BIM技术在装配式建筑地下工程设计与施工研究

朱未 张一鸣

（1.武汉船舶职业技术学院，湖北武汉430050；
2.山河建设集团有限公司，江苏徐州221000）

当前，装配式建筑的发展日新月异，装配式混凝土建筑相比于传统建筑模式而言，具有本质上的优势，成为应用广泛的装配式建筑结构形式[1]。随着建筑信息化的要求不断变化与发展，基于BIM概念和技术的装配式建筑在工程中也逐渐丰富起来，越来越多的设计和施工过程采用BIM技术，并且获得信息技术使用的收益。

对装配式建筑的BIM技术研究中，胡佳星等基于BIM技术为主要建模软件的环境下，分析了以SolidWorks为新建模、组装模型软件的开发应用[2]。潘敏华对采用等同现浇设计的装配整体式混凝土框架的结构设计要点进行总结，为装配式混凝土框架的设计提供参考[3]。王雪飞从预制装配式剪力墙施工技术与质量控制方面，顾玉萍从装配式建筑发展及其节点连接施工技术方面分别开展研究。以上的研究丰富了装配式建筑的理论研究基础，但是我们也发现基于BIM技术的装配式建筑施工方法的研究还略显不足。

装配式建筑从房屋建设的模式和生产方式上与现浇混凝土建筑有着很大的差别，直接影响了建筑的技术水平、生产工艺、管理水平、生产能力，运输条件，建设周期等方面。同时，BIM技术的应用也给建筑设计与施工带来了很大的变化，与现浇结构相比，基于BIM装配式建筑有着以下几个方面的优势：

精细化的设计施工流程。装配式建筑设计流程更加复杂，施工过程更加精细，在传统混凝土结构施工的基础上，增加了预制构件加工图设计与生产过程。

标准化设计与施工。针对建筑工业化的要求与标准，通过标准化的设计施工实现建筑、部品与构件之间的统一，实现生产施工标准化，实现建筑、结构、设备等设计的一体化。

协同一体化。通过BIM技术开展设计施工协同，能够有效地利用BIM技术，打破各参与单位沟通协同障碍，做到主体结构、机电设备、综合管线、设计变更、施工组织的协同配合，优化整个过程。

信息化管理与成本控制。利用BIM技术所带来的信息化优势，充分表达建筑物的几何、物理和功能信息，例如，装配式构件或部品信息能直接成为构件生产加工依据，从设计阶段到施工生产，构件拆分环节的优劣直接影响最终成本控制，而BIM信息化手段能将这一过程前置，起到节约成本的目的。

本文以某湖.云山居项目为例，该项目总建筑面积274266.94㎡，可建设用地面积92906.07㎡，地上建筑面积195984.51㎡地下建筑面积78055.00㎡。住 宅136351.88㎡，商业52627.10㎡，配套5220.14㎡，总户数1146户。图1为某湖.云山居项目项目概况图。

图1 某湖.云山居项目项目概况图

该工程的地下工程在实际施工过程中存在以下问题：

（1）施工过程风险点多，隐患大，给施工造成了一定困难。比如，在预制构件的生产、运输、吊装的过程，因预制构件自重大，在施工时存在一定风险和困难。此外，竖向预支构件连接采用灌浆套筒或浆锚连接，给装配式建筑墙体带来压力，导致装配式建筑地下墙体渗漏风险加剧，灌浆质量也很难保证。同时，构件水平位置缝，通过灌浆方式连接，因不是整体浇筑，很难保证不漏水漏浆，建筑整体防水性能下降严重。

（2）多专业协同过程中存在沟通不畅，设计、施工一体化信息衔接问题比较突出。比如，建筑，结构与设备之间在按图施工过程中存在的错漏碰缺，这些问题导致较多的设计变更，同时辅助设计的加入，设备管线与结构净高问题的发生，对于提升沟通效率和设计质量，验证、优化施工图设计提出了挑战，为保障后续施工顺利进行，需要做大量的前期准备工作。

（3）从业人员素质与现实施工之间存在差距，导致施工质量得不到保证。一线施工人员是装配式建筑施工质量控制的关键因素，这与装配式建筑施工特点有很大关联，例如，BIM技术带来的施工信息化需要从业人员转变思路，提高技术服务水平，对目前行业发展水平来讲，存在一定挑战，此外，施工工法也提高了难度，例如利用坐浆法施工，泥浆灌注的质量影响后续模板安装和钢筋连接。以上这些问题都需要从业人员从自身综合素质方面做到提升，合理安排施工作业，对于整体项目的施工质量和性能起着决定性的作用。

（1）初步设计阶段

装配式建筑设计是确保后续施工过程连续可靠和建筑工程质量的基础。依据施工现场对自然环境和工程地质等方面的大量的分析和科学研究。本项目提出以BIM技术构建装配式建筑模型，使用数据可视化创建该项目的建筑、结构与机电模型，如图2。其中其中建筑主要表现墙体、门窗等，结构主要表现预制梁板柱等，室内二次装饰、结构钢筋不建模，结构钢筋力学分析采用结构分析模型，如图3，实线为结构力学分析线，该线条是地下结构主要受力情况的简化模型。室内机电管线模型达到管线综合优化的标准，包括所有机电明装主管道的尺寸、路由、阀门管件等。

