基于BIM技术的装配式建筑设计及施工管理
时间：2023-03-10 17:00:08 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李孟建
（广东省建筑设计研究院有限公司 广州 510010）
为减小建筑业碳排放，国家大力推广装配式建筑。装配式建筑在实施过程中因构件节点精细化程度，各专业施工时间节点交叉等要求存在一定的问题。而运用BIM 技术建立的精细化三维模型恰好解决了此类问题，极大地提高了施工效率、施工质量，有效降低建筑的碳排放。
刘杰等人［1］运用BIM 工具对一超高层建筑项目施工实施了智慧化管理，显著提升了施工质量、安全和生产等方面的协同配合，施工管理更加精细化。钟文深等人［2］在某办公建筑中以BIM 工具为基础，建立了信息化管理体系，提高了公共建筑施工管理效率。周斌［3］在装配式建筑中运用BIM 工建立三维模型，优化不合理施工节点，解决了施工各专业交叉问题。汤易之［4］分析了BIM 工具在智慧工地中的作用，并介绍其在成本管理和进度管理中的应用。毕天平等人［5］基于BIM 和3DGIS 技术，采用revit 工具开发出城建信息化平台，对建筑项目的科学化、信息化、高效化和智能化有很大提升，进一步促进了智慧城市的发展。本文主要分析BIM 工具在装配式公共建筑中的处理复杂节点深化设计、各专业施工交叉问题，及其后期使用维修等问题。
BIM（Building Information Modeling）技术简称“建筑模型信息化”，于1974年由美国查克伊士博士提出，其后经过几十年的发展，技术逐渐成熟，并被应用于各类工程项目中。BIM 技术于2002年被引进我国，并被大力推广［6］。BIM 技术被当做一门学科，在我国的建筑行业信息化发展过程中起重要作用。建筑工程项目的全生命过程中，不同阶段不同专业的施工，可以通过BIM 技术进行信息共享、信息互换和协同工作，为建筑项目的建设和运营带来革命性变革。而且，由于BIM 技术的应用，建筑项目建设的各个阶段可有效减少错误和风险，对降低项目成本造价有显著作用，具有较大的商业价值。
装配式混凝土建筑最早出现在1875 年英国的某承重骨架上安装预制混凝土墙板［7］。日本于1986 年提出装配式建筑以适应住房需求的多样化。美国于20世纪70年代出版了第一版《PCI设计手册》，开始将混凝土构件预制施工和机械生产［8］。20 世纪60 年代装配式建筑在我国开始快速发展，到80年代已有上万家预制加工工厂［9］。其后，由于唐山大地震影响，国内装配式建筑的发展一度中断。从2008年开始，我国装配式建筑的设计及建造准则逐渐完善，随着技术的不断发展，装配式建筑被大力推广。装配式建筑具有标准化设计、工厂化生产、装配化施工等特点，与我国绿色发展的理念也刚好相符。
传统建筑项目模型很难适应目前高标准的绿色发展理念，装配式建筑的构件标准化和施工信息化刚好与BIM 技术的优势完美契合，大力促进了装配式建筑的发展，两者的相互融合有效提高了项目的设计、深化和施工效率，为建筑的实施提供了新的发展模式。装配式建筑最核心的环节是建立一整套具有适应性的模数以及模数协调原则。设计中据此优化各功能模块的尺寸和种类，使建筑部品实现通用性和互换性，保证房屋在建设过程中，在功能、质量、技术和经济等方面获得最优的方案，促进建造方式从粗放型向集约型转变。
装配式建筑标准化的关键点体现在对构件的科学拆分上。预制构件科学拆分对建筑功能、建筑平立面、结构受力状况、预制构件承载能力、工程造价等都会产生影响。将“标准化，模数化”的设计理念贯彻到构件的拆分尺寸。预制装配式建筑设计采用建筑标准化、系列化设计方法，采用少规格、多组合的原则，做到基本单元、连接构造、构件、配件及设备管线通用化。在方案阶段就事先考虑到装配式拆分连接对户型尺寸的影响。实现建筑方案与装配式设计同步进行。预制装配式建筑，最大程度采用大开间、大进深形式，构件可以划分相对规则同时提高施工功效；
平面布置力求简单、规则，避免过大的凸出和挑出部分。其次对于预制构件的选择可根据装配率的条件综合分析对构件的选择次序进行优先考虑。
本项目位于广州市白云区人和镇，项目用地面积约101万m2，总建筑面积约228万m2。项目全部采用装配式建筑，主要功能包括住宅、配套商业、幼儿园、中小学、老人福利院、家庭综合服务中心、社区卫生服务中心、社区少年宫、文化站、公交首末站等。建设内容还包括相关室外配套工程、管线迁改及红线范围内的规划市政道路及规划市政绿地工程等建设。
