1 裝配式技術(shù)發(fā)展概況

1.1 裝配式建筑特點(diǎn)分析

目前，針對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)，《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ1—2014）等相關(guān)規(guī)范中均有提及“等同現(xiàn)澆”的概念。事實(shí)上，傳統(tǒng)建筑與裝配式建筑從設(shè)計(jì)理念和施工流程上具有較大差異，尤其在節(jié)點(diǎn)連接方式及施工工藝等方面[1]。裝配式建筑相比傳統(tǒng)建筑而言，存在著巨大的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境優(yōu)勢(shì)[2]：①可大大提升建筑質(zhì)量；②提升施工效率，縮短工期；③有效節(jié)約建筑材料，節(jié)能減排；④提高工人生命安全保障。

1.1.1 提升建筑質(zhì)量

裝配式建筑不能簡(jiǎn)單地理解為施工工藝的革新，它是整個(gè)設(shè)計(jì)流程、管理模式、運(yùn)維方式等的改變。與傳統(tǒng)模式不同，裝配式深化設(shè)計(jì)必須高精度、高協(xié)同化，才能保證構(gòu)件生產(chǎn)準(zhǔn)確無(wú)誤。同時(shí)，構(gòu)件采用機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)模式，大幅提升構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量，進(jìn)一步提升建筑整體品質(zhì)。

1.1.2 提升施工效率，縮短工期

預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)是一種集約式的管理模式，其機(jī)械化程度高，并全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，極大地改善了以往粗放式的生產(chǎn)方式，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率[3]。此外，工廠生產(chǎn)不受外界環(huán)境的約束，大部分生產(chǎn)工作由傳統(tǒng)的室外轉(zhuǎn)向室內(nèi)。

1.1.3 節(jié)約建材，節(jié)能減排

對(duì)比傳統(tǒng)建筑業(yè)，裝配式建筑可有效節(jié)約建筑材料，節(jié)能減排：①減少磨具材料消耗，可節(jié)約用量約50%；②可大幅避免工業(yè)垃圾的生成，減幅達(dá)50%～80%[4]；③通過(guò)合理設(shè)計(jì)和施工的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)約55%的混凝土和40%的鋼筋用量，還可促進(jìn)廢舊建筑原料的再利用[5]。

1.1.4 提高工人生命安全保障

由于裝配式建筑的工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員大幅減少，高空及外腳手架施工作業(yè)減少，使事故發(fā)生的概率大大降低，從而提高了對(duì)工人生命安全的保障；同時(shí)，工廠工人及現(xiàn)場(chǎng)工人更加穩(wěn)定，提高了隊(duì)伍的專業(yè)素養(yǎng)，使得安全培訓(xùn)的有效性更強(qiáng)[4]。

1.2 制約裝配式深化設(shè)計(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素

裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精髓在于各專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)。不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，裝配式設(shè)計(jì)要求各工種之間緊密配合，從方案階段到施工圖階段，再至構(gòu)件生產(chǎn)加工階段，均需要專業(yè)設(shè)計(jì)人員的完美配合，才能保證裝配式工程的順利進(jìn)行。但是目前，國(guó)內(nèi)裝配式設(shè)計(jì)仍處于較為粗放的階段，主要集中在以下幾點(diǎn)。

（1）結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)部的相互碰撞以及與水、電、暖等其他專業(yè)之間的碰撞。常規(guī)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍依賴于二維平臺(tái)設(shè)計(jì)，無(wú)法對(duì)構(gòu)件實(shí)施三維模擬拼裝和各專業(yè)間的碰撞檢查，造成PC構(gòu)件無(wú)法順利裝配，機(jī)電管線無(wú)法按設(shè)計(jì)要求布置，從而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失及額外工作量。

（2）施工精度要求提高。傳統(tǒng)建筑施工工藝誤差往往以厘米計(jì)算，而裝配式工程以毫米精度控制。構(gòu)件生產(chǎn)加工及現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工均需要在高精度控制下完成，否則構(gòu)件將無(wú)法順利拼裝。

