唐洪剛 高云鵬 孔思達(dá) 馮嫻

摘要：裝配式建筑項(xiàng)目總承包讓設(shè)計(jì)、施工、構(gòu)建生產(chǎn)有了深度的融合，依托BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)范圍的延續(xù)與拓展成為裝配式建筑實(shí)施的必要條件。通過對當(dāng)前裝配式建筑從設(shè)計(jì)到實(shí)施存在的問題分析，探討B(tài)IM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)及建筑構(gòu)件生產(chǎn)這三個(gè)核心階段的應(yīng)用與優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑;BIM;正向設(shè)計(jì);深化設(shè)計(jì);構(gòu)件生產(chǎn)

中圖分類號：TU-024

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

裝配式建筑的核心工藝為按照構(gòu)件詳圖進(jìn)行物料采購，在車間完成建筑構(gòu)件的組裝澆筑養(yǎng)護(hù)后直接運(yùn)至現(xiàn)場安裝，其對于圖紙精度和一致性的超高標(biāo)準(zhǔn)自然地產(chǎn)生了對于BIM技術(shù)的應(yīng)用需求。當(dāng)下各設(shè)計(jì)院對于BIM技術(shù)如何具體應(yīng)用到裝配式項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、深化和輔助生產(chǎn)中，尚未達(dá)成共識，而構(gòu)件拆分模數(shù)化和精確化難度過大、深化設(shè)計(jì)周期過長等行業(yè)難題也有待解決，原因在于設(shè)計(jì)理念和深化分工還缺乏連續(xù)性和整體性。結(jié)合當(dāng)前國家力推的裝配式建筑總承包項(xiàng)目管理的各項(xiàng)政策，從而讓設(shè)計(jì)、施工、構(gòu)建生產(chǎn)有了深度的融合，依托BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)范圍的延續(xù)與拓展成為裝配式建筑實(shí)施的必要條件。本文將從BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)的各階段應(yīng)用層面分析入手，對BIM技術(shù)在裝配式項(xiàng)目中的深化分工提出探索性的解決方案。

1BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

BIM（Building Information Modeling）是建筑信息模型的英文簡稱，通過含有建筑真實(shí)信息的三維模型實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)、施工管理等功能，是一種分析及管理手段。是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。它具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)[1] 。裝配式建筑是將建筑的部分或全部構(gòu)建在工廠預(yù)制完成，然后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，將構(gòu)件通過可靠的連接方式組裝而成，是具備“設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、施工標(biāo)準(zhǔn)化、一體化裝修和信息化管理”的新型建筑工業(yè)化建筑[2]。BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要在三個(gè)階段：

1.1策劃與建筑正向設(shè)計(jì)

在裝配式建筑技術(shù)策劃階段，建筑師或者工程師不能夠準(zhǔn)確針對項(xiàng)目定位、建筑規(guī)模、成本限額為投資建設(shè)方提供合理的可視化的產(chǎn)業(yè)化方案，后期設(shè)計(jì)依據(jù)不足。需以模數(shù)化設(shè)計(jì)為核心，以將尺寸協(xié)調(diào)的功能單元進(jìn)行組裝的理念來指導(dǎo)設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用BIM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)從方案一直到施工圖階段的正向設(shè)計(jì)，以不同階段、不同深度的整體裝配式BIM模型為典型成果。

1.2深化設(shè)計(jì)與構(gòu)件拆分

裝配式建筑設(shè)計(jì)端手動拆分構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度低，專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間協(xié)同效率低，模型不共享。構(gòu)件深化設(shè)計(jì)階段，鋼筋碰撞、預(yù)留預(yù)埋件與模具及鋼筋干涉問題嚴(yán)重等帶來后期構(gòu)件制作節(jié)點(diǎn)變更頻繁等。需以深度建模為核心，運(yùn)用BIM來實(shí)現(xiàn)深化設(shè)計(jì)，尤其是結(jié)構(gòu)構(gòu)件、功能構(gòu)件和裝飾構(gòu)件內(nèi)部和構(gòu)件間的碰撞協(xié)調(diào)。以項(xiàng)目BIM模型和可用于生產(chǎn)的加工圖紙為典型成果。

1.3設(shè)計(jì)輔助與構(gòu)件制作

由于前期設(shè)計(jì)端考慮不周、信息化程度低、管理的粗放，導(dǎo)致構(gòu)件廠異形構(gòu)件數(shù)量多、模具周轉(zhuǎn)率低、生產(chǎn)效率低、資源浪費(fèi)。施工企業(yè)不具備裝配式建筑施工組織經(jīng)驗(yàn)，軟件和硬件配置不充分，嚴(yán)重限制裝配式施工發(fā)揮其保質(zhì)量、縮工期的優(yōu)勢。需以服務(wù)于裝配式構(gòu)件制作車間和現(xiàn)場為中心，運(yùn)用BIM技術(shù)來輔助制造和安裝，并擴(kuò)展至模具設(shè)計(jì)制作和構(gòu)件吊運(yùn)等環(huán)節(jié)。以物料清單、模具圖紙和針對各施工環(huán)節(jié)的分析模擬報(bào)告與視頻為典型成果。

