基于BIM 技术的装配式住宅设计策略研究

王祥翔

（华东建筑设计研究院安徽分公司）

将BIM 技术应用到装配式建筑项目中，可以为施工人员提供更便捷的施工条件。BIM 技术在装配式规划阶段、建筑设计阶段、构件生产阶段、施工阶段和运营阶段的有效应用，从整体上改善了不同施工环节存在的问题，提升了项目的整体施工质量，创造了更有利的发展空间。

一、相关概念简介

1.技术简介

BIM 技术是以建设项目的各种信息数据为模型库，构建建筑模型的信息技术，是通过数字信息模拟建筑实际信息的科学技术。BIM 技术是一种综合技术，包含了计算机仿真技术、虚拟仿真技术、3D 可视化技术等许多先进技术。BIM 技术的主要优点是信息的完整性、一致性、相关性、模拟、可视化、协调、优化和绘图。在建筑设计、施工或项目管理中，BIM 技术是一个非常重要的应用领域。

2.预制装配式混凝土结构建筑简介

装配式混凝土结构建筑是装配式建筑的主要类型，又称PC 建筑。装配式建筑是指将施工所需的各种构件在工厂组装好，运到施工现场进行组装施工的建筑。可以将装配式建筑的各种结构部件与设备部件进行比较，建造过程类似于设备的生产过程。首先，零件在工厂生产，然后将零件组合起来制造设备。装配式混凝土结构的主要预制件是混凝土结构件，在工厂进行预处理和制造，然后运到施工现场进行现场组装，无需现场浇筑混凝土。

二、BIM 技术在装配式建筑结构设计中应用的优势

1.提升设计效率

借助BIM 技术，行业设计师可以加速装配式建筑设计工作，从以往的二维设计向虚拟三维设计转变。该技术显示了建筑的墙体信息和屋顶结构的细节，更容易展示设计者的想法和要求，对后续建设项目的改进和整体发展有明显的影响。BIM 设计软件包括Sketchup、Rhinoceros 等，在实际工作中经常使用，需要设计师根据设计要求和现场实际情况来选择软件。原则是充分表明建筑特征和由此产生的应用效果，减少后续施工过程中设计变更的可能性。一种常见的设计实践是使用BIM 技术设计一个三维建筑模型，并代表建筑物的所有空调和电气系统。在实施装配式建筑设计过程中，工作人员必须严格按照设计要求，充分满足相关要求，同时借助BIM 技术提高设计效率。

2.减少误差

在引入BIM 技术之前，建筑行业的工程设计工作通常使用较为传统的工作方法，这种设计方法的错误是不可避免的。建筑项目借助可视化模型，使设计人员可以更直观地了解设计结果，并与最终的建筑效果进行对比分析，在正式施工开始前提前发现并解决设计问题。这种工作方式可以对成本控制起到有益的作用，降低审图人员的工作压力，可以避免大部分人为因素造成的审图问题，即使发现问题也可以及时修改。

3.协同作业

BIM 技术的影响使工程师更容易共享建筑设计信息，由BIM 技术创造的信息和数据是开放和共享的。如果技术人员可以使用该技术建立信息共享平台并上传他们设计的建筑模型，他们可以在设计过程中修改建筑模型以优化项目。所有参与设计的人员都可以同时获得建设项目的3D 规划信息，互动渠道也比较畅通，要深化设计，只需在同一渠道规划建筑模型即可。同一个平台内容可以支持设计人员负责不同的设计内容，可以轻松实现分工协作，按照统一标准进行设计，达到提高设计精度的目的。

4.BIM 技术有利于节约资源和保护生态环境。

装配式建筑结构体系主要包括装配式混凝土结构、钢结构和木结构，其中装配式混凝土结构体系还包括外墙板结构、装配式框架结构、装配式剪力墙结构和装配式框架剪力墙混合结构体系。现有施工方式的许多现场工作转移到工厂，零件在工厂加工制造并运输到施工现场，通过稳定的连接方式在现场组装和安装施工零件，实现建筑住宅产业化，构建绿色、环保、低碳、节能建筑。BIM 技术在装配式房屋设计中将越来越突出，主要是履行保护生态环境的生态功能。上述生态环境问题将成为近年来BIM 技术在装配式房屋设计中的主要内容和重要性。

三、预制装配式住宅中BIM 技术作用

1.虚拟建筑的创建

BIM 技术在装配式房屋中的有效应用首先，为了构建BIN 建筑模型，市场上有很多针对BIM 技术的软件，所以在构建虚拟模型时，需要为BIM 建筑模型创建和选择软件。因此，在构建模型时，需要对相关参数进行综合分析，利用科技手段和对参数进行有效处理，最终顺利进行参数化施工，提高BIM 构建质量。BIM 中的建筑模型测试还可以模拟建筑施工过程，即通过建筑模型定义施工方法，模拟施工过程，及时发现和预防实际施工中的隐患。也就是说，BIM 技术的成功引入，可以避免施工过程中出现的问题，不影响施工进度。