（3）設(shè)計(jì)工作量成倍增長(zhǎng)，校核工作繁瑣復(fù)雜。常規(guī)裝配式結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)基于二維平臺(tái)，并根據(jù)施工圖對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，致使該工作量往往是傳統(tǒng)施工圖設(shè)計(jì)的10倍左右，且?guī)?lái)的施工圖校核工作量也同步大幅增加，造成設(shè)計(jì)效率較低。

（4）工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的傳遞相對(duì)落后。裝配式結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)需注重各專業(yè)間的協(xié)同合作，只有專業(yè)間緊密配合，才能保證項(xiàng)目的順利開(kāi)展。然而，常規(guī)的深化設(shè)計(jì)流程大多基于二維平臺(tái)，信息的傳遞主要依靠圖紙相互審閱，信息傳遞的工作效率較低，且無(wú)法保證信息的完整性。

（5）在預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸及運(yùn)維全過(guò)程中，合理的構(gòu)件拆分是做好深化設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)平臺(tái)在深化階段無(wú)法充分考慮構(gòu)件的可生產(chǎn)性、可運(yùn)輸性、可吊裝性及可安裝性[6]。

1.3 基于Allplan的三維裝配式結(jié)構(gòu)深化

針對(duì)傳統(tǒng)PC深化設(shè)計(jì)過(guò)程中專業(yè)協(xié)同難度大、工作效率低下、施工精度無(wú)法滿足要求等弊端[7]，內(nèi)梅切克工程有限公司專門(mén)為裝配式結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)研發(fā)了一款軟件——Allplan Precast。同時(shí)，該軟件又是一個(gè)開(kāi)放的BIM平臺(tái)，可將設(shè)計(jì)、評(píng)估、構(gòu)件的加工制作等階段中各類設(shè)計(jì)元素全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿S信息模型。在項(xiàng)目應(yīng)用過(guò)程中，不僅可以克服上述常規(guī)裝配式結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)流程中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，還提升了上游設(shè)計(jì)與下游生產(chǎn)、施工之間的聯(lián)系緊密程度。Allplan在進(jìn)行裝配式深化設(shè)計(jì)中，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）Allplan改變了傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)思路，直接將設(shè)計(jì)結(jié)果以三維視角直觀地呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)師、施工單位等各參與方眼前，在構(gòu)件生產(chǎn)、吊裝前即可進(jìn)行構(gòu)件的實(shí)體預(yù)拼裝，方便設(shè)計(jì)師與施工人員及時(shí)針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)發(fā)生的技術(shù)難題進(jìn)行商討解決，大大提高施工效率。

（2）在裝配式建筑中，Allplan為各專業(yè)設(shè)計(jì)人員提供有利的平臺(tái)，方便不同工種的協(xié)同合作；提高專業(yè)間的配合緊密度，進(jìn)而保證構(gòu)件生產(chǎn)與設(shè)計(jì)高度一致。

（3）在確保模型準(zhǔn)確無(wú)誤的前提下，Allplan軟件可一鍵生成構(gòu)件加工圖紙，大大減少設(shè)計(jì)師在后期繪圖的工作量，同時(shí)還可保證圖紙與模型、圖紙與構(gòu)件的一一對(duì)應(yīng)，確保構(gòu)件生產(chǎn)的準(zhǔn)確性，提高整個(gè)設(shè)計(jì)流程的工作效率。

2 深化軟件Allplan在“世界外國(guó)語(yǔ)學(xué)校宿舍樓”項(xiàng)目中的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

“世界外國(guó)語(yǔ)學(xué)校宿舍樓”項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“宿舍樓”項(xiàng)目）位于上海市青浦區(qū)徐涇虹橋商務(wù)區(qū)核心區(qū)17-04地塊單元，總建筑面積約為48 000m2。其中，宿舍樓為地上6層的多層建筑，層高4.5m，建筑面積為9 516m2，采用裝配整體式框架結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)上海市相關(guān)政策要求，單體預(yù)制率不低于30%。結(jié)合建筑功能的需求與結(jié)構(gòu)安全可靠性，將全樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件拆分為預(yù)制框架梁、預(yù)制樓板、預(yù)制樓梯三類構(gòu)件，經(jīng)混凝土用量統(tǒng)計(jì)，單體預(yù)制率達(dá)到30%，滿足土地出讓要求。

