黃 澤，何 娟，歐陽偉，劉津成，林穎群，程從密

(1. 華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510640；2. 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；3. 廣州市建工設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510030)

0 引言

裝配式建筑是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)等主要部分采用預(yù)制部品部件集成的建筑[1]，國家和地方均出臺相關(guān)政策支持推廣裝配式建筑。BIM技術(shù)(建筑信息模型)是用于建筑工程相關(guān)三維圖形輔助的設(shè)計工具，是對建筑工程物理特征和功能特性的數(shù)字化表達[2-3]。

裝配式深化設(shè)計是在已有建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上繼續(xù)深化設(shè)計，以滿足裝配式建造所需的設(shè)計深度，主要包括裝配率計算、預(yù)制構(gòu)件拆分、預(yù)制構(gòu)件節(jié)點連接設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件間混凝土和鋼筋碰撞檢查、預(yù)制構(gòu)件鋼筋圖及模板圖設(shè)計等。

裝配式建筑深化設(shè)計與BIM技術(shù)相結(jié)合可發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。裝配式深化設(shè)計圖紙工作比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作量大，若按原有設(shè)計模式，將耗費大量人力物力，增加工程設(shè)計時間與成本。為縮短設(shè)計工期、提高出圖質(zhì)量穩(wěn)定性、降低設(shè)計成本，將BIM技術(shù)應(yīng)用到裝配式建筑深化設(shè)計中，且全專業(yè)BIM協(xié)同向設(shè)計發(fā)展是大勢所趨。

現(xiàn)結(jié)合華南理工大學(xué)廣州國際校區(qū)一期工程中學(xué)生宿舍裝配式項目，分析深化設(shè)計過程中的BIM技術(shù)應(yīng)用情況與技術(shù)優(yōu)勢，同時對BIM技術(shù)出圖精度及深度不足部分提出改進建議，力求早日實現(xiàn)裝配式建筑BIM技術(shù)高效生產(chǎn)。

1 工程概況

該宿舍采用裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)體系，總體效果及標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖1，2所示。學(xué)生宿舍地下室及1,2層為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，3層及以上為預(yù)制樓層。塔樓裝配率>60%，采用預(yù)制柱、預(yù)制主次梁、預(yù)制疊合板、預(yù)制外墻、預(yù)制梁墻一體、整體預(yù)制沉箱及預(yù)制樓梯等構(gòu)件。根據(jù)GB/T 51129—2017《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》，可評價為A級裝配式建筑[4]。

圖1 學(xué)生宿舍效果

圖2 學(xué)生宿舍結(jié)構(gòu)平面

2 BIM技術(shù)在裝配式深化設(shè)計中的應(yīng)用

BIM技術(shù)在設(shè)計階段主要應(yīng)用于在裝配式建筑方案策劃優(yōu)選、建筑模型拆分、裝配率計算、構(gòu)件深化設(shè)計、各專業(yè)預(yù)留預(yù)埋碰撞檢查、預(yù)制構(gòu)件間的鋼筋碰撞檢查等，同時兼顧工程量統(tǒng)計、提供鋼筋預(yù)埋件下料單、深化圖紙自動出圖等問題，有效提高拆分及深化設(shè)計質(zhì)量，減少設(shè)計錯誤，縮短設(shè)計和建造周期[5-6]。通過BIM三維模型整合數(shù)據(jù)，使各專業(yè)協(xié)調(diào)與交流更便捷高效。

2.1 模型拆分方案

2.1.1拆分原則

1)少規(guī)格、多組合 預(yù)制構(gòu)件尺寸遵循少規(guī)格、多組合的原則。本項目以單一宿舍戶型為標(biāo)準(zhǔn)，對項目內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，使標(biāo)準(zhǔn)宿舍僅3種，標(biāo)準(zhǔn)化總面積占比為61.2%。BIM軟件可實現(xiàn)構(gòu)件種類自動歸并，設(shè)定歸并范圍，軟件可按設(shè)定要求進行構(gòu)件分割與數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總，設(shè)計師根據(jù)構(gòu)件種類和數(shù)量評估拆分方式是否滿足項目需求，并根據(jù)實際要求進行調(diào)整。