项目依托设计院技术优势，采用BIM技术进行正向全过程模式设计。依据三维可视化模型和构件模块化的设计，可得到统一的数据模型。在此三维信息化管理平台的基础上，各个专业之间可实现无缝对接和协同工作，各专业在设计过程中也可实现空间优化及交叉碰撞处理，确保设计效果与品质提升。本项目效果如图1所示。
图1 项目效果Fig.1 Project Renderings
3.1 建筑装配率解析
项目按《装配式建筑评价标准：广东省标准DBJ/T 15-163—2019》规定［10］，本项目各栋单体塔楼装配率均≥50%，符合基本级装配式建筑要求。项目装配率计算如表1所示。
表1 装配式建筑评分Tab.1 Prefabricated Building Scoring
3.2 技术体系
本项目全过程采用BIM 正向设计模式，从方案设计开始融入装配式建筑专项设计要求，智能化生成工程产业链所有装配式构件深化设计图纸，设计出建造成本和施工周期远低于广州和全国行业平均水平的装配式建筑设计成果，将BIM 技术与装配式建筑设计结合，将构件信息关联至实体模型中，从而达到图模一致，数模一致，形成图模一致及数模一致的装配式建筑BIM 模型支撑广州CIM（城市信息模型）示范，提高设计精度和设计效率，典型单体塔楼模型如图2所示。
图2 BIM三维模型Fig.2 BIM 3D Models
塔楼设计过程中，结构楼板采用双向叠合板，通过分缝连接设计，将原有双向及单向板划分成模数一致的标准化叠合板。预制叠合板厚度为60 mm，现浇层厚度大于70 mm，以满足现场穿管线要求，同时保证楼板上层有附加筋时钢筋保护层厚度满足要求。通过BIM 指导叠合板锚固端的预埋精确定位，电气专业在叠合板内预埋接线盒，给排水地漏、立管在叠合板内预埋止水节，保证防水效果。
通过BIM 软件精细化建模，调整布置好所有的机电管线，避免各管线之间的打架现象，实行公共走道管线模块化。在施工安装时，通过装配式支架进行支撑管线，将管线按图纸进行布置。通过调整卫生间中的管道，使其合理布置，保证各个管道之间不出现打架，实行装配式卫生间的模块化。基于BIM 模型可实现管线综合、工厂预制加工、现场组装等多种技术的机电预制装配。
塔楼核心筒楼梯采用预制楼梯，上端采用固定铰支座，下端采用滑动铰支座，结构抗震可不考虑其斜撑作用，考虑罕遇地震作用下结构的层间弹塑性位移，梯段两端与主体结构预留30 mm变形缝，如图3所示。预制楼梯踏面转角处宜设置倒角，防滑构造在预制厂一次成型。
图3 预制楼梯支座大样Fig.3 The Detail of Prefabricated Stair Supports
3.3 施工及BIM技术应用
整个项目团队从设计源头出发，利用差异化思维，满足开发商保质量、控成本、优进度、控风险、技术创新的要求。基于BIM 技术的信息化系统可实现全产业链协同管理，降低PC 构件设计、生产、装配施工等环节的成本。成功研发出叠合板体系下的悬挑架施工工艺，通过BIM 技术指导叠合板锚固端的预埋精确定位，配套先进制造工艺，实现悬挑架叠合板标准化设计、快速安装，如图4所示。
图4 外挑架BIM模型Fig.4 Exterior Pick-up BIM Model
塔楼均采用铝模，使用工具式提升脚手架和铝合金模板，普通标准层施工工期可达到一层/10 d。由于采用工具式提升脚手架和铝合金模板施工技术，塔吊的使用频率大大降低，传统钢管脚手架需要层层吊运钢管扣件，木模施工也需要层层吊运模板，而工具式提升脚手架只在搭设时需要使用塔吊，铝合金模板则通过洞口层层传递。因此，塔吊使用主要用于吊运PC构件以及钢筋，如图5所示。
图5 PC构件吊装施工Fig.5 PC Component Hoisting Construction
此外，为推广施工BIM 应用，项目研发团队还帮助运营维护管理系统实现数据集成。通过在设计BIM模型基础上，开展施工BIM图纸会审、施工管综应用、方案模拟、施工场布、细部深化、可视化交底、算量统计、进度和成本管控等，实现BIM 技术在施工阶段全过程中应用，实现项目管控可视化和精细化水平。
目前我国装配式建筑还处于高速发展阶段，BIM技术对装配式建筑的发展起着不可代替的作用。本文通过实际项目示例，说明BIM 技术于装配式建筑的完美融合，为项目施工提供很大便利。通过BIM 技术将建筑模型信息输送到实体模型中，达到图模一致，精细化的模型可解决设备管线的交叉及在混凝土中精确定位预埋问题。通过BIM 技术还可为施工措施提供有效技术措施，极大地提高了施工准确率，降低了工程造价方面的误差率。
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