BIM技术在装配式建筑中的一体化集成应用
发布时间：2021-01-05
[摘要]从BIM技术应用特点和装配式建筑一体化集成应用关键问题出发，探讨了基于BIM技术的装配式建筑一体化集成应用原则和内容，结合盛江花苑项目和济南通信枢纽楼项目，对BIM技术在装配式建筑一体化集成应用各阶段以及生产、施工和运维阶段的应用场景做了介绍。通过BIM技术可实现装配式建筑一体化集成应用及全过程管理，有力保障了装配式建筑的顺利实施。
[关键词]BIM技术;装配式建筑;一体化集成应用
0引言
装配式建筑是用预制部品部件在工地装配而成的建筑[1]。装配式建筑在提高建设效率、提升建造品质的同时，也对建设各阶段的一体化集成应用提出了更高的要求，正在由分散式技术运用向集成式技术运用转变。目前装配式建筑的建设管理信息化水平还比较低，全过程信息化管理平台的应用非常少，阻碍了建造信息的有效传递，影响了建造质量和效率。
建筑信息模型(BIM)是对建筑工程物理特征和功能特性的数字化表达。其有效解决了信息传递的障碍，提供了可进行数据交互的三维可视化管理平台，通过此平台让项目各方参与到建设全过程，实现各专业、各环节、各参与方的信息集成，可以提升装配式建筑的信息化水平，发挥装配式建筑工业化集成建造优势。
住房和城乡建设部要求加强BIM技术在装配式建筑中的应用，推进BIM的建筑工程全生命周期管理，促进工业化建造。重点研究BIM的集成设计系统及协同工作系统，实现各专业信息的集成与共享。
鉴于上述情况，本文从BIM技术应用特点和装配式建筑一体化集成应用关键问题出发，探讨基于BIM技术在装配式建筑中一体化集成中的应用。
1BIM技术在装配式建筑中的应用现状
1.1应用范围
BIM技术对于建筑行业是一个革命性的飞跃，BIM技术可以广泛应用于各类型的装配式建筑中，比如装配式混凝土结构、装配式钢结构、装配式木结构等，现阶段BIM技术在装配式混凝土结构中的应用较为广泛。另外，BIM技术还可以广泛应用于项目全寿命周期的各个阶段，比如设计、生产、施工、运维等。
1.2应用广度
装配式建筑在建设全过程中尝试应用全专业正向BIM协同设计[2]。目前在设计阶段的针对性应用点主要包括预制构件的拆分、预制率的统计、管线优化及碰撞检测等。在施工阶段依据BIM模型对施工场地预制构件的堆放和施工装配进程模拟，提前做好施工规划。
2装配式建筑一体化集成应用关键问题分析
2.1装配式建筑一体化集成应用方法研究与应用不足
目前装配式建筑一体化集成应用方法研究与应用有如下不足:一是装配式建筑各构成系统的一体化、集成化设计不足。设计师对装配式建筑技术特点及建造控制要求的理解程度较低，多注重装配式结构，忽视与建筑围护体系、机电设备体系、装饰装修体系、预制产品体系的集成应用，各专业协同设计能力较低。二是通用化设计程度低，模块化设计应用少。虽然注重了部品部件的标准化，但对部品部件及模具的通用化关注度较低，不同项目模具不能通用，需重新开模，成本居高不下。同一项目户型、节点种类很多，缺少模块化组合应用。三是适宜性考虑不足，针对性不强。为了片面满足预制率、装配率的指标要求，忽视项目实际情况。部分技术措施的选用增加了项目建设成本，甚至降低了结构体系的安全性。加上对规范和标准的理解存在偏差，直接影响到对建筑、结构、机电、装修等专业领域的整合，更进一步影响到对设计、生产、施工、运维全生命周期的统筹。
总体来说，装配式建筑具有系统性特征，而装配式建筑一体化集成应用方法发展滞后，导致装配式建筑各系统设计缺少协同，各建造环节缺少贯通。
2.2装配式建筑信息化应用水平不高
基于BIM技术的全生命周期信息集成与共享、协同管理平台开发与应用不足。在当前阶段，由于BIM技术在装配式建筑领域相关政策法规和标准不完备，还未制定针对装配式建筑的BIM设计、施工、交付、评价等标准，以及专业化应用软件不成熟等原因，BIM技术在装配式建筑领域的推广应用仍存在阻碍。
一方面，装配式建筑领域一体化集成应用还未充分实现，BIM技术多应用于传统建筑应用领域，集成应用少。另一方面，BIM技术阶段性应用较多，系统性应用较少。而BIM的一体化集成应用，特别是与项目全过程管理平台的结合还较少。要提高BIM技术应用水平，就需要采用一体化集成应用方法，紧密结合BIM协同设计工作平台。
