基于BIM技术的装配式建筑结构设计与探究

杨连杰 夏吉勇 刘 辉 何奇强

（中建七局第四建筑有限公司，陕西 西安 710016）

利用BIM技术的可建模特点，对装配式建筑结构的整体设计过程进行优化与仿真，不仅可以提高建筑结构节点的可视化，同时也可以保证结构整体设计的合理性与科学性[1]。而建筑结构设计又是一项难度较大、工程量较多的工作，仅通过平面设计图的方式，是难以得到预期设计效果的[2]。因此，本文研究将在BIM技术的支撑下，提出一种全新的结构设计方法，实现设计过程的可视化，提高设计水平与效率。

1 基于BIM技术的装配式建筑结构设计

为了进一步完善装配式建筑结构设计环节，引入BIM技术，并提出如图1所示的设计基本流程。根据图1所示的流程，分别对其进行详细的设计说明。

图1 基于BIM技术的结构设计基本流程图

1.1 装配式建筑结构方案设计

首先，在装配式建筑结构方案的设计阶段，应当由设计部门与业主共同完成对同一装配式建筑方案的可行性评价，并确定具体项目的结构设计需要，初步确定建筑设计内容及结构设计内容[3]。结合BIM技术，对装配式建筑结构方案设计模型进行构建，同时该模型也将为后续各项工作的开展提供重要的依据和指导性的文件资源。在对结构方案进行设计时，应当结合具体装配式建筑建设项目所在区域及周围环境，查看周围交通是否便利，建设区域内是否具备完备的基础设施，电力设施是否齐全等，确保初步设计的方案能够符合现场建设条件。在确定装配式建筑结构方案中的平面布局时，需要结合其功能进行综合设计。要求各平面布置遵循布局规整、柱网合理的原则，在整体布置上应当充分考虑功能空间的实用性以及便利性[4]。对于存在交通流线的建筑，还应当确保这一结构的合理布置，以此解决出入口以及人流疏散路线的顺畅。除此之外，在对其建筑结构方案设计时，还应遵循节能减排原则，确保建筑在设计、施工以及后期使用中符合绿色建设要求。

1.2 建立预制构件库

在BIM模型当中，建筑整体结构构件和构件的生产既需要以预制构件库作为依托，同时对于预制构件库的建立也是设计阶段重要的工作环节之一[5]。在这一阶段，设计人员应当结合具体装配式建筑的功能以及外观需要，创建具有针对性的预制构件库。在后期设计模型初步建立时，设计人员可以根据具体需要从预制构件库中选择所需的构件。同时，若在实际应用中预制构件库中没有符合要求的结构构件，也可以随时对构件库进行补充。图2为预制构件库建立的基本步骤。

图2 预制构件库建立的基本步骤

为实现对构件库中各个构件结构的规范化管理，对结构件编码格式进行规范处理，以叠合板构件为例，其基本格式为“DBSX-XXXX-XX-XX”其中，“DBSX”为叠合板双向板DBS1为边板；DBS2为中；“XXXX”为标志跨度和宽度；第一个“XX”为底板厚度和现浇板厚度；第二个“XX”为钢筋区别标志。在具体应用预制构件库时，其具备的功能如图3所示。

图3 预制构件库功能总体设计示意图

在实际应用中，对于初步上传的结构构件，若没有得到检索结果，则自动将该构件划分到待检区域当中，根据不同的分类将设计人员上传的构件分配到入库界面当中，并对其进行统一审核，确保各个构件能够在BIM模型当中正确展示。

1.3 基于BIM技术的结构模型建立

在引入BIM技术对结构模型进行建立时，设计人员需要在上述初步设计方案的基础上，通过对预制构件库当中的构件进行合理选择，创建符合具体项目的装配式建筑BIM模型。在模型建立的过程中，采用碰撞检查的方式对模型进行进一步优化。在优化阶段，可结合冲突检查、三维管线综合检查以及净高检查等方式，找出初步设计方案当中存在的问题，并利用协同作业的方式实现对BIM模型结构的优化。将构建的BIM模型应用到PKPM软件当中，并利用该软件自动完成碰撞点检查，由设计人员对各个碰撞点信息进行逐一排查。

为实现对BIM模型结构优化，针对各个碰撞点，通过改变预设参数的方式解决碰撞。例如，若梁钢筋结构存在水平方向和竖直方向上的碰撞，则可通过竖向避让的方式解决；若梁柱节点存在碰撞问题，则在梁装配单元参数修正中通过纵筋弯折避让，使钢筋结构在水平方向上产生弯折，解决其碰撞问题；若梁结构与连接点位置上存在碰撞，则可通过修正钢筋连接方式的方法实现对碰撞的避让。在完成对各个碰撞节点的避让处理后，需要将优化后的BIM模型再次输入到PKPM软件当中完成对其碰撞点的检测，判断原有问题是否解决，同时对新的BIM模型中是否产生新的碰撞点进行分析和判断，确保最终生成的BIM模型在具体应用到装配式建筑施工中不会出现碰撞问题。与传统建筑结构设计相比，通过对结构模型的模拟和对其碰撞点的预测，能够有效避免施工中出现由于存在碰撞点而返工的情况，大大提升施工效率，确保在规定的施工进度中完成相应工作任务。