2.2 基于Allplan軟件的PC構(gòu)件深化設(shè)計(jì)

2.2.1 Allplan在處理專業(yè)間相互碰撞問(wèn)題中的應(yīng)用

（1）在裝配式結(jié)構(gòu)深化過(guò)程中，最大的問(wèn)題是構(gòu)件深化統(tǒng)統(tǒng)都在二維平臺(tái)進(jìn)行工作，無(wú)法展現(xiàn)出施工現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件吊裝、拼裝的過(guò)程，繼而無(wú)法檢查出構(gòu)件在節(jié)點(diǎn)區(qū)是否可以順利拼裝，是否存在鋼筋碰撞等問(wèn)題。在“宿舍樓”項(xiàng)目中，利用Allplan軟件進(jìn)行構(gòu)件的三維實(shí)體建模，根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖的配筋參數(shù)，按照相關(guān)圖集及規(guī)范，進(jìn)行鋼筋的實(shí)體三維放樣，保證每一根構(gòu)件、每一根鋼筋均與構(gòu)件加工廠的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)一致。三維視圖中，可直觀地反映出節(jié)點(diǎn)區(qū)的三維碰撞，以便讓輔助設(shè)計(jì)師及時(shí)作出調(diào)整，避免碰撞，保證構(gòu)件可以順利吊裝，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋亦可通過(guò)三維彎折進(jìn)行有效避讓（圖1）。

（2）由于預(yù)制構(gòu)件是由預(yù)制構(gòu)件廠按照深化圖紙直接加工制作并運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝，因而運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)的構(gòu)件必須是包含各專業(yè)的。這就導(dǎo)致在深化設(shè)計(jì)階段必須考慮其他專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)的碰撞問(wèn)題，否則構(gòu)件一旦生產(chǎn)錯(cuò)誤，將造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。在“宿舍樓”項(xiàng)目中，此類問(wèn)題主要體現(xiàn)在預(yù)制疊合板上的管線走位及管道洞口預(yù)留方面。利用Allplan三維實(shí)體建模，將涉及到預(yù)制構(gòu)件的機(jī)電管線、管道洞口等直接根據(jù)施工圖紙?jiān)谌S模型中體現(xiàn)，直觀地反映出管線走位與結(jié)構(gòu)梁板的相對(duì)位置關(guān)系，在模型中進(jìn)行調(diào)整，避免專業(yè)間的碰撞，保證預(yù)制構(gòu)件與非預(yù)制構(gòu)件在機(jī)電等其他專業(yè)的整體一致性。根據(jù)給排水專業(yè)提供的資料，對(duì)于將洞口直接布置到預(yù)制板上這一要求，軟件不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)洞口是否與桁架筋相互碰撞的檢查，而且針對(duì)洞口對(duì)板底分布筋的影響，軟件亦可完成對(duì)結(jié)構(gòu)是否需要采取相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)措施的檢查任務(wù)（圖2）。

2.2.2 Allplan在參數(shù)化建模中的應(yīng)用

在“宿舍樓”項(xiàng)目中，構(gòu)件種類雖然不多，但是構(gòu)件數(shù)量巨大。在深化設(shè)計(jì)過(guò)程中，除利用軟件進(jìn)行建模并深化設(shè)計(jì)工作外，還嘗試了該軟件的SmartPart參數(shù)化建模模塊。該模塊的主要目的在于加快前期建模速率，提高建模的精確度，減少模型在調(diào)整修改時(shí)的工作量。不同于傳統(tǒng)意義上的參數(shù)化模塊，SmartPart不需要復(fù)雜的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，僅通過(guò)較為簡(jiǎn)單的內(nèi)部編程格式即可對(duì)較為復(fù)雜的三維模型進(jìn)行參數(shù)化編輯。圖3為Allplan軟件中自帶的SmartPart參數(shù)化建模編輯器。

