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主管:住房和城乡建设部

主办:中国勘察设计协会

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BIM技术在装配式建筑设计中的研究与实践

魏辰 王春光 徐阳 石磊

BIM技术在装配式建筑

设计中的研究与实践

■ 中国建筑设计院有限公司BIM设计研究中心   魏辰   王春光   徐阳   石磊

 

    近期,住建部印发《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》提出了“一个指导思想、四项主要任务、三大保障措施”,并要求“加强信息技术在装配式建筑中的应用,推进基于BIM的建筑工程设计、生产、运输、装配及全生命周期管理,促进工业化建造”,对建筑业企业工业化建造中的信息化建设作出了具体部署和要求。

    中国建筑设计院有限公司(以下简称“中国院”)积极响应国家号召,十分重视BIM的研究和推广应用,同时积极进行建筑工业化项目实践,努力将BIM技术应用于工业化建筑从设计到施工的全过程。中国院很早就成立了BIM设计研究中心和BIM委员会,制定了《中国建筑设计研究院建筑设计总院BIM发展纲要》,要求在形成总院统一的BIM应用标准基础上,在2016年~2020年逐年增加项目全专业使用BIM技术比例,至2020年实现70%的项目全专业使用BIM技术,并向全行业推广中国院的BIM技术经验。中国院还专门成立了装配式建筑设计研究院,致力于装配式建筑的设计研发,每年完成上百万平方米的装配式建筑设计,并积极进行相关课题、标准的研究工作。

    由于BIM技术是促进建筑产业化重要手段,中国院一开始就将BIM技术应用于装配式建筑设计的各个环节,并努力研究如何借助BIM技术实现装配式建筑设计中的信息在产业链各个环节有效传递,使设计、生产、施工等项目参与方在设计环节、生产环节与装配施工环节的信息得到链接,实现工业化生产需要的数据信息在建筑全生命周期的有效传递和应用。

 

基于BIM技术的装配式建筑设计

 

基于BIM模型的工业化建筑资源库

应用BIM技术进行装配式建筑设计,建立健全工业化建筑资源库是最重要的关键技术之一,包括相关的部品库、部件库、土建构件库、机电设备库等,内容非常庞大。BIM模型包含了丰富的建筑物设计信息,要生成工业化生产所需要的各种部品、部件、构件的数据表单,如门窗表、材料表以及各种综合表格都是比较容易的事。因此,通过拆分工业化建筑的构件、部品,利用BIM技术将建筑工程的每个部分分解成为标准化的尺寸、形状,可以定型生产的构件,方便设计、生产和施工。在BIM中建立的资源库可以包括建筑材料库,预制构件库(预制梁、预制板、柱、栏杆、门、窗等),家具库(桌椅、厨卫、洁具、灯具等)等。作为基础性工作,对于基于BIM技术的装配式建筑工业化设计来讲,这些资源库就是所谓的BIM族库(如图1所示)。

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以上述分类为基础,扩展每种族类别的资源数量可以形成企业或国家的标准化资源库,如图2所示。

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装配式建筑设计的BIM数据链接技术

    在装配式建筑从设计到生产、施工的全生命过程中,通过BIM模型,可以使建筑、结构、水暖电等专业的信息集成与共享,克服传统二维设计的抽象化、可视化表现差的缺点,让参与项目的用户可以清晰、直观地了解项目,提高项目的设计质量和效率。由于BIM设计基于标准的构件资源库,通过基于BIM的数据链接技术,信息在设计、生产、运输、装配及全生命周期管理中能有效地传递,减少了数据信息丢失和错误的发生,BIM数据链接技术成为实现装配式建筑设计产业现代化的有效手段。

由图3可见,基于BIM模型的数据统一性和关联性使得装配式建筑在不同阶段各参与方之间的数据信息能很好地利用和传递。上游信息及时有效地传递到下游阶段,而下游信息反馈后又对上游的工程活动做出控制,使从设计、零件制造、施工安装再到运维使用,所有信息在装配式建筑的全寿命周期中得以有效地传递和使用。

