基于BIM 的装配式建筑深化设计与应用分析

吴京戎，陈 菁

（1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068；2.湖北工业大学工程技术学院，武汉 430068）

随着建筑市场的日益完善、人力市场的调整，装配式建筑与传统建筑模式的区别日趋增大，其设计方面的因素不仅包括工地，还涉及到工厂化设计。正是这许多相关因素的存在，使得如何有效解决在装配式建筑设计流程中工作效率低等问题成为研究的一个重点。

近年来，许多专家学者进行了大量研究，如段羽等[1]在装配式建筑中挖掘BIM 技术的应用价值，归纳了不同专业与不同建造过程的BIM 协同设计在装配式建筑中的应用流程，从本质上分析了装配式建筑“设计—加工—装配”过程的BIM 协同应用问题及对策；吴金虎等[2]从设计、生产、施工及建设四大工程建设主体单位的角度展开论述，从装配整体式混凝土在建筑设计阶段所产生的BIM 技术相关问题展开研究，提出了BIM 技术在设计阶段的应用流程与核心应用点，然后通过具体装配式项目展示了部分核心应用点的具体应用及其价值；纵斌[3]认为除了现行标准和规范中对设计细则的要求不够完善，施工单位实践经验不足、预制构件加工精度欠缺等原因外，设计和深化设计是否合理也会造成非常重要的影响。王正凯[4]围绕解决装配式建筑构件深化，结合BIM-PKPM 平台对于装配式PC构件的分析，提出了叠合板和预制墙的自动配筋的设计方案，完成了BIM-PKPM 平台装配式PC 构件的工况验算流程及深化设计的数据研究。于超[5]以预制装配式住宅为研究对象，在其设计和施工过程中引入BIM技术，通过探讨BIM 在预制装配式住宅设计施工全流程中的应用，结合具体实例揭示了其为建筑行业带来的数字化设计思维。任志平等[6]通过对装配式叠合梁及叠合板进行了深化设计，缩短了工期，确保了施工质量。张赛[7]依据装配式结构体系选型及不同结构进行了科学拆分，在利用BIM 技术的模型计算和优化设计对其结构进行参数复核，确保结构满足现行装配式建筑结构规范，总结装配式建筑各个部分的设计要点和具体的操作流程。总之，众多学者从不同维度对装配式建筑做了相关的探讨与研究，目前针对装配式建筑深化设计中流程的优化操作研究较少。随着对装配式建筑研究的逐渐深入，使得深化设计有了更多的解决方案。

文章结合实际项目工程，从优化设计角度在技术层面上提出装配式建筑深化流程。结合BIM 技术在工程中的相关应用，通过初步的二维图纸信息及工程数据的有效利用，在BIM 综合系统上实施动态模拟，将碰撞模型后的结果进行比对分析，调整初步设计的协调性，提高设计的精准度，从而达到建筑深化设计准确指导后续项目工作的目的。

1 BIM 技术的应用

1.1 总体流程

根据设计图纸创建BIM 模型，以解决设计问题。待所有设计问题解决后创建BIM 模型，利用BIM 过程模型的数据信息功能和可视化显示，与制造和施工人员讨论具体项目前期工作的实施并完成最终模型。

基于专业的BIM 相关软件，可以按图1 所示的程序执行验证和解决冲突。在所有部件和相关隐藏位置发生冲突之后，必须对业务冲突执行控制及纠正，整合专业模型形成完整的BIM 模型。调查和处理校际碰撞的同时，BIM 三维模型在建设过程中，专家可以有效地找到设计中的不合理。例如，结构防火门方向不正确，子结构高于上柱部分，次梁部分大于主梁部分。

图1 设计流程图

1.2 深化阶段装配式构件设计

1）预制建筑结构的部件在本结构系统中是分开的，主要类型的结构分为垂直剪力墙结构系统和垂直承重砌体结构。对于组装的墙壁和楼板，必须加深墙壁以完成房间之间的连接。关于部件组装分区，BIM 技术可以通过创建部件系列库项目来补充部件分区和详细的结构管理。创建部件的“族”，部件由BIM 软件参数化，并且不兼容的部件要及时调整。BIM 软件通过装配来组装模型的“族”，以便检测部件之间的碰撞。

2）深化设计的部件主要依赖于建筑物前期结构的划分结果，例如，部件尺寸的优化，信息优化的控制等，工作量很大，有必要加强部件不同方面之间的碰撞等。在这个阶段，建筑部件的优化设计可以实现部件相应程度的增强，由于建筑结构产生大量薄部件，BIM 技术结合了精细部件，减少了传统的手动识别并优化了某些操作错误。

3）装配式建筑的碰撞检测通常运用BIM 技术进行装配式建筑设计成果的碰撞检测，主要可以通过如下2 部分构成。

第一部分主要是检查部件设计中是否存在碰撞问题。例如，当将绝缘板组装到模板的中心部分，连接套管和剪力墙绝缘系统，凹槽和其他连接壁、柱、梁和层压板时如何检测部件，检测过程中是否存在碰撞问题，部件之间的管道连接是否存在任何不一致，以及制造的建筑物外部装饰部件的密封是否符合要求和规格。