SmartPart模塊中，只需在“對(duì)話框”進(jìn)行簡(jiǎn)單的語(yǔ)言編程，即可完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的參數(shù)化定義。在“宿舍樓”項(xiàng)目中，主要對(duì)預(yù)制疊合梁進(jìn)行參數(shù)化建模。只需在“對(duì)話框”編寫(xiě)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)制疊合梁參數(shù)，如梁的幾何尺寸、鋼筋信息、混凝土標(biāo)號(hào)等，即可完成對(duì)預(yù)制疊合梁的參數(shù)化定義。如圖4所示，利用SmartPart模塊創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制疊合梁模型及對(duì)應(yīng)的鋼筋模型。在建模過(guò)程中，可循環(huán)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模塊，只需要修改其相關(guān)的參數(shù)，即可衍生出相應(yīng)的預(yù)制構(gòu)件，大大縮短了建模用時(shí)。此外，利用SmartPart參數(shù)化模塊不僅可以對(duì)框架結(jié)構(gòu)中的梁、板及柱進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，也可以對(duì)住宅外墻（開(kāi)窗洞外墻、開(kāi)門(mén)洞外墻）或?qū)嵭募袅M(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，從而大幅提升在裝配式住宅中深化設(shè)計(jì)的工作效率。

2.2.3 Allplan在數(shù)據(jù)傳遞中的應(yīng)用

基于BIM技術(shù)可視化、協(xié)同性、模擬性的特點(diǎn)，保證各專業(yè)設(shè)計(jì)人員在三維可視環(huán)境中協(xié)同工作，并通過(guò)真實(shí)的模擬施工來(lái)預(yù)先發(fā)現(xiàn)可能存在的問(wèn)題。因此，數(shù)據(jù)化的BIM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)裝配式建筑深化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[8]。

在“宿舍樓”項(xiàng)目中，其他專業(yè)及施工單位需要根據(jù)結(jié)構(gòu)深化模型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，制定適宜的施工方案。利用IFC數(shù)據(jù)格式，可以將裝配式拆分模型從軟件中導(dǎo)出，轉(zhuǎn)變?yōu)镮FC數(shù)據(jù)格式文件；其他專業(yè)設(shè)計(jì)師則可在外部BIM平臺(tái)中（如Autodesk Revit），進(jìn)行查看和必要的深化設(shè)計(jì)。這一特點(diǎn)保證了原有數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性。

圖1 鋼筋避讓

圖2 水專業(yè)在預(yù)制板上開(kāi)洞

圖3 SmartPart編輯器界面

圖4 利用SmartPart模塊創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制疊合梁模型

Allplan軟件中，IFC數(shù)據(jù)格式打破了裝配式建筑設(shè)計(jì)中各專業(yè)間的隔閡，保證建筑與結(jié)構(gòu)在裝配式建筑工程中的充分結(jié)合與協(xié)同。在協(xié)同的過(guò)程中，PC結(jié)構(gòu)工程師可以充分與建筑師就模型的某一問(wèn)題進(jìn)行直觀討論，并制定相應(yīng)處理方案，進(jìn)而達(dá)到在方案設(shè)計(jì)階段PC深化介入，大幅提升后期工作效率。此外，IFC數(shù)據(jù)格式不局限于由建筑專業(yè)導(dǎo)入PC結(jié)構(gòu)專業(yè)這一功能，也可將結(jié)構(gòu)配筋模型轉(zhuǎn)換成IFC數(shù)據(jù)格式文件并導(dǎo)入建筑模型中，從而實(shí)現(xiàn)全專業(yè)信息化模型的有機(jī)融合，解決了各專業(yè)之間的相互碰撞等問(wèn)題，進(jìn)而保證構(gòu)件制作的精度，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2.4 Allplan在構(gòu)件后期制作中的應(yīng)用

