设计。一般来讲，建筑工程项目展开时，多由一些设计图纸的专业人员进行分工协作，但是这种情况很容易使图纸设计方式产生较大差异，从而影响到施工效果。利用BIM技术，可以减少各种问题，提高工作效率和质量。首先，要把BIM模型和不同专业结合起来，当专业BIM模型没有出现误差时，应对BIM模型进行整理、拼接，形成一个整体的BIM模型，然后再次进行检验。其次，对于BIM模型的构建，当设计中出现一些不合理之处时，将很快发现问题，并加以改进和完善。而CAD绘图技术下，使得这些问题很难被发现，这就会对建筑工程图纸设计产生影响。最后，对经研究无误的模型进行BIM模型的综合设计整理，并将各种较为详细的建筑物组成结构展示出来，为后期现场施工提供可靠依据。可采用CAD技术结合混凝土构件的截面尺寸及对这些构件的具体要求等进行深化处理。但是，在这种传统的加工方法下，绘图效率低、返修率高，这在给施工单位带来巨大成本的同时，也会影响这些材料的质量，无法保证施工质量和效率。通过BIM技术建立各种不同预制构件的三维带钢筋模型，并与图纸设计相结合，将其进行拼装，可以直接发现问题，从而提高解决问题的效率，为建筑工程前期图纸设计提供更准确的依据。

(2)施工方对于BIM技术的应用

建筑企业在BIM中的应用，主要是结合设计阶段的图纸内容，进行施工可行性研究。对设计阶段进行模块化建筑施工可行性展开研究，主要是包括部分吊装施工工作，以及模板方案具体实施内容。吊装作业中，主要构件的吊装顺序显得尤为重要。采用BIM技术时，施工方应研究设计阶段是否对吊装顺序进行了合理的安排，并充分考虑到这些构件的吊装是否给后期施工过程带来影响，尽量做好施工前的充分准备。BIM模型的建立，使建设单位能够模拟吊装，并根据构件的平面布置，合理安排吊装顺序，确保施工安全和施工质量。部分二次结构主要体现在施工图上，以文字描述为主，包括门框的设置、构造柱、过梁等多处结构的位置，建设者必须深化这些结构才能正式开始施工。部分二级结构构造复杂，用传统的CAD图无法更准确地表达。通过BIM软件，可以方便地将二次结构的精确定位转换成数字模型，并对其进行建模，从而更好地保证工程图的设计质量。通过这种方法，在实际施工过程中，便可有效减少更多的误差存在。

(3)建设方对BIM技术的使用

对建设单位而言，BIM技术的应用，主要是对建设项目的精细管理，对各种费用的预算与管理控制。当BIM技术最初被用于模型构建时，经过一系列的改进和完善，其包含了许多信息内容，都能保存在BIM模型构件中，并且能够对每一个BIM详细模型的构建以及变更的信息进行详细、明确的记录。在BIM模式下，施工单位也可以通过虚拟漫游的方式，对各模型的施工细节设计进行更有效的管理和控制。也就是说，对于整个建筑的设计，施工单位可以将自己的施工理念融入到设计之中，使建筑设计更符合建设单位的施工要求，从而更好地管理和控制各施工环节。当最终完善了BIM模型后，便可结合一定比例，对建筑工程所需的具体工程量进行统计和分析，得出所需材料消耗。利用这一技术，施工单位就可以对实际施工中出现的各种成本问题进行有效的管理和控制，从而推动了我国建筑工程业的快速发展。

5.结语

模块化建筑结构设计方法的应用现状并不理想，因为其往往与建筑发展的要求不同步，因而在设计过程中，往往会出现设计缺陷，相关人员应根据这些设计方法，提出改进措施，使设计方法更加有效，以达到设计目标的真正优化。此外，在应用设计方法时，应遵循标准化、模块化、通用化设计原则，使设计结构更加规范，功能更加全面，形式更加多样。