图2 云山居项目地下工程建筑（左一）与结构模型示意图

图3 云山居项目地下工程结构力学分析模型

通过BIM技术构建的三维模型，建设单位能够更直观地发现建设项目投资过程中资源消耗点和风险控制点，及时纠正设计过程中可能出现的问题，在施工前发现问题，避免不必要的设计变更，提高管理决策水平，使建设单位投资能尽可能精准有效，工程质量也能得到保障。

（2）设计校核阶段

云山居项目地下工程设计校核阶段一共包含综合审查与易错点检查两个类别，共计五个子类别及17项审查内容，如表1。

表1 云山居项目设计校核内容

装配式建筑设计校核阶段，在信息模型设计之后，可能出现多种类型的问题，云山居项目主要问题包含两个土建与机电设备两大方面其中项目土建部分经过设计校核一共发现了18项综合检查类问题，机电设备存在12项易错点检查类问题。通过校核阶段的检查，我们可以将装配式建筑常见问题归纳总结为以下几类：

1 ）预制构件碰撞或连接问题。预制构件设计完成之后，在组装拼接过程中可能会出现预制构件与现浇结构冲突碰撞的问题，例如B1层1-H轴网上预制梁与14,15,24号现浇柱对预制梁高度未标明，梁板未搭接，这种问题特别容易发生在拐角、标高变化部位，设计人员由于工作量比较大，导致设计缺陷。如图4所示，门厅的左侧梁未注明升高，梁板不搭接，在图中可以明显看出，预制梁深入现浇柱结构内部，并且高度尺寸未标注，施工时，容易产生延误，工程量统计时，深入现浇结构部分也会被重复统计，造成工程量误差，对预算不利。

图4 B1层1-H轴网上预制梁与14，15，24号现浇柱碰撞位置简图

2 ）留洞类问题。设计过程中，模型与图纸表达不一致，产生设计信息缺失，导致图纸与实际情况不符，这种问题通常出现在设计人员对规范标准理解不透的时候，信息缺失导致设计缺陷，例如图5，1-C与1-L轴网墙体与1-B轴网与1-D轴网处56号预制柱形成封闭空间，该空间无门洞连通，形成建筑死角，经设计人员开展资料审查与比对，发现设计文件将此范围标注为非人防区域，未注明板厚，且此区域梁无尺寸标注，实际情况是地下部分为地下人防电站，应表示为人防设施，同时要设置门洞，方便后期电站维修。

图5 1-C与1-L轴网墙体与1-B轴网与1-D轴网处56号预制柱封闭空间示意图

3 ）净高不足的问题。土建部分与机电设备部分协同中，存在大量错综复杂的机电设备管路，通风管，排水管，输电线路管道，因在垂直上下范围上叠加，同事地下人防工程因标准需要要满足国标要求，在布置过程中，容易产生问题。如图6所示，1/D-78号预制柱轴交1-D轴交汇处，层高3600mm，梁900mm，风管厚320mm，梁下50mm安装，风管底面距建筑面2300mm，不满足2400净高要求。经设计校核之后发现，人防梁无法修改，局部净高只能做到2200mm，因此，在后期运维过程中，此位置不宜设置车位或放置超高设备。

图6 1/D-78号预制柱轴与1-D轴交汇处净高示意图

（3）深化设计阶段

本项目中，建筑与结构设计部分在设计校核阶段能够解决后续施工中的绝大多数问题，但机电设备部分的问题在校核之后还有着管道优化设计这一问题。机电设备管道线路的排布位置十分关键，如果无法精准定位管线的固定位置，那么精度不够，就会影响到工程的整体质量，导致工程质量不合格，出现二次返工[4]。云山居项目作为装配式建筑中，其机电管道施工方法和传统的浇筑施工方法在应用过程中有一定相似性，但也存在差异，其深化设计主要表现在为管道综合设计与净高配合设计上。本项目大面积层高3600mm，大部分梁高800mm，梁下净高2800mm，风管厚320mm贴梁底安装，风管底2480mm，预留80mm安装喷头及支架，管底2400mm，桥架、给水管、消防管与风管一层敷设，在梁窝内上翻，满足车道2400mm净高要求，如图7所示。

图7 云山居地下工程立面结构示意图

在装配式建筑中，机电设备安装环节包含了设备的主体部分安装、线路分布和设计等[5]。本项目满足2400mm净高要求从实际角度出发是为了方便后期车位车道的设置，从实际出发，对管道设计走线进行优化，如图8所示。地下工程7#楼地下门厅附近顶部管线在深化设计之前，通风管，排水管，电线管路等上下堆叠，影响到管线下方2400mm净高要求，我们通过改线的方式，将排水管，电线管路移动至预支结构梁平行位置，不仅能为通风管腾出垂直空间，同时，也不影响其他管线的输送排放，一般管线深化设计时需要对线路全局把握清楚，同时对地下工程各结构段大底板标高分布图要有清晰认识，统筹考虑之后，完成优化。

图8 7#楼地下门厅综合管线优化前后对比图

当前，BIM技术在装配式建筑上的使用领域在我国不断扩大，并且已经取得了比较明显的成效，使建筑建造更加高效、绿色。本文通过对云山居项目装配式建筑地下工程的设计过程开展研究，发现BIM技术能为全方位了解后续施工过程可能面对的问题，做到事前预防，把信息化设计与现实施工相结合，实现经济效益最优解，为提高建筑工业化，标准化及信息化生产起到良好的促进作用。

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