裝配式深化設(shè)計(jì)中，構(gòu)件深化圖紙往往是常規(guī)工程的5～10倍之多，工作量巨大。如果每個(gè)預(yù)制構(gòu)件都單獨(dú)進(jìn)行出圖，不僅浪費(fèi)人力物力，還無(wú)法保證圖紙的準(zhǔn)確率。在深化設(shè)計(jì)階段的后期，Allplan軟件可根據(jù)帶有鋼筋的預(yù)制構(gòu)件模型，通過(guò)模型間多次相互校對(duì)，一鍵生成構(gòu)件加工圖紙。圖紙中不僅包含構(gòu)件的物理幾何參數(shù)，同時(shí)給出與結(jié)構(gòu)施工圖一致的構(gòu)件配筋信息及詳細(xì)的鋼筋下料清單。此外，利用軟件導(dǎo)出的構(gòu)件加工圖紙中，包含了水、電、暖各專業(yè)的設(shè)計(jì)信息。在后期構(gòu)件制作過(guò)程中，構(gòu)件廠根據(jù)導(dǎo)出的構(gòu)件深化圖紙，可直接進(jìn)行構(gòu)件生產(chǎn)。Allplan的這一功能確保了構(gòu)件信息的完整性，避免設(shè)計(jì)要素因變動(dòng)而導(dǎo)致構(gòu)件制作的返工等問(wèn)題。圖5、6分別展示了設(shè)計(jì)師根據(jù)實(shí)際施工圖紙?jiān)贏llplan軟件中創(chuàng)建包含各專業(yè)信息的三維構(gòu)件實(shí)體模型及鋼筋模型，并以此模型為設(shè)計(jì)依據(jù)，利用軟件直接生成構(gòu)件加工圖紙的過(guò)程。構(gòu)件加工廠即可依據(jù)此加工圖對(duì)構(gòu)件進(jìn)行工廠化生產(chǎn)，并運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝。圖7為各類構(gòu)件（預(yù)制疊合板、預(yù)制疊合梁、預(yù)制樓梯及預(yù)制梁）制作完成后的構(gòu)件實(shí)體在現(xiàn)場(chǎng)的吊裝情況。

圖5 預(yù)制構(gòu)件模型

圖6 軟件生成構(gòu)件加工圖紙

圖7 各類預(yù)制構(gòu)件實(shí)體的現(xiàn)場(chǎng)吊裝

3 結(jié)語(yǔ)

Allplan三維結(jié)構(gòu)深化軟件在“世界外國(guó)語(yǔ)學(xué)校宿舍樓”項(xiàng)目中的應(yīng)用表明，Allplan在裝配式結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)流程中具有極高的優(yōu)越性，既可提高設(shè)計(jì)師的工作效率，又可確保設(shè)計(jì)師與生產(chǎn)廠之間的緊密聯(lián)系，保證構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量。但軟件自身依然存在不足，主要是在項(xiàng)目的管控運(yùn)維方面：4D（3D+時(shí)間）/5D（3D+時(shí)間+成本）的模擬過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，可作為施工全過(guò)程動(dòng)態(tài)控制的有效工具，進(jìn)一步提高項(xiàng)目建設(shè)的效率和效益[9]，而軟件目前還無(wú)法在PC深化模型的基礎(chǔ)上開(kāi)展動(dòng)態(tài)管理，并提供相應(yīng)的可視化管理平臺(tái)。

此外，在裝配式深化設(shè)計(jì)中，面對(duì)種類繁多、體型復(fù)雜、協(xié)同程度高的預(yù)制構(gòu)件，運(yùn)用BIM技術(shù)將構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)椴僮餍愿`活的參數(shù)化模型尤為重要[10]。Allplan軟件中的SmartPart模塊已初步驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。希望在后期的項(xiàng)目開(kāi)展中，可以得到更多的用戶體驗(yàn)，更加完善Allplan在項(xiàng)目中的應(yīng)用。

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