2 BIM技術(shù)在裝配式項(xiàng)目中各階段的應(yīng)用方案

2.1理念層面下的裝配式建筑正向設(shè)計(jì)

2.1.1裝配式建筑的前期策劃

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式里，各專業(yè)的深化設(shè)計(jì)呈線性關(guān)系， 上游完成了一個(gè)階段才會遞進(jìn)到下游，出現(xiàn)問題時(shí)不能及時(shí)有效地反饋，各方信息相對閉塞。而各個(gè)牽涉到的專業(yè)不同側(cè)重點(diǎn)也不同，因此最后的落地成果往往也會出現(xiàn)偏差。這就需要在設(shè)計(jì)前期對整個(gè)建筑的設(shè)計(jì)做好前期統(tǒng)籌策劃，基于裝配式建筑的特點(diǎn)，為凸顯其模塊化特點(diǎn)，節(jié)省建造成本，前期項(xiàng)目策劃對預(yù)制裝配式建筑的實(shí)施起到十分重要的作用，設(shè)計(jì)單位應(yīng)在充分了解項(xiàng)目定位、建設(shè)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)、成本限額、外部條件等影響因素的情況下，制定合理的技術(shù)路線，提高預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化程度，并與建設(shè)單位共同確定技術(shù)實(shí)施方案，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作提供設(shè)計(jì)依據(jù)[3]。具體的策劃可以從以下三個(gè)角度展開：

1）美學(xué)理念，基于裝配式的工藝，構(gòu)件單元將更復(fù)合化與專業(yè)化，結(jié)構(gòu)功能、裝飾功能、使用功能得以有機(jī)統(tǒng)一。而裝配式建筑的設(shè)計(jì)美學(xué)更多地強(qiáng)調(diào)于功能單元的創(chuàng)意式尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)和單元間的多樣組合。

2）經(jīng)濟(jì)性思考，裝配式建筑施工的成本構(gòu)成中，主要包含模具制作、車間加工和調(diào)運(yùn)安裝。而在建筑設(shè)計(jì)中，細(xì)節(jié)尺寸的凌亂極易導(dǎo)致上述三項(xiàng)成本的大幅增加。而對于異型建筑，傳統(tǒng)施工方法極難達(dá)到理想效果，但運(yùn)用裝配式技術(shù)就完全可以實(shí)現(xiàn)。因此，裝配式建筑在方案設(shè)計(jì)階段，就需要將裝配式建筑特有的模數(shù)化及模塊化理念納入設(shè)計(jì)前期策劃中。

3）專業(yè)協(xié)同，裝配式建筑的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在項(xiàng)目方案基本確定后耗時(shí)最長的各專業(yè)和各方深化設(shè)計(jì)的過程中，主要在于需要反復(fù)進(jìn)行方案的調(diào)整。因?yàn)?，裝配式建筑是集設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、裝修和管理為一體的集成化建筑，從設(shè)計(jì)到施工運(yùn)營的各個(gè)階段都需要建筑結(jié)構(gòu)、構(gòu)件生產(chǎn)、暖通、給排水、機(jī)電和裝修等專業(yè)設(shè)計(jì)人員共同配合工作。

2.1.2策劃下的建筑正向設(shè)計(jì)

1）在方案初設(shè)階段，建筑的功能單元、結(jié)構(gòu)體系、創(chuàng)意造型即結(jié)合裝配式建筑的工藝，運(yùn)用BIM軟件進(jìn)行輪廓建模，確定整體外觀。

2）確定項(xiàng)目裝配式工藝各功能區(qū)的構(gòu)件模數(shù)，在進(jìn)行主要尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，由專門的結(jié)構(gòu)工程師把控通用尺寸要求、鋼筋布置條件和節(jié)點(diǎn)做法，在BIM平臺端就將房屋構(gòu)件單元的尺寸硬性約束為模數(shù)匹配，從源頭規(guī)避掉尺寸凌亂的問題。

3）在建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行對接時(shí)，逐級將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺和前述裝配式建筑構(gòu)件設(shè)計(jì)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)對接和功能對接，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)支持下，實(shí)現(xiàn)從裝配式方案到裝配式構(gòu)件的自動拆分。

