浅谈BIM技术在装配式混凝土结构设计中的应用

宋紫微

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

随着当今社会科学技术的进步，人们对经济、环保理念的追求，传统的建筑行业设计和建造理念已难以适应时代的发展，建筑工业化、信息化成为行业发展新方向。为实现行业建造模式的变革、发展建筑工业化，2016年9月国家发布了《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》，自此装配式建筑的比例不断提高。在行业工业化、信息化发展的背景之下，传统的装配式结构设计模式面临着极大的挑战。BIM技术是同一时期建筑行业在信息化发展上的另一个成果，凭借其可视化、协调性和可出图性等优点，近年来常被应用于装配式结构的设计中。在这样的背景下，本文对于BIM技术在装配式混凝土结构设计中的应用进行了分析。

1 BIM技术与装配式混凝土结构设计

1.1 BIM技术与BIM软件

BIM（Building Information Modeling,建筑信息模型），是以建筑工程项目从规划、设计、施工到运营乃至拆除的全生命周期的各类信息数据为基础建立的三维信息模型，这一概念最早由美国的Chuck Eastman博士提出[1]。由于BIM模型集成了关于项目的各类信息，且拥有在项目各参与方之间共享的特质，使得BIM技术能够支持项目的信息数据模拟、协同工作等。除此之外，BIM还有可视化、优化性和可出图性的特点。

BIM的协调性依托于BIM软件的应用。在一个工程项目的全生命周期中涉及了如设计、施工、和运营维护等众多专业，为达到使各项目参与方协同工作的需求，往往需要使用BIM核心建模软件和基于BIM模型的各专业分析软件。其中，在结构设计中常用到的这两类分析软件如表1所示[1]。

表1 BIM软件

1.2 装配式混凝土结构设计

我国的装配式结构分为以下3类：装配式钢结构、装配式木结构和装配式混凝土结构[2]。其中，装配式混凝土结构是指部分或全部构件在预制构件厂商生产加工，然后运输到施工现场，再在施工现场进行装配、连接并进行部分现浇而建成的建筑结构。装配式混凝土结构具有节能、环保、可持续、高效化、产业化、构件质量好等优点，但同时也有结构整体性较差和设计难度大的缺点。装配式结构工业化的特点和先生产构件后装配安装的作业流程决定了装配式混凝土结构设计不同于传统的现浇式混凝土结构设计，它有着不同的设计流程和更高的精度要求。我国传统的装配式结构设计方法是将工程项目等效为现浇结构进行结构选型、整体计算分析和构件设计，然后再进行预制构件拆分、构件归并、构件连接节点设计和构件深化设计[2]。

1.3 应用BIM技术进行装配式混凝土结构设计的优势

BIM技术的应用可以提升装配式混凝土结构的设计效率、减少设计出错率和减少重复工作。对于装配式混凝土建筑，一个传统的结构设计流程如下：结构设计人员基于其对建筑方案的二维图纸的理解，凭借空间想象能力还原图纸所表达的三维结构并对其进行一定程度的精简，从而建立适合于结构分析的模型进行计算、设计与拆分，最后再结合建筑二维图纸与结构三维计算模型绘制出结构施工图。在传统的装配式建筑设计中，相似的二维与三维之间的转换流程往往会多次在同一专业的设计、不同专业的配合中发生，这样烦琐的转换往往会造成信息的错漏和大量的重复工作。而在运用BIM技术的装配式设计中，各参与方都使用统一的BIM平台搭建模型，各专业的模型数据均可以实现双向传导，从而达到减少模型信息错漏和重复工作的作用。

传统装配式建筑结构设计所面临的另一大挑战来自于预制构件的深化设计。装配式建筑不同于现浇式建筑结构，结构中的构件需要先在预制构件厂中生产加工，再运输到施工现场才进行拼装，因而预制构件的设计精度将在很大程度上决定施工现场安装的顺利程度。相较传统二维图纸展现的设计成果，引入了BIM的三维设计更为直观，更加能够精确地指导施工。BIM技术凭借其自身可视化、可协同工作和可进行施工模拟的特点，能够让装配式混凝土结构预制构件的设计更为精确，设计过程更为方便、快捷，设计成果更具可实施性[3]。