总体来说，装配式建筑的设计技术体系信息化程度不够高，一体化集成应用不足。针对复杂巨系统，应用传统设计方法及项目管理手段，进度、质量、成本难以有效控制，不能充分实现装配式建筑工业化集成建造的优势。目前基于BIM技术的集成设计方法及协同管理平台仍需完善，BIM技术应用水平还有待进一步提高。
3基于BIM技术的装配式建筑一体化集成应用原则
装配式建筑主要包括建筑、结构、机电、装修四个子系统，它们各自既单独自成体系，又共同构成一个复杂巨系统[3]。只有通过一体化集成应用，才能实现装配式建筑的系统性装配和工业化建造。
基于BIM技术的装配式建筑一体化集成应用原则主要包括:
模块组合原则:按照通用化、标准化的设计要求，将装配式建筑各构成系统划分为不同层级及功能的模块单元，实现相同层级及功能模块单元间的重用与互换、不同层级及功能模块单元间的衔接与组合，形成合理高效的建筑平面布局、结构体系、机电系统及装饰系统等。部品部件的深化设计注重少规格、多组合，既确保构件及模具的通用性，满足工厂化生产、装配化施工的要求，又可在模块组合的基础上满足装配式建筑个性化的形象需求。
系统协同原则:装配式建筑设计中注重三方面的协同。功能协同:建筑功能与结构体系、机电系统等的协同。空间协同:建筑、结构、机电、装饰等不同专业间的空间协同。接口协同:基于BIM技术的各专业模型接口标准化。
因地制宜原则:应综合考虑装配式建筑的各项基础条件及项目特点，因地制宜地选用技术措施，遵循“集成优先、主动优化”原则进行设计。选用针对性技术措施，在优先考虑装配式建筑四个子系统技术措施集成应用的前提下，根据BIM模型对系统进行主动优化，制定合理的预制装配率指标，完善构造及建造措施，实现经济、安全、高效的建设目标。
4基于BIM技术的装配式建筑一体化集成应用内容
装配式建筑的一体化集成应用，是指在装配式建筑的设计中，在满足建筑功能和性能要求的前提下，通过整体策划，采用结构系统集成技术、外围护系统集成技术、设备与管线系统集成技术、内装系统集成技术和构造系统集成技术。实现建筑、结构、机电、装修系统一体化，设计、生产、施工、运维阶段一体化。
对于装配式建筑来说，基于BIM技术的一体化集成应用包含多方面的集成、多专业的配合。首先，是建筑信息的集成。在设计过程中，通过整合各个专业的设计要素来提高效率及准确性。其次，集成各专业设计人员及各参与方密切配合，把形式、功能、性能和成本结合在一起，进而降低成本并提高效益。最后，需要从软件和硬件条件两个方面进行技术支持，建立适合装配式建筑特点的数据库及项目管理平台。
一体化集成应用是工厂化生产和装配化施工的前提，一体化集成应用的关键是做好各专业、各环节的协同。装配式建筑一体化集成应用主要内容包括:
(1)结构系统集成设计:采用功能复合度高、通用化的预制部件进行集成设计。优化部品部件规格，满足部件加工、运输、堆放、安装的参数要求。
(2)外围护系统集成设计:应对外墙板、幕墙、外门窗、阳台板、空调板及遮阳部件等进行集成设计。
(3)设备管线系统集成设计:管线与管井应综合设计、集中布置，管线应预留、预埋到位。选用模块化产品，标准化接口，并为功能调整预留扩展条件。
(4)装修系统集成设计:室内装修与其他专业设计同步进行，采用支撑体与填充体相分离、设备管线与结构相分离等集成技术。采用装配式楼地面、墙面、集成吊顶、集成式厨房、集成式卫生间等部品系统。
(5)构造系统集成设计:结构系统与外围护系统宜采用干式工法连接。部品部件的构造连接应安全可靠，构造措施应满足施工安装及建筑性能要求。
5基于BIM技术的装配式建筑一体化集成应用
5.1装配式建筑技术策划阶段
在充分了解项目定位、建设规模、预制装配率目标、成本限额等影响因素的情况下，制定合理的技术路线。对技术选型、经济性和适宜性进行评估，对项目所在区域的构件生产能力、施工装配能力、现场运输及吊装条件进行评估。通过BIM技术与GIS技术有机结合，在盛江花苑项目中首先利用无人机倾斜摄影技术，对拍摄的照片进行点云数据分析(图1)，在此基础上建立场地BIM模型，最终对场地内既有建筑和城市GIS系统中的交通运输流线做好规划分析。