4）在其他各專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，同樣充分考慮功能單元的組合，盡量保證構(gòu)件輪廓和出筋定位的一致性，在和單一構(gòu)件進(jìn)行協(xié)調(diào)時(shí)，充分考慮水暖電設(shè)計(jì)方案的“模數(shù)化”、一致性，保證盡量減少構(gòu)件開孔方案等的多樣。

5）將傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)中的功能分析和方案展示工作，同樣轉(zhuǎn)移到裝配式BIM方案的設(shè)計(jì)體系內(nèi)，根據(jù)裝配式建筑的設(shè)計(jì)初衷，從建筑美學(xué)、建筑功能和綠色環(huán)保等角度完成參數(shù)化分析體系的重新制定。

2.2深化設(shè)計(jì)階段裝配式構(gòu)件的BIM運(yùn)用

2.2.1BIM服務(wù)用于裝配式構(gòu)件制造中的現(xiàn)存問題

當(dāng)下裝配式建筑的工作方式大多是通過常規(guī)的設(shè)計(jì)工作出具二維圖紙，交付PC構(gòu)件廠家后再由PC構(gòu)件廠家進(jìn)行二次翻模，進(jìn)而訂制模具后在車間內(nèi)完成所需構(gòu)件的生產(chǎn)。其主要缺點(diǎn)在于設(shè)計(jì)單位所提交的裝配式訂單圖紙無法供構(gòu)件加工車間使用，而多數(shù)PC構(gòu)件廠家出具模具圖紙和加工圖紙的效率較低，且二維構(gòu)件圖紙未經(jīng)過預(yù)拼裝，在車間加工環(huán)節(jié)極易出現(xiàn)鋼筋碰撞情況，但模具改造和節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)的綜合成本極高。

要解決上述問題，主要需通過精細(xì)的構(gòu)件建模和基于參數(shù)化模型展開的各類深度應(yīng)用來解決。因此，對于這一類BIM運(yùn)用，主要從技術(shù)角度展開論述。

2.2.2技術(shù)層面下裝配式構(gòu)件的BIM運(yùn)用方案

1）將結(jié)構(gòu)構(gòu)件、功能構(gòu)件和裝飾構(gòu)件單元按造型、配筋原則、制作方法等指標(biāo)進(jìn)行劃分，在此基礎(chǔ)上制定針對裝配式建筑的BIM族庫架構(gòu)（圖1）。

2）運(yùn)用BIM技術(shù)將裝配式構(gòu)件的二維草圖和三維模型中各處尺寸進(jìn)行參數(shù)化管理，真正做到全參數(shù)化模型。

3）在真正進(jìn)入建模環(huán)節(jié)中，重新梳理建筑中構(gòu)件間的依附關(guān)系，保證各構(gòu)件的獨(dú)立性，而僅保留構(gòu)件間的參數(shù)聯(lián)動，將構(gòu)件內(nèi)部的模型樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行扁平化改造，通過參數(shù)標(biāo)簽的方式提高管理效率。

4）建立雙重可行性驗(yàn)證制度。對于裝配式構(gòu)件整體在組合嵌入整個(gè)建筑時(shí)，在BIM平臺上預(yù)先進(jìn)行拼裝模擬，確認(rèn)整體構(gòu)件外部輪廓和單元?jiǎng)澐值臏?zhǔn)確性（圖2、圖3）。

其中，對于構(gòu)件單元內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)，以鋼筋網(wǎng)絡(luò)為典型，在BIM平臺上需進(jìn)行全參數(shù)化異形鋼筋的深度建模和碰撞檢查。鋼筋網(wǎng)絡(luò)的深度編輯在行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)形成共識，“未來需要編寫相應(yīng)的程序語句在參數(shù)化建立鋼筋的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鋼筋對于不同洞口的避讓或者截?cái)嗖⒆詣优渲醚a(bǔ)強(qiáng)鋼筋，這樣可以在保證設(shè)計(jì)深度的前提下進(jìn)一步提升工作效率”[4]。核心工作是為了保證鋼筋糾偏的自由，在鋼筋建模環(huán)節(jié)，同樣清除掉結(jié)構(gòu)鋼筋和結(jié)構(gòu)外輪廓見的依附關(guān)系，而僅保留參數(shù)聯(lián)動

5）在成果交付環(huán)節(jié)，通過族文件優(yōu)化，保證裝配式構(gòu)件BIM模型可以直接出具滿足施工方和車間需求的二維圖紙。

2.3裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)過程中BIM技術(shù)的輔助設(shè)計(jì)

2.3.1裝配式建筑的執(zhí)行難點(diǎn)