2)滿足生產(chǎn)、運輸、吊裝因素 由于塔式起重機最大吊重限制，預(yù)制構(gòu)件最大體積及質(zhì)量均有限值。塔式起重機最大起重量受型號和起吊半徑影響，所有預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量不得超過最大限值。在裝配式策劃階段，利用BIM軟件可根據(jù)預(yù)設(shè)限值調(diào)整構(gòu)件拆分形式，以滿足塔式起重機對構(gòu)件的要求。當(dāng)局部特殊位置不能進行智能拆分時，軟件會進行突顯，屆時可人工介入。

3)滿足裝配率要求 本項目要求裝配率達到《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中的A級，拆分過程中使用BIM軟件自動化生成裝配率計算結(jié)果，利于方案快速優(yōu)化和確定。使用BIM技術(shù)得到的裝配率如下：①第1層 豎向構(gòu)件總體積253.71m3，預(yù)制豎向構(gòu)件體積為0，預(yù)制率為0；②第2層 豎向構(gòu)件總體積211.69m3，預(yù)制豎向構(gòu)件體積為0，預(yù)制率為0；③第3層 豎向構(gòu)件總體積201.65m3，預(yù)制豎向構(gòu)件體積為91.97m3，預(yù)制率為45.6%；④第4層 豎向構(gòu)件總體積200.78m3，預(yù)制豎向構(gòu)件體積為91.97m3，預(yù)制率為45.8%；⑤第5層 豎向構(gòu)件總體積200.49m3，預(yù)制豎向構(gòu)件體積為91.99m3，預(yù)制率為45.9%；⑥第6層 豎向構(gòu)件總體積203.55m3，預(yù)制豎向構(gòu)件體積為93.14m3，預(yù)制率為45.8%；⑦第7層 豎向構(gòu)件總體積200.05m3，預(yù)制豎向構(gòu)件體積為83.23m3，預(yù)制率為41.6%；⑧第8層 豎向構(gòu)件總體積200.45m3，預(yù)制豎向構(gòu)件體積為82.65m3，預(yù)制率為41.2%。

2.1.2拆分設(shè)計流程

預(yù)制構(gòu)件拆分及深化設(shè)計依托傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算模型，總體流程為策劃方案、參數(shù)化設(shè)定、模型生成及建立、確定深化構(gòu)件種類、指定預(yù)制區(qū)域、特殊構(gòu)件單獨拆分、進行軟件深化一鍵出圖及下料表等清單。

2.2 裝配評價標(biāo)準(zhǔn)

BIM軟件中內(nèi)置《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》評分表格，表格匯總數(shù)據(jù)含有各評分項的占比及實際得分，同時可實時查找對應(yīng)得分項的預(yù)制范圍，可實現(xiàn)裝配式深化拆分總體控制全過程聯(lián)動。修改項目深化得分項，對應(yīng)評分表進行相應(yīng)改動，可實時監(jiān)控裝配率是否滿足建設(shè)初期的裝配式目標(biāo)要求，避免出現(xiàn)項目變更導(dǎo)致裝配率不達標(biāo)的情況。

2.3 預(yù)制節(jié)點設(shè)計

2.3.1預(yù)制構(gòu)件節(jié)點連接設(shè)計

預(yù)制構(gòu)件節(jié)點連接設(shè)計考慮受力節(jié)點可行性模擬分析及連接節(jié)點碰撞檢查。裝配式預(yù)制構(gòu)件連接等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，BIM軟件在結(jié)構(gòu)滿足受力性能的前提下，設(shè)置常規(guī)的裝配式連接工藝，如鋼企口連接、鋼筋搭接后澆連接等，滿足預(yù)制構(gòu)件節(jié)點連接要求。預(yù)制構(gòu)件不同部位連接節(jié)點模型如圖3，4所示。

圖3 預(yù)制梁柱節(jié)點

圖4 預(yù)制主次梁節(jié)點

2.3.2預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆節(jié)點連接設(shè)計

預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆部分鋼筋間的校核深化不僅考慮深化階段構(gòu)件設(shè)計，還需前置分析現(xiàn)場施工安裝流程，檢測兩者是否能夠順利進行。利用BIM軟件的三維施工模擬，可前置處理并優(yōu)化連接件對位、核心筒現(xiàn)澆模擬、預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆部分施工順序及節(jié)點問題，減少預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件的碰撞。

