基于BIM技术的装配式建筑设计方法研究

覃 波

（中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 430071）

装配式建筑是我国建筑领域与相关行业的关注与研究重点，相比常规的砖混类建筑，此类建筑具有施工过程中污染程度小、建筑垃圾少、人工作业环节简化等优势[1]。但限制装配式建筑在市场内推广使用的主要原因是此类建筑的设计经验较少，即设计的成果经常在现场装配施工时出现节点碰撞的问题，此种问题不仅对建筑整体设计质量造成影响，还会对工程的后续装配施工造成干预[2]。因此，有必要在现有工作技术的基础上，结合信息化技术，进行装配式建筑结构设计的全面深化。

1 装配式建筑工程概况

以某建筑工程项目为例，设计基于BIM技术建筑设计方案，根据与工程方的交涉与对接，现已知此项目在地区编号HD-05-03-01A地块开发，该项目的预期建设用地面积为52361.23m2，共由地上建筑与地下建筑构成，其中地上建筑包括：排屋建筑、中层建筑、高层建筑、配套设施建筑等，结合项目业主方的要求，其中1#～7#中高层建筑按照装配式建筑形式开发[3]。获取1#～7#中高层建筑设计信息，见表1。

表1 1#～7#中高层建筑设计信息

在此基础上，对建筑工程在设计中的要求进行分析。考虑到此建筑工程项目结构设计周期较长，因此，在设计中需要遵循结构层次性、美观性、环保性以及节约性原则[4]。其中结构层次性设计原则主要体现在建筑工程项目结构的整体层面，即工作人员在设计工程项目结构时，需要综合考虑建筑结构类型，提高对细节的重视程度，保障项目结构的整体建设效果，充分体现项目的结构特点与性能，使工程的实用价值发挥到极致。同时，要以客户或业主的审美需求与功能需求为主要出发点，在建筑结构的调配与控制方面，充分利用建筑结构的内部空间与外部空间，突出建筑空间结构的层次性。

2 基于BIM技术的装配式建筑设计方法

2.1 建立装配式预制构件BIM模型

在设计装配式建筑时，利用BIM软件具备的参数化模型处理能力优势，首先建立一个虚拟的装配式预制构件BIM模型。将模型作为设计环境和条件，开展后续详细的设计研究[5]。将装配式建筑图集作为参考依据，将其相关资料数据导入到BIM模型当中。在BIM当中的所有模型都需要按照统一和合乎逻辑的方式命名，从而方便在构件库当中对所需构件结构进行检索[6]。以上述装配式建筑工程中的预制混凝土外墙板构件为例，其命名可按照图1所示内容完成。

图1中I表示为外墙高窗台；II表示为标志宽度；III表示为楼层高度；IV表示为窗户宽度；V表示为窗户高度。在完成对各个构件结构的命名后，对装配式建筑各个结构进行参数化设计及建模。仍然以上述装配式建筑为例，针对其预制外墙结构，在BIM软件当中确定各个参数/属性数值，如表2所示。

图1 装配式预制构件结构命名示意图

表2 装配式建筑预制外墙结构参数/属性及对应数值定义

在上述数值及定义基础上，按照构架模型——空间模型——楼层模型——完整模型的顺序，完成对整个装配式建筑BIM模型的设计。同时，在BIM模型当中，各个预制构件可以重复利用，在日后针对相似装配式建筑进行设计时，仍可选用符合建筑要求的构件，将其直接导入到新的BIM模型当中。

2.2 确定装配式建筑PC结构

在完成对装配式预制构件整体BIM模型的建立后，为进一步提升设计后得到的建筑适用性，确保设计结果能够在正式投入中具备可行性，在结合业主方提出的建设标准要求下，对装配式建筑PC结构进行细部设计[7]。这一过程主要在Autodesk Revit软件工具当中完成，按照业主方提出的需求条件，针对不同构件的尺寸、形状、材质等进行定义，并且在该软件工具当中完成对装配式建筑内建族、可编辑族、可载入族的建立，并将其作用到不同的位置结构上。在这过程中，通过移动终端设备，对装配式建筑结构存储信息进行调整，实现对建筑空间的重复使用[8]。除此之外，将PC技术应用到设计终端软件当中，以此使不同空间相互之间具备更好的匹配度优势，使最终设计成果能够在PC终端显示。