裝配式建筑在制作和安裝階段，目前的管理重點(diǎn)主要有兩項(xiàng)：

1）構(gòu)件模具多為一體式模具，材料成本高、制作周期長、模具加工圖出圖速度慢、容易出現(xiàn)偏差、模具復(fù)用率低下，造成極大浪費(fèi)。

2）構(gòu)件的調(diào)運(yùn)安裝環(huán)節(jié)缺乏技術(shù)指導(dǎo)，也缺少直觀準(zhǔn)確的技術(shù)交底措施，最終極易由于人員誤操作導(dǎo)致出現(xiàn)質(zhì)量問題和進(jìn)度滯后。

單純就模具建模和施工工藝仿真而言，實(shí)現(xiàn)手段和工具都有很多種，但要將具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、模具制作環(huán)節(jié)和施工輔助管理環(huán)節(jié)進(jìn)行打通則有較大技術(shù)障礙，對此的解決方案應(yīng)從多樣化服務(wù)的BIM平臺著手。

2.3.2裝配式建筑設(shè)計(jì)成果的執(zhí)行

裝配式建筑設(shè)計(jì)成果的執(zhí)行主要包含兩大環(huán)節(jié)：

1）模具設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)

執(zhí)行方案為：設(shè)置能與構(gòu)件設(shè)計(jì)進(jìn)行無損數(shù)據(jù)對接和參數(shù)聯(lián)動的模具深化設(shè)計(jì)平臺。在構(gòu)件建模階段，即同步完成外圍模具的建模，模具尺寸和構(gòu)件尺寸參數(shù)設(shè)置聯(lián)動，即在構(gòu)件族的基礎(chǔ)上附帶完成模具族的制作。進(jìn)而，在匹配構(gòu)件尺寸的整體模具模型的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)接口，轉(zhuǎn)換到模具深化設(shè)計(jì)BIM平臺，同樣將模具進(jìn)行模數(shù)化的拆分，并補(bǔ)充固定加強(qiáng)部分，保證力學(xué)性能。最終實(shí)現(xiàn)模具模型和構(gòu)件模型一同生成，一同隨參數(shù)變化，同時(shí)保證模具深化設(shè)計(jì)平臺直接輸出的出圖標(biāo)準(zhǔn)滿足模具制造廠的需求（圖4～6）。

2）構(gòu)件調(diào)運(yùn)安裝環(huán)節(jié)

構(gòu)件調(diào)運(yùn)安裝環(huán)節(jié)執(zhí)行方案為：設(shè)置能與裝配式設(shè)計(jì)平臺進(jìn)行直接數(shù)據(jù)對接的模擬仿真平臺。在裝配式項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立制造車間和安裝現(xiàn)場兩大場地BIM以及配套的措施項(xiàng)目、施工機(jī)具模型體系。要真正實(shí)現(xiàn)有效的技術(shù)交底和施工管理，核心即在于兩個(gè)平臺間數(shù)據(jù)對接的高效，模擬平臺端項(xiàng)目構(gòu)件模型樹和設(shè)計(jì)端項(xiàng)目模型樹相一致，進(jìn)而保證模擬展示平臺上可實(shí)現(xiàn)以準(zhǔn)確資源管理為基礎(chǔ)的施工輔助管理。最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目現(xiàn)場和模擬展示的高度一致（圖7～10）。

3結(jié)束語

裝配式建筑發(fā)展過程中的核心難題是建筑的標(biāo)準(zhǔn)化，而裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化決定了前期統(tǒng)籌、構(gòu)件設(shè)計(jì)、構(gòu)件生產(chǎn)等各項(xiàng)目階段應(yīng)相互協(xié)調(diào)、相互配合、相互修正，利用好BIM技術(shù)則可以有效地解決這一難題。本文通過對BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析，對BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)、以及建筑構(gòu)件生產(chǎn)這三個(gè)核心階段進(jìn)行了探討，為裝配式建筑設(shè)計(jì)的前期策劃進(jìn)行了高效有序的步驟分解，從技術(shù)角度對裝配式構(gòu)件制造中存在的問題提出了解決方案，最后對裝配式建筑設(shè)計(jì)成果執(zhí)行的兩大難點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行了方案推理演示?？傮w而言，裝配式技術(shù)和BIM技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)該在一定原則的基礎(chǔ)上具有一定的靈活性。所謂原則，即通過新興技術(shù)的應(yīng)用，解決問題、提高效率、創(chuàng)造價(jià)值;所謂靈活，即拋去既有思維定式和習(xí)慣，重新審視、選擇和建立切實(shí)可行的技術(shù)體系、總體理念和執(zhí)行平臺。在此基礎(chǔ)之上，對裝配式和BIM這兩大技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)、推廣和新技術(shù)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的落地，最終實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化與信息化的良性發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：曾晶）