2.4 預(yù)制構(gòu)件設(shè)計

2.4.1標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計

BIM軟件對標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，如預(yù)制柱、預(yù)制主梁、預(yù)制次梁、預(yù)制疊合板、預(yù)制樓梯、預(yù)制夾心墻板等構(gòu)件均有成熟的深化內(nèi)置，可根據(jù)層高、開間等參數(shù)進行智能化設(shè)置，對預(yù)制構(gòu)件進行精細化分割。并能對接傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，導(dǎo)出結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，建立三維配筋圖，規(guī)避對應(yīng)洞口及預(yù)埋件等避讓部位，實現(xiàn)一鍵出圖功能。

為滿足構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)件族庫可根據(jù)需求進行保留與重復(fù)應(yīng)用，隨著項目增加，逐步形成企業(yè)族庫，進一步發(fā)展為地方族庫。建立構(gòu)件庫不僅提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，同時將設(shè)計階段與下游階段的深化、生產(chǎn)加工形成一體化。

2.4.2非標(biāo)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計

特殊構(gòu)件如整體預(yù)制沉箱、預(yù)制梁墻一體、L形帶懸挑板預(yù)制梁的深化設(shè)計，在BIM軟件中通常沒有數(shù)據(jù)庫，設(shè)計師可根據(jù)設(shè)計要求內(nèi)建族庫，用鏈接的形式插入主體深化模型中。預(yù)制沉箱模型如圖5所示。

圖5 預(yù)制沉箱模型

2.5 碰撞檢查

2.5.1預(yù)制構(gòu)件間的碰撞檢查

根據(jù)結(jié)構(gòu)圖創(chuàng)建節(jié)點處的鋼筋模型后，BIM軟件的碰撞檢查功能將模型節(jié)點中的碰撞位置，通過數(shù)據(jù)列表或高亮顯示等方式區(qū)別表示。設(shè)計師根據(jù)需求進行手動修改，也可由程序進行自動精準(zhǔn)避讓，BIM軟件再根據(jù)圖紙復(fù)核各節(jié)點的碰撞問題是否解決，在碰撞檢查中，預(yù)制構(gòu)件間的鋼筋碰撞次數(shù)最多，共785例，占碰撞總數(shù)的83.2%。

預(yù)制構(gòu)件間的碰撞主要發(fā)生在預(yù)制構(gòu)件的預(yù)留鋼筋部位，鋼筋碰撞最多的是預(yù)制梁柱連接節(jié)點，由于該節(jié)點連接空間較小，而需連接的構(gòu)件數(shù)量較多，所以易出現(xiàn)鋼筋碰撞問題。傳統(tǒng)二維深化圖的碰撞檢查只能規(guī)避水平方向上的鋼筋碰撞，難以發(fā)現(xiàn)縱向空間的鋼筋碰撞問題。BIM技術(shù)采用自動識別功能，可快速檢查各連接節(jié)點水平方向與豎直方向的鋼筋碰撞，并智能化進行鋼筋避讓。

2.5.2預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件間的碰撞檢查

預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件間的碰撞主要發(fā)生在預(yù)制構(gòu)件連接部件上。對預(yù)制柱、預(yù)制剪力墻等豎向構(gòu)件，預(yù)制構(gòu)件連接預(yù)埋件，如灌漿套筒與金屬波紋管等需與連接部位對應(yīng)預(yù)留鋼筋相匹配，包括兩者的坐標(biāo)位置及連接匹配長度均對應(yīng)。對預(yù)制外墻板和預(yù)制整體沉箱等預(yù)制構(gòu)件，則需核對連接件如接合鐵件、鋼企口的安裝位置與連接口位置是否相匹配。

2.5.3整體模型與設(shè)備管線間的碰撞檢查

傳統(tǒng)管線綜合設(shè)計由二維平面確定三維管線的關(guān)系[7]，存在較多缺陷與漏洞，利用BIM三維軟件排布的管線對比傳統(tǒng)二維排布，具有以下優(yōu)勢。

1)管線碰撞有效減少 對比二維管線排布，三維管線排布具有先天優(yōu)勢。另外BIM軟件對樓層凈高控制更精準(zhǔn)，大大減少由于三維碰撞導(dǎo)致的管線避讓，進而出現(xiàn)建筑凈空不足的問題。