1.4 构件深化设计

在完成对结构模型的建立后，针对各个构件结构进行深化设计，这一阶段除了在模型的支撑下完成，还需要构件的生产方、施工方与设计方强化相互之间的交流，并合作完成对最终构件加工图纸的设计。由施工单位对装配式建筑施工现场各个固定和临时设施的安装孔、吊钩等预埋预留要求进行明确，并确保设计方充分知晓。对于构件的生产方而言，对自身构件加工时需要向设计单位提出相应的技术要求。在完成对各个结构构件的深化设计后，由各个专业结合自身需要对模型进行最终审核，以此形成可供构件生产和为后续施工提供重要依据的设计模型。

2 对比分析

为检验所设计方法的可行性，以某地区政府投资的建筑项目作为实例，设计如下的对比实验。

根据工程施工方提供的信息，对此建筑项目概况信息进行针对性获取，具体内容见表1。

表1 建筑项目概况信息

在对此建筑项目的深入研究时发现，该建筑项目住宅楼层数较多，如果按照常规的施工方法，采用混凝土现浇的方式进行此建筑项目的施工，会增加工程的支出成本，甚至会在一定程度上对设计阶段工期造成拖延，因此，通过与工程施工方综合商讨后，决定在设计阶段，对此建筑的横向构件采用预制装配式结构进行设计，通过此种方式，降低工程造价。同时，在设计中，将建筑结构中的叠合板与剪力墙，采用后浇带的方式浇筑成一个整体，发挥叠合板整体性能，保证设计成果在实际应用中具有较好的稳定性。

按照上文中提出的内容，将与此工程项目相关的信息导入Revit建筑结构模型中，将模型内置在YJK软件中，滑动设计界面窗口，设置主体建筑结构的恒荷载与活荷载，并根据设计中项目的质量要求，设置建筑结构参数与指标。同时，使用YJK软件，对设计的建筑上部结构进行弹性时程分析，掌握建筑中不同层数在振动情况下可能产生的位移与曲变角度。

完成对装配式建筑项目主体结构的性能分析后，进行整体结构方案的设计。并根据不同结构位置在设计中的构件需求，建立构件库，深化设计位置的构件建立优化的BIM建筑结构空间模型。

将建筑结构在设计出图后的三维碰撞作为对比指标。明确对比指标后，对设计的建筑结构进行三维检查，将所设计的成果与相关信息导入GS-Revit工具中，对成果进行可视化检验。检验时，在结构碰撞检查区域内的对话框中输入检测内容，移动鼠标，选定建筑结构中的碰撞检查区域。在检测终端设定检测结果的表现形式，当钢筋、管线线路与主体结构存在碰撞时，圈定的区域将存在“红色”标记点，当圈定的区域内不存在碰撞问题时，或圈定区域中部分结构通过碰撞测试时，区域内所有的三维构件、线路与钢筋节点将呈现“绿色”标记点。

使用传统的设计方法进行此建筑结构的整体设计，按照上文所述的相同步骤，对设计成果进行碰撞检测。

在本文方法与传统方法的设计成果中随机圈定碰撞检测区域，统计不同区域内的“红色”标记点与“绿色”标记点。统计结果见表2。

表2 装配式建筑结构设计成果碰撞测试结果

通过上述实验结果可知，本文设计的装配式建筑结构，在进行结构碰撞点个数的测试时，仅有一个区域存在碰撞点，碰撞点个数为1。而传统方法设计的装配式建筑结构，在进行结构碰撞点个数的测试时，几乎每个区域中都存在若干个碰撞点。

针对本文方法设计成果中的碰撞点，可以直接在设计的三维建筑空间模型中进行碰撞点的手动调整，确保调整后标记点为“绿色”，即可完成对本文方法设计成果的优化。而传统方法设计的建筑结构由于碰撞点数量较多，因此需要设计人员重新进行图纸的返工设计。

综上所述得到实验结果：使用本文方法进行装配式建筑结构的设计，无论是设计成果的可行性，或是设计建筑结构的质量，都优于传统方法。

3 结语

通过本文此次的研究，掌握了BIM技术在建筑结构设计中的可行性，也避免了设计人员在设计阶段中进行大量的重复性工作。因此，可以在未来的建筑设计领域研究中，将BIM技术作为主要技术，从而提高建筑工程项目在设计中的效率与水平。在后续的研究中，还将进一步深化对BIM技术的应用，探索并挖掘技术在工程不同领域内应用的可行性与规范化应用方式。