2.解决建筑设计问题

在设计预制房屋时，为了使图纸更有效，设计师需要多层绘制。首先需要绘制一个平面图形，然后绘制一个三维图。这不仅会浪费大量的精力和时间，还会影响设计的质量。因此，通过应用BIM 技术，可以解决建筑设计中存在的问题，在提高设计师工作量、专注于设计的同时，最大限度地提高设计质量。由于BIM 技术具有重要的可视化功能，这样设计人员可以更直观地了解施工项目，并根据实际需要精确调整施工图的位置和角度，使最终形成的图纸更加准确和可靠。

四、BIM 技术在装配式建筑深化设计中的现状问题

与传统模式相比，装配式建筑具有更多的装配式构件生产流程，因此需要更精细、更高效率、更好的协同效应和更低的深度设计错误率。通过BIM 技术的融合与发展，装配式建筑的深度设计进一步提高了工作效率。但是，实际项目也存在问题。1.在详细设计中，BIM 必须沟通、协调、获取大量信息，耦合度高。这些信息主要来自业主、设计机构、制造商和施工单位，BIM 技术将这些信息带入3D 模型中，用于碰撞检测、进度模拟和协同优化。数据和信息的导入需要统一的流程和原则，否则在深度设计中，每个参与者都会不断地携带自己的专业数据，从而混淆信息，影响运行的顺利进行。2.目前国内主流的BIM 软件是国外软件Autodesk 的Revit，经过国内软件开发公司的多次工程实践和努力，Revit 也在不断的适应更适合，使用中文本地化。目前Revit 在建模方面比较成熟，但在图纸方面与国家标准仍有一定差距，缺乏相关族库和模板文件，软件基础数据无法根据中文进行调整。3.装配式建筑的装配式构件数量应在详细设计之初进行分类，减少重复工作。当各方都深入参与到项目中时，预制构件可以在单一设计的基础上创造出更多形状相似但尺寸不同的产品，使用BIM 技术手动建模和绘制这些构件会导致许多迭代和机械的工作。4.BIM 技术搭建模型平台后，信息和数据必须基于模型进行传递和整合，以促进深度设计中各领域的协同工作。但是，目前主流的BIM 设计软件在信息交流方面还存在一些问题。单个模型的信息传递和整合效率高，其他模型的信息无法有效沟通。尤其是装配式建筑，需要在总装模型中链接组装多个预制构件模型，而BIM 技术不擅长提取这种装配链接信息。

五、基于BIM 技术下的装配式建筑设计

1.BIM 与标准化设计

（1）标准化BIM 构件库的建立

预制结构的一个共同特点是标准化的预制零件或组件在工厂制造，然后运到施工现场进行全面组装。预制房屋的设计必须根据其特点量身定制。在装配式建筑的BIM 应用中，需要模拟工厂加工方式，以“装配式构件模型”的形式进行系统集成和表示。这需要为预制建筑构建一个BIM 组件库。总体而言，BIM 构件库是以大数据为核心，利用虚拟运算和先进科学技术构建预制建筑BIM 构件库。BIM 虚拟组件的数量、类型和规格可以继续增长，标准预制组件库可以逐步构建。

（2）可视化设计

与使用BIM 的传统建筑类似，装配式建筑的BIM 应用程序通过视觉设计促进人机友好协作和更复杂的设计。可视化设计将实现模型与设计的实际结果进行比较，有效避免因设计错误或检测错误而造成的损失。可视化设计将设计结果提前以模型的形式展示出来，便于低成本检测和修正设计方案。

（3）BIM 构件拆分设计

为满足BIM 技术“多组合、少规格”的要求，实现对预制构件类型的有效控制，必须按照工厂的设计和生产要求对构件进行严格划分，有效完成工厂的生产。为了在装配式房屋施工现场进行组装，需要说明BIM 零件划分设计的原理，同时在施工图的BIM 模型中直接建立深层模型，对整个施工过程进行划分。通过制作预制构件并根据需要直接加工，完成预制构件的有效施工和预制构件的加固设计。借助BIM 技术模型建立隔断设计，提供构件之间的视觉连接关系，有效改进隔断设计，有效减少外观设计的盲点和2D 图纸设计过程中的错误。同时，该模型可以防止数据丢失，从而保证设计数据的高效传输。

（4）BIM 协同设计

BIM 模型采用三维信息模型作为集成平台，适用于各行业技能水平的协同工作。BIM 模型还包括建筑的材料信息、工艺设备信息和成本信息。

2.完善BIM 建筑数据库，整合施工流程

BIM 技术广泛应用于建筑领域，在装配式建筑设计的应用中，首先要建立完整的数据库，为后续的建筑设计和施工提供参考。数据库建设要注重装配式施工过程的整合，在BIM 平台中增加装配件、电气设备和施工设备。由于数据库信息的复杂性，BIM 系统必须按照不同的程序和类别，将每个设计环节作为统一的标准记录表进行管理。同时，施工过程的整合必须利用BIM 技术的分层模块化特性，将通过三维处理方法设计的平面施工方案转化为三维动态模型，方便设计人员及时发现问题并尽快解决。