2)管線排布安裝順序與設(shè)備管線預(yù)埋協(xié)調(diào) 二維圖示易引發(fā)施工安裝不協(xié)調(diào)問題，增加返工，通過BIM技術(shù)模擬安裝可直觀掌握安裝工藝流程，有效減少返工。

對比傳統(tǒng)項目管線排布，BIM技術(shù)除可避免裝配式項目管線碰撞外，還協(xié)調(diào)設(shè)計預(yù)制構(gòu)件與管線預(yù)埋。傳統(tǒng)項目將部分管線預(yù)埋到現(xiàn)澆構(gòu)件部分，可在項目實施時進行，但裝配式部分設(shè)備管線只能預(yù)先設(shè)置在預(yù)制構(gòu)件中，不能進行后期打鑿，所以BIM對于裝配式項目更具有實用意義。

2.6 構(gòu)件自動出圖

該項目總建筑面積約96 400m2，深化設(shè)計出圖含1 742張A3格式的設(shè)計圖紙，其中只有預(yù)制詳圖不能進行軟件自動出圖，扣除預(yù)制詳圖出圖量后，軟件自動出圖量占圖紙總量的88.69%。預(yù)制樓梯、預(yù)制外墻、預(yù)制疊合板、預(yù)制次梁、預(yù)制主梁、預(yù)制柱、預(yù)制詳圖出圖量占比分別為1%，19%，20%，5%，29%，15%，11%。

根據(jù)參數(shù)設(shè)置要求及不同單位所需的圖紙，可將完成深化拆分的圖紙按不同需求，導(dǎo)出構(gòu)件生產(chǎn)、運輸堆放、吊裝支撐等工況，對應(yīng)不同單位對圖紙的要求。

BIM軟件自動出圖優(yōu)勢如下：①預(yù)制構(gòu)件精準(zhǔn)化算量 出圖階段進行設(shè)計時，構(gòu)件制造所需的材料數(shù)量統(tǒng)計影響構(gòu)件生產(chǎn)加工速度與成本。該技術(shù)難度較低，但耗時長，必須通過軟件優(yōu)化低難度、高重復(fù)工作。②協(xié)同快速修改 設(shè)計整體任務(wù)完成后，生產(chǎn)過程中可能由于多方原因需修改圖紙，軟件自動出圖依托已完成的協(xié)同模型，當(dāng)設(shè)計師修改需要變更的項目部位后，對應(yīng)構(gòu)件型號、匹配的形狀圖、鋼筋圖都會自動進行相應(yīng)修改，有效減少重復(fù)修改產(chǎn)生的工作量。

3 結(jié)語

1)項目各專業(yè)采用BIM協(xié)同技術(shù)，提前規(guī)避專業(yè)間的碰撞問題，同時對宿舍項目中的特殊構(gòu)件，如預(yù)制外墻中的預(yù)制梁墻一體構(gòu)件、預(yù)制整體沉箱構(gòu)件進行建模分析，優(yōu)化拆分形式、加強薄弱部位，有效減少施工中可能出現(xiàn)的問題，提升深化圖質(zhì)量。

2)該項目工期較緊，設(shè)計階段與施工階段信息流轉(zhuǎn)難度大、裝配式深化設(shè)計效率高。通過BIM技術(shù)協(xié)同設(shè)計，有效減少設(shè)計生產(chǎn)吊裝建設(shè)全生命周期的溝通成本及項目改動造成的變更工作量，有效縮短工期、降低建設(shè)成本。此外利用BIM技術(shù)進行碰撞檢查、管線綜合與凈高分析，可全面提升設(shè)計質(zhì)量。

3)通過BIM技術(shù)，可快速完成異形預(yù)制構(gòu)件一體化設(shè)計等，通過軟件進行深化圖輸出，自動出圖率>80%。

4)基于BIM平臺設(shè)計模式，預(yù)制構(gòu)件考慮生產(chǎn)及吊裝后續(xù)深化，構(gòu)件深化模型不僅用于表達深化圖形狀、配筋及預(yù)埋件等，還可用于構(gòu)件生產(chǎn)時的模具深化，增強設(shè)計生產(chǎn)一體化系統(tǒng)性，減少各單位重復(fù)建模。

5)通過軟件自動出鋼筋預(yù)埋件等下料清單，減少構(gòu)件廠對圖工作量，有效提高生產(chǎn)效率。