BIM技术在某装配式节能建筑设计实践过程中的应用研究

王国霖，吴云龙，公厉智，林利钦，陈徐磊

(中建八局第一建设有限公司，山东 济南 250100)

装配式建筑凭借其环保、节能、施工简便等优点在近几年迅速发展[1-2]。国务院及各地住建委均发布了相关文件大力提倡使用装配式建筑[3]。与传统的现浇混凝土结构不同，装配式混凝土在工业化技术应用、设计流程和构件形式等多方面均存在较大差异[4]。目前国内设计院针对装配式建筑的设计方法均为参照传统的现浇结构[5]，一般流程如下：确定结构体系和方案、结构分析、构件设计；
与预制场厂家进行沟通，深化设计，确定施工方法、节点连接和构件形式等内容[6]。但这种方法对预制厂商要求较高，设计时间和流程较为冗长。装配式设计应基于三维设计，充分考虑多专业协调和生产安装等问题。

BIM技术的出现和应用为装配式建筑的设计、生产和施工带来了革命性的变化，BIM技术可以从设计、施工、运维全过程整合各种信息和数据模型，具有关联性、一致性、完备性、协调性和可视化性等特点，可以将项目信息在不同专业和不同时间内高效的共享和传递[7-8]。基于BIM技术可以简化设计流程，可以同时完成普通构件和预制构件的详图，然后将三维设计模型导入加工厂的控制系统，转化成为生产数据信息，而且可以基于精细化模型进行现场结构的装配，从而实现全方位、多角度、系统的数字化项目管理[9]。目前国内设计院主要是以使用国外软件公司BIM解决方案为主[10-11]，比如Bentley、Revit、ArchiCAD、3DMax等，各个软件功能侧重点不同，在不同软件之间进行数据交换较为繁琐[12-13]，而且国外BIM软件本地化工作良莠不齐，未深入参照中国规范[14]。PKPM软件是中国建筑科学研究院自主研发的，针对我国规范进行深入融合的BIM设计软件，其可供电气、暖通、给排水、结构和建筑等全专业使用，可以实现不同专业间的协同设计和无缝衔接[15]。

BIM技术应用广泛，如开展了BIM技术在桶式基础结构设计与施工中的应用研究[16]；
对公路交通BIM应用差异及解决方案进行了研究[17]；
分析了综合设施管理组织BIM应用合作行为系统的6种演化情形[18]；
通过分析发现BIM技术有助于提高桥梁设计的效率和成本[19]；
基于BIM技术对钢筋工程量精细化计算方法进行了研究[20]。本文基于PKPM软件，依托某装配式办公楼实例，研究了该BIM正向设计全过程，包括建立模型、分析计算、拆分构件、连接检查、碰撞检查和施工模拟等。本文基于PKPM软件，依托某装配式办公楼实例，研究了该BIM正向设计全过程，包括建立模型、分析计算、拆分构件、连接检查、碰撞检查和施工模拟等。

某装配式节能建筑是集餐饮、会议和办公为一体的多功能写字楼，共7层，地下1层、地上6层，建筑面积为9 623 m2，此办公楼为丙级建筑，设计使用年限为50年，抗震烈度为7度、结构等级为框架3级。本建筑设计梁截面有350 mm×450 mm、350 mm×650 mm、400 mm×600 mm和400 mm×750 mm等，每层的板厚为20 cm、屋面板厚和现浇层厚12 cm、叠合板预制层厚为8.5 cm；
其建筑的模型如图1所示。

图1 办公楼模型Fig.1 Office building model

建筑模型包括柱板梁等结构构件，各个专业间需要相互沟通，管线、设备、结构和建筑专业需进行同步设计。建筑室外各个角度和室内装修效果图均可以通过PKPM渲染器完成。在进行结构设计时，首先需要完成结构方案的整体计算分析，创建结构模型可通过3种方式：①导入之前的BIM模型，然后对模型进行调整；
②在软件内置的PM模块中实时交互建模；
③导入已有的PM结构模型。

本文建立的办公楼结构模型如图2所示，根据规范进行荷载大小的取值，基本雪压值和风压值分别为0.02、0.55 kN/m2，结构的地震设防烈度为0.1 g(7级)、结构阻尼比为0.05、场地特征周期为0.95 s。写字楼的整体结构计算可参照现浇混凝土结构进行分析，在PKPM软件中可输入常用的控制性指标并得到配筋计算结果，可以根据计算结果调整结构模型。