2 BIM技术在装配式混凝土结构设计中的应用及实例分析

2.1 设计流程

由于应用了三维可视化技术，基于BIM的装配式结构设计流程会与传统的有一定差别。通常这样的流程会从制定公司内部或是项目内部标准开始，确定项目各参与方选用的BIM平台，并在此基础上选择相应的结构专业设计软件，从而保证将来不同专业的设计软件进行模型信息互导时的可操作性和精确性，确保协同工作的顺利进行。然后根据项目对装配率的需求得到一个初步的构件划分，即选择哪几类构件作为预制构件。同预制构件厂商配合，了解预制构件厂商所能提供的构件类型及尺寸，并在此基础上根据项目概况和过往相似的工程经验，建立初步的构件族库，方便后期设计建模。在设计时直接根据需求选择族库中的截面进行建模，然后再对结构进行计算分析与复核，若有构件不满足设计需求则重新定义并设计新的构件并纳入构件族库。不断调整、分析、复核，直到确定结构设计方案，最后进行碰撞检查和对构件模型的调整优化，即构件的深化设计。图1为钢筋桁架混凝土叠合板。

图1 钢筋桁架混凝土叠合板

2.2 工程实例

广东省某公建项目，建筑总面积1.1万m2，为一栋十二层建筑，采用现浇框架（预制叠合板）-剪力墙结构体系。抗震设防基本烈度为Ⅶ度，设计基准期为50年。根据项目内部制定的BIM实施计划，本项目选择在施工图设计阶段应用BIM技术对其装配式混凝土结构设计进行深化与优化，选择Revit作为项目BIM核心建模软件，PKPM作为结构专业分析设计软件。在使用结构分析软件进行初步建模计算后，根据项目50%的装配率要求，结构构件中选择钢筋桁架混凝土叠合板及预制梯段两类构件作为预制构件。结合过往工程经验与本项目实际情况，对标准层楼板进行了设计和拆分（图2），并建立了相应的构件族库。同时，还利用了建成的全楼三维BIM模型对项目楼层平面布置，楼层高度进行了检查和专业间协调。

图2 预制构件拆分BIM模型布置

2.2.1 装配式混凝土结构构件连接节点设计

装配式混凝土结构构件连接节点设计通常包括预制构件与现浇构件的连接、预制构件与预制构件的连接两类。由于节点连接的可靠程度会直接影响装配式混凝土结构的安全可靠性，连接节点需要严格遵守相关规范，这通常会导致其节点构造较为复杂，更容易面临构件之间钢筋碰撞的问题，意味着对设计精度的要求更高。而在传统的二维设计表达中，水平和竖向构件图纸相互独立，节点区域的钢筋排布密集，导致了在实际施工中常常会遇到构件间或构件与模板的碰撞。本项目中应用BIM的三维可视化技术对预制梯段的支座连接节点、有高差的叠合板连接节点进行了设计和优化，大大简化了过去烦琐的工作[4]。图3为预制梯段设计，图4为预制梯段连接节点设计。

图3 预制梯段设计

图4 预制梯段连接节点设计（单位：mm）

2.2.2 构件钢筋深化设计与预埋件深化设计

在装配式混凝土结构设计中可以运用三维BIM软件创建预制构件的模型，输入符合实际设计需求的钢筋种类、长度、锚固形式和锚固长度，按照设计间距摆列布置，从而更为直观地展示构件中的所有钢筋以及钢筋相互之间的空间关系。在此基础之上，还能够通过BIM平台自带的碰撞检查功能，自动完成对模型中钢筋排布的检查并罗列出所有发生碰撞的位置。本项目对梁板钢筋进行了建模，并使用软件的碰撞检查功能对钢筋排布进行了避让与优化（图5）。

图5 钢筋碰撞检查

在传统装配式结构的预制构件设计中另一个工作复杂且容易出错的环节是预埋件的预留设计，通常包括管道孔洞和预埋件的预留，由于涉及专业多、对精度要求高，往往设计效率不高。利用BIM三维建模软件，如PKPM-BIM，可以将机电专业提供的管线模型合并整理至结构模型中，然后使用软件的一键开洞功能，得到预留孔洞精确的位置信息和孔径，相较于传统的在二维图纸上进行比较核对，效率得到了极大的提升。除孔洞本身外，预制构件开洞还会影响到洞口周围的钢筋布置，借助三维建模来更直观地展示孔洞与钢筋之间的空间关系，精确地表达避让钢筋或是洞口周围的加强钢筋，避免现场施工时产生碰撞问题[5]。相较现浇式结构，装配式结构中预制构件先生产后安装的特点决定了各类预埋件的设计和定位需要拥有高精确度。借助与预留孔洞相似的BIM模型互导的设计流程，还可以完成如预埋线盒、预埋斜撑套筒、预埋吊环等预埋件的布置，保证生产出来的构件能够顺利安装。

3 结语

综上所述，在装配式混凝土结构设计中应用BIM技术可以缩短设计周期，促进各专业间的协作，保证设计精度，保证构件的可施工性等优势。而国内目前相关的应用仍然不是十分普及，需要更多的能熟练掌握BIM技术的人才，也需要更强大的国内BIM平台软件为设计工作提供支持。