5.2装配式建筑方案设计阶段
在装配式建筑方案设计阶段，应做好建筑平面布局、立面构成及空间设计，满足使用功能及设计要求。在盛江花苑项目中对采用的预制构件类型、连接技术提出设计方案。建立并构建装配式建筑各类预制构件的“族”库，进行装配式预制构件的标准化设计[4]，以遵循“少规格、多组合”的工业化建筑设计理念。
5.3装配式建筑初步设计阶段
在装配式建筑初步设计阶段，基于BIM协同设计平台，各专业可高效地进行数据交互、细化和落实技术方案。在预制装配率指标统计、预制构件拆分、设备管线预留预埋、建设成本评估等环节，BIM协同平台可以便捷、准确地进行专业协同和指标分析。
相关期刊推荐：《建筑结构》杂志，于1971年经国家新闻出版总署批准正式创刊，CN:11-2833/TU，本刊在国内外有广泛的覆盖面，题材新颖，信息量大、时效性强的特点，其中主要栏目有：钢与组合结构、混凝土结构、地基与基础等。
盛江花苑项目(图2)，总建筑面积35万m2，为装配整体式剪力墙结构，预制率指标要求不低于30%，“三板”应用比例不低于60%。在初步设计阶段，各专业设计师通过BIM协同设计平台，准确地进行预制率指标及“三板”应用指标统计。遵循模数和模数协调标准，按照少规格多组合的原则，同时考虑运输、吊装、堆放等因素进行预制构件的拆分(图3)。经过BIM协同设计平台的优化，单体预制叠合板的规格由25个减少为19个，预制剪力墙的规格由13个减少为9个，预制空调板规格由3个减少为1个，预计节省建造成本10元/m2。
5.4装配式建筑施工图设计阶段
在盛江花苑项目中，对地下室及地上装配式住宅部分的机电管线进行了基于BIM三维场景的优化调整。在保证人形通道净高不低于2.2m的前提下，充分考虑检修及安装空间，对碰撞在一起的管线进行了重新排布和翻弯调整(图4)。并优先采用主体结构集成技术、外围护结构集成技术、机电设备系统集成技术、室内装饰装修集成技术。
5.5装配式建筑预制构件深化设计阶段
土建深化设计应用BIM技术:基于BIM模型进行预制构件拆分、预制构件计算、构造节点设计、预留预埋设计、预制构件之间及其与现浇部分的碰撞检测、深化设计图生成以及预制构件混凝土体积重量和预埋钢筋规格长度等指标统计。通过对已完成的预制构件BIM模型进行深化设计，布置钢筋及各类预埋件，形成预制构件拆分图、装配图、预制构件深化设计图。
机电深化设计应用BIM技术:基于机电BIM技术进行设备选型布置、碰撞检测、管线综合、净空控制、参数复核、支吊架设计及荷载验算、机电管线孔洞预留预埋定位及出机电深化设计图等。
通过自主编程开发的Revit插件，对盛江花苑项目中的预制叠合梁进行了钢筋参数化三维建模(图5)，钢筋模型可控制预制梁的加密区与非加密区长度、箍筋间距、纵筋直径及间距等参数，从而辅助本项目出构件大样图纸，提高预制构件深化出图效率。
通过将盛江花苑装配式项目中同一节点处的多根预制叠合梁、现浇柱的钢筋在Revit中进行建模(图6)和拼装，并导入Navisworks中进行钢筋碰撞检测，发现多处现浇柱纵筋应采用更大直径的钢筋(?22)，以减少纵筋数量，避免和预制叠合梁的外伸钢筋冲突。
5.6装配式建筑预制构件生产加工阶段
在生产阶段，通过BIM技术实行部品部件生产管理信息化，实现设计信息与生产制造的直接对接。以预制构件BIM模型为核心，以计算机辅助制造(CAM)为手段，以生产信息化管理系统(MES)为工具，以物联网(IOT)为媒介，通过BIM技术为设计院和构件厂提供了可以进行数据传递和交互的平台。数字化的预制构件信息为构件厂的自动化生产提供了可能。基于预制构件加工BIM模型，生成预制构件加工图。完成模具设计与制作、生产材料准备、钢筋下料及加工、预埋件定位、编码设置等预制构件生产加工工作，添加生产及运输等信息，传输至构件厂的生产管理信息系统，提升生产效率和产品质量。
5.7装配式建筑施工阶段
在济南通信枢纽楼项目的施工准备阶段，以BIM模型为基础进行施工交底和施工场地规划。采用BIM对预制构件的吊装及塔吊位置、堆场范围进行模拟(图7)，将施工安全问题提前排查，优化施工工序，保证施工顺利进行。——论文作者：吴大江