图2 结构模型Fig.2 Structural model

完成创建模型后，可指定相应的构件在SATWE中进行结构整体稳定分析和计算，计算结果可在软件中以文本、简图等形式呈现。如不满足规范要求，可反复调整参数和模型。本结构的剪重比、刚度比、位移角和位移比等结构整体控制指标计算结果如图3所示。

(c)最大层间位移角简图

(d)位移比简图

(e)振型周期简图图3 结构整体控制指标Fig.3 Overall control index of the structure

3.1 构件拆分

本项目主要拆分为预制楼梯、叠合板、叠合梁和预制柱等，如图4所示，建筑轻质墙板主要应用于内墙、大型砌块主要应用于外墙体。PKPM软件可以通过同步或复制等便捷地获取相应标准构件。PKPM开放的参数化构件库，可以单独管理和存储构件库数据，可与其他单位或团队相互自定义或共享构件库。

图4 预制构件Fig.4 Prefabricated components

3.2 深化设计

确定完拆分方案后，软件可以导出材料和预制构件的统计清单，并得到该结构的预制率指标。然后进行装配式结构整体计算分析设计，PKPM软件根据之前模型预制属性和计算结果，进行预制构件、主体构件现浇节点等尺寸标注、构件信息表达和深化设计等工作。相对比国外的BIM解决方案，PKPM深入结合国内设计和施工特点，通过较少的参数就可以完成构件的深化设计和拆分。针对已经布置好的拆分构件，可以通过BIM模型对各个构件进行预留孔洞、吊件、埋件等属性进行补充和调整，尤其是对于在节点处需要连接的有预埋钢材的单个构件，可对需要焊接连接处的细微形状进行准确地检查。此外，对于在节点处需要连接的单个预应力混凝土构件也能更方便地检查其端头形状。对于需要单独拆分的构件，利用交互式调整计算参数进行编辑，图形的辅助定位和交互界面可以有效保证设计的灵活性。

3.3 碰撞检查

深化设计完成后，可进行钢筋和构件的碰撞检查。构件的碰撞问题在本结构中尤为突出，传统的二维设计在处理钢筋和钢筋之间或钢筋和构件之间的碰撞会耗费大量的时间和精力。PKPM软件可以在装配式结构设计完成后进行全面的钢筋、构件和各种管线之间的碰撞。以管线和建筑结构碰撞为例，如图5所示，分别为预制梁箍筋和预制板外伸分布筋之间的碰撞和梁柱节点处预制柱外伸纵筋与预制梁底的碰撞。如果在设计中出现此类问题可以通过修改纵向钢筋或箍筋的间距进行优化设计。

图5 碰撞检查Fig.5 Collision check

3.4 导出施工详图

利用PKPM软件可以设置出图参数，进行全套加工图纸的绘制，主要包含结构平面图、各种构件的工程数量表、构件钢筋的编号与统计、钢筋与预制构件的标注和编号等。其中楼梯的外观图和配筋图如图6所示。基于该软件生成的二维施工详图，可以有效保证其与BIM模型的一致性，此外还可以对生成的二维图纸进行编辑和修改。

图6 楼梯加工详图Fig.6 Details of staircase processing

装配式结构件筑的施工具有某些特定流程，以本建筑一层为例，其主要施工步骤为：施工基础底板(采用钢筋混凝土材料)→定位柱预留插筋→安装柱斜撑→灌浆柱混凝土→安装叠合梁→梁柱节点连接→布置叠合板支撑→安装叠合板(预制钢筋混凝土)。施工模拟中关键节点除了采用现场浇筑混凝土进行连接外，还可以采用节点处对接材料的预制钢材进行焊接连接的方式。利用BIM技术可以将数字文件和施工计划导入至AUTODESK平台的Navisworks软件中进行三维施工动画的制作，具体如图7所示。

图7 三维施工动画模拟Fig.7 Three-dimensional construction animation simulation

本文依托某装配式节能写字楼，利用PKPM软件对该装配式钢筋混凝土框架结构的全过程进行了BIM正向设计，主要包括建筑模型的创建、结构模型的创建、结构模型整体计算、构件拆分、深化设计、碰撞检查、导出施工详图、模拟施工动画的全过程，从设计过程中来看，相比于国外BIM解决方案，PKPM针对我国的设计规范和设计标准做了深入适配和针对性研究，可以有效实现设备机电、结构和建筑等各个专业的协同设计，并可以无缝链接现有工具。PKPM可以有效改变传统的二维设计模式、改进各专业和各板块间的信息交流和反馈，从而实现装配式建筑全生命周期的可视化，工程应用前景良好。

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