2.3 建立装配式建筑构件族

根据上述论述内容，在完成对装配式建筑PC结构的设计后，还需要完成对装配式建筑构件族的建立。装配式建筑构件族基本架构如图2所示。

图2 装配式建筑构件族基本架构示意图

在终端上，每个构件族文件都是独立的，这就确保了编辑内容能够实现重复利用。将REX可伸缩编辑器安装到设计终端，使用Revit工具提取建筑构件，根据计算公式确定具体的结构尺寸，将其放到PC机上，以验证其与预制装配式建筑的设计需求是否相符。

在检测到详细结构后，将模板插入到对应的家族档案中，使其规范化，以rft格式显示在终端上，并建立模组的数字模型，这样就可以在PC终端上整合一个模块。将此文件保存成rfa格式，并在后期的设计中使用抽取或调用文件对其进行修改，使其符合建筑的具体需求。

2.4 基于BIM技术的装配式建筑模拟施工

在完成对装配式建筑构件族的建立后，再应用BIM技术，基于其对建筑外观及结构以三维方式呈现的优势，对装配式建筑进行模拟施工，以此初步验证设计方案的可行性，同时也能够在这一过程中找出设计方案存在的不足。应用Revit软件建立了工程结构模型，应用BIM技术进行工程模拟。对项目的细节进行合理的设计，着重解决施工中的难点，强化项目施工的精细化管理，对施工数据进行有效的协调，避免出现问题。BIM技术在施工中的运用，可以有效地解决工程中的技术问题，从宏观上调整施工方向，加快施工速度，强化各个环节的协调，根据模拟结果，对施工场地进行优化管理，保证工程的实际施工质量。同时，通过上述基于BIM技术的装配式建筑模拟施工，能极大程度上减少深化设计的误差，并为设计的各个阶段提供信息共享功能。

3 设计效果分析

遵循相关原则，结合本文提出的方法，对该建筑项目进行整体设计，设计过程中，将与此项目相关的参数与构件信息录入建筑结构信息模型中，通过对建筑CAD图纸的导入及其与建筑信息模型的适配，构建一个针对此建筑的初步装配式结构模型。

根据初步结构模型，进行装配式建筑的模数化设计、重复单元的校准、建筑中不同结构参数的调整与空间布局的设计等。在此基础上，设计建筑门窗表、单元面积统计表、墙体工程量统计表，将数据填充到表格中，生成基于BIM的模型清单列表。

使用BIM可视化界面中的3D渲染工具，布置针对此建筑的鸟瞰图、人视图、室内图，通过此种方式，实现对建筑整体设计内容的渲染与优化。为确保建筑结构的可靠性，将建筑模型与结构模型进行集成，将其录入标准模型中，生成BIMC超级建筑模型。至此完成对此建筑项目的设计。

以6#建筑为例，对设计后建筑结构不同层中的管线碰撞作为测试指标，对设计成果进行评估。碰撞统计结果如表3所示。

表3 6#建筑不同层碰撞次数

由表3可知，设计的装配式图纸只有在14层发生了一次碰撞，其他结构层均未发生节点碰撞问题。对14层建筑管线进行综合调整，调整后按照上述方式，进行建筑结构的二次检查，检查后各个层数之间的节点碰撞数量为0。

在此基础上，随机1#～7#建筑中结构层，按照下述计算公式，进行结构层抗压承载力的计算。

式中N-代表结构层抗压承载力；f-代表结构层抗压承载设计值，B-代表建筑核心结构；s-代表核心结构受压面积。

按照上述方式，计算1#～7#建筑中结构层的抗压承载力，统计结果见表4。

表4 1#～7#建筑中结构层的抗压承载力统计结果

根据上述实验结果可知，设计的结构层抗压承载力符合要求，说明本文提出的建筑设计方法可行。

4 结语

本次研究根据建筑行业的发展趋势与未来发展要求，提出一种全新的建筑设计方法，此次设计的成果不仅可以为装配式建筑在市场内的推广提供进一步的指导，还可以助力产业链的完善与优化。在后续的工作中，将持续加大对装配式建筑在设计中的投入，根据产业发展需求，拓宽装配式建筑的认证内容，深化建筑行业在市场内的发展，通过对建筑的精细化设计与管理，保证建筑质量的提升，实现建筑施工的低碳化。