3.基于BIM 数据链接技术的装配式建筑设计

装配式建筑的整个生命周期包括生产、设计和施工等多个阶段。BIM 技术允许将一个建筑项目中的许多施工环节视为分层。比如专门从事建筑结构、水暖工程等部分，整合和共享这些环节的信息和数据，在3D 和4D 的设计理念下，展示各个环节的施工方案，员工可以清晰直观的对施工设计方案进行分析。由于这种方法不同于传统的二维设计，可以进一步提高施工方案的设计质量，提高工作效率。通过基于BIM 技术构建组成资源库，整合建设项目的所有信息，包括设计、生产、材料运输、装配和施工规划管理，这种管理方式可以有效避免信息传递中的错误，降低数据信息丢失或数据信息不匹配错误的风险。

4.BIM 三维模型的构建

在确定了装配式混凝土房屋的设计方向后，需要根据施工单位提供的各种数据，利用BIM 技术构建3D 模型。在搭建3D 模型的时候可以使用refit 和tela 软件，这些都是比较成熟的BIM3D 模型建模软件，CAD 等软件可以快速搭建预制混凝土房屋的3D 模型。根据获得的预制混凝土房屋建筑数据，设计师使用refitArehiteciu 和refitMEP 初步搭建了预制混凝土房屋的整个建筑结构，以及水管、电气设备、HVAC 设备等的模型。可根据搭建单位提供的数据进行建模，保证搭建的3D 模型的可靠性。为了快速完成建模，设计师必须充分利用模型网站，选择可用的模型材料，并对其进行简单的加工和修改，以提高建模效率。建模完成后，可以使用telaSixuctures 将现有模型转换为BIM 可识别的IFC 格式，最终构建BIM3D 模型。装配式混凝土房屋的BIM 三维模型形成后，即可进行图纸审查和碰撞试验。

5.碰撞试验

BIM 技术为预制混凝土房屋的设计提供4D 测试和5D测试，模拟预制混凝土房屋的整个过程，包括设计、施工和竣工阶段。尤其是装配式混凝土在建筑材料的生产、性能测试和消耗中发挥着重要作用，而基于BIM 技术的碰撞试验的目的是设计出预期的设计目标来检验装配式混凝土房屋的施工质量。改进的碰撞测试，如BIM 技术，可以通过预制混凝土房屋的Architectural Layout 节点进行，各种测试数据可以输入到tela、Sixuctures 中，可以启动碰撞测试。根据碰撞试验结果，可以详细了解装配式混凝土建筑各节点的试验信息，通过对试验信息的分析，检验预期的设计目标。BIM 技术可以有效地发现和修改建筑结构节点，在创建图纸之前减少修改图纸的工作量。

6.预制构件详图设计

生产预制构件前，厂家需要对设计图纸进行二次深度设计，抽样可以确认钢模尺寸误差小，预埋件连接位置更准确。传统的详细设计通常采用二维图纸，而装配式结构的详细图纸可以通过BIM 技术转化为三维模型。框架的二维尺寸可以变得更加清晰，组件在复杂空间中的位置关系变得更加清晰。在这个过程中应用BIM 技术的巨大优势在于可以在后期修改设计，当通过BIM 技术修改预制件模型时，蓝图会自动更新，提高设计效率和准确性。

7.建立和优化结构模型

在完成一个相对完整的预制混凝土结构构件库后，就应该开始正式的预制预制混凝土结构的设计。具体的设计过程需要充分利用构件库，根据实际设计要求从构件库中选择合适且具有成本效益的预制混凝土结构构件，并使用选定的构件对预制混凝土进行数字模拟，建立总体规划和相应的结构模型。如果在构件库中找不到更合适的预制混凝土结构构件，则必须根据实际设计要求重新设计特殊构件，并及时将新设计的构件添加到构件库中。此外，为保证结构设计方法的安全性和可靠性，在将BIM 技术应用于装配式混凝土结构设计时，需要对已建立的结构模型进行综合分析，充分利用该技术的可视化功能，不断调整和优化结构模型。如果在结构模型的分析过程中，选择的组件不合适，则必须重新发现、选择或设计组件，直到适合预制混凝土结构项目。

六、结束语

综上所述，装配式建筑在节能、环保、成本控制等方面优势明显，即从平面、结构节点等关键环节的设计入手，进行优化，为提高施工质量提供有效保障。采用BIM 技术后，由于该技术在信息化、可视化方面的优势，可在装配式建筑设计中实施，可全面提高设计工作实施效率，减少低效成本投入，并最终促进工程准备、建设和后续维护等相关环节正在逐渐向一体化转变。