第二部分制造部件的隐藏部分，例如在连接的拉杆和整体部件之间的碰撞问题及加强杆和整体部件之间的问题的情况下，需要调整水平杆与垂直杆之间的碰撞，并根据测试结果调整杆和元件的整体部分的确认配置。使用BIM 技术构建的模型可用于改进设计和检查，最终建筑设计模型可直接从碰撞测试模型中导出。最终设计结果包括部件详细信息尺寸、集成部件位置、工程材料清单和3D 图纸等。

2 BIM 技术在工程的应用

2.1 工程概况

该工程位于武汉东西湖区，是武汉市第一个装配式商品楼盘，项目占地4 hm2，总建筑面积126 700.3 m2，商业6 921 m2，住宅89 381.3 m2；地下室采用双层框架剪力墙结构，住宅4 栋（其中15 号楼地上27 层，16、19 号楼地上32 层，17 号楼地上33 层）。

2.2 BIM 技术分析实际问题

通过应用BIM 组装预制外墙板，发现干挂接头连接器与梯柱碰撞。若设计阶段没有提前找到解决该碰撞问题的方案，则现场吊装时应该采取钻孔、固定肋条、约束和模具支撑等措施，对梯柱需重新植筋、绑扎、支模和浇筑混凝土。这些二次加工不仅会增加工程成本，还会影响项目的质量和美观。

得益于BIM 技术，在设计阶段提前阐明了管道碰撞问题，优化了管道配置，无须返工，缩短工期。在悬架面板底部遇到的问题中，外挂墙板下部干挂节点的整体垂直位置是错误的。若在设计阶段未发现，按错误深化图纸进行加工生产，则施工时所有墙板均无法正常安装。对于部件制造项目，预制梁的肋条和预制板坯的底部被拉伸，这些问题不能在设计阶段发生，会造成直接的经济损失。

2.3 碰撞综合优化

进行土建专业的碰撞检测时利用BIM 专业软件，对比发现图纸中是否存在穿梁或柱竖向标高杂乱无章现象。一旦发现问题，净高要求必须重新编排，同时对柱标高进行二次优化调整，使其避开与梁及墙体的碰撞；将柱底标高设置于同一水平面上，方便将来的管道施工，同时达到降低费用和增加美感的目的（图2）。

图2 土建部分冲突报告

3 装配式结构整体设计

在整个设计过程中，BIM 深化设计作为结构设计中的一个组成部分，对于项目的整体完成非常重要。由于原始结构系统设计过程中出现的各种预制件出错及精度问题，很难满足现代制造结构的工业化生产需求。因此，科学地转换结构设计思想，分解使用BIM 技术制造的部件及组合操作可以有效地减少不规则组件类型和规格，促进装配式建筑的自动化。

在预制施工过程中，BIM 技术自动化的应用点主要有以下几个方面：①BIM 技术优势；②BIM 组合工艺基础技术流程；③装配式建筑管理流程；④BIM 技术应该解决这个问题。此外，分解制造工艺过程中，BIM 技术包括3 个主要阶段。第一阶段理论建模，主要包括绘图建模阶段，第二阶段是结合3D 技术的实际建模阶段以确定实际和理论之间的差异，并进行调整。 第三是模拟安装阶段，进行预制建筑物的安装工作，以便进一步开展工作。

4 在深化阶段应解决装配式建筑的问题

4.1 现实情况和模型情况不一致

由于土建过程中的各种因素，理论模型与实际建筑的差异经常导致现场的实际情况不能与模型一致。三维可视化可以反映模型中的实际情况，使现场的实际施工条件都反映在模型中（图3—4）[8-10]。

图3 BIM 模型图

图4 构件单件图

4.2 管线设计的问题

在传统管线设计过程中，专家单独设计各个部件及专业性的管线设计并进行完整测试及优化。使用BIM 技术深化设计，包括深化建筑图纸和机电工程结构的关键部分[11]。通过三维剖面、模型演示与业主进行沟通，有效地改进建筑图纸，以进一步提高效率。这得益于BIM 技术的三维可视化功能，可以从中合理分配维护空间，并可以更好地解决后续维护的空间问题，同时检查管线的碰撞情况，如图5 所示。

图5 管线可视化碰撞检查

4.3 预留洞口等问题

在施工之前预留二次砌体墙管线洞口。根据施工图中各个管道的位置，水管穿过墙壁，用于显示电气管道的位置，如图6 所示。

图6 局部电气管道布置图

利用BIM 可视化技术，查看下一个预留孔用于二次砌体中会产生什么问题。同时，根据BIM 模型中孔的位置，由设计单位在设备区墙上发布孔图案并创建背景。另外，根据预留孔的图，计算墙面覆盖物的数量和尺寸，对墙面覆盖物进行预处理，并且墙面覆盖物位于相应的位置以完成预留涂层的建立。

5 结束语

在装配式建筑工程的设计阶段中，应用BIM 技术进行深化设计，及时发现问题，优化工作效率，提高装配式建筑管理的工作品质，从而达到降低预制构件返工率、缩减工期与成本、提升工程品质的目的。以预制装配式住宅为研究对象，在其设计和施工过程中引入BIM 技术，通过结合实例探讨BIM 技术在预制装配式住宅深化设计整个流程中的应用，其为建筑行业带来更加规范化、智能化的技术规程，为实现绿色建筑的发展提供更好的铺垫。