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    为实现数据的有效传递,就需要对各设计专业的BIM模型数据创建提出相应的要求,以大大减少后期的数据处理工作和错误的出现。土建模型设计时需要结构与建筑专业分别完成对各自负责内容的模型设计,减少模型重复。如通过摸索,建议墙体的结构层与建筑面层分开创建,以利于下一步的构件拆分和算量统计;电梯井、楼梯间等楼板洞口(包括垂直洞口和竖井),建筑提资给结构专业,由结构专业负责创建结构板上的洞口,以减少重复工作等。

    机电专业的模型创建时主要通过模型链接的方式进行数据传递。为保证最高效的可用性,对土建专业模型也提出了相应的要求。在内部相互链接时,首先要确定好覆盖/附着的关系,如果后期进行调整,设备专业中心文件失去的建筑链接文件上依附的所有设备、尺寸标准失去主体,无法标注需要的数据。再如房间必须闭合,房间信息必须录入完整等,这样土建模型数据即可直接用于机电的相关计算分析。

    因此,基于BIM技术,通过搭建建筑工业化的信息管理平台,完善数据信息在各阶段、各设计生产环节的传递路径和有效性,可以很好地实现装配式建筑设计全协同设计过程,减少各个阶段错误的发生,全面提高建筑工业化产业链的整体效益。

 

基于BIM的装配式建筑深化设计

1BIM构件的拆分设计

    由于设计深度原因,在施工图阶段,BIM模型中的楼板、墙体等模型构件仍是一个整体,因此,在深度设计阶段需要将连续的模型构件拆分成工厂能生产的独立构件,以便生产加工。构件拆分的原则根据工厂的生产及设计要求确定,实现“少规格、多组合”,减少预制构件的种类,以便工厂生产和现场装配。

确定好拆分原则后,即可直接在施工图BIM模型上深化模型,将原来整体构件拆分成可以工厂生产加工的一个个预制构件并完成预制构件的配筋设计以及预制构件之间的连接构造等工作。以某个楼层的外墙板为例,其拆分示意如图4所示。基于三维BIM模型的拆分可非常直观地看到各构件间的连接关系,不仅可以通过拆分来完善设计,同时还规避了在二维图纸上不易发现的设计盲点,减少了错误的发生。由于是在同一个模型中进行深化,所以,避免了数据丢失,实现了设计数据的有效传递。

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2BIM深化图纸的生成

完成三维BIM模型的构件拆分后,需要将包含生产信息的各种BIM构件拆分模型转换成二维的加工图纸。由于建筑工业化预制构件多,深化设计的出图量大,采用传统方法手工出图工作量相当大,而且很难避免各种错误。因此,需要利用BIM软件的智能出图和自动更新功能来完成构件图纸与模型的对应关联工作,自动生成构件平、立、剖面图以及深化详图。有别于传统CAD创建的二维图纸,由于自动生成的图纸和模型是动态链接的,一旦模型数据发生修改,与其关联的所有图纸都将自动更新。生成的图纸需要精确地表达所有的相关信息,如钢筋信息、材料信息、几何尺寸等,并直接用于预制构件的生产。

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实践案例

 

    以郭公庄一期公租房项目为例。郭公庄一期公租房总建筑面积20万平方米,地上21层,地下2层,建筑性质为商住楼。该项目将BIM技术与装配式产业化生产相结合应用于公租房主体结构和内部装修,对于提升保障房的质量和品质起到了至关重要的作用。

 

户型产品库

    建立基于BIM的户型产品库。该项目户型产品标准化设计部分包括:楼栋基本形式及基本设计要点、楼栋公共空间基本设计要点、户型基本形式及其设计要点、户型各空间基本设计要点(如卧室、起居室、阳台、餐厅等)。

 

构件部品库

建立基于BIM的部品产品库。该项目利用BIM模型,将厨房卫浴、隔墙收纳、设备末端等内装部品进行细化、拆分,生成与拆分模型动态链接的二维图纸,并将成品部品运至施工现场进行装配化施工。

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装配式构件拆分

该工程底部加强区以上主要结构构件采用预制构件装配式结构(PC)技术。经计算统计,该工程住宅楼标准层结构构件的PC率为 40%~50%。其中,阳台板(含空调板)为3.43立方米,叠合楼板——预制部分为2.11立方米,预制楼梯板为24.4立方米,预制外墙板为44.25立方米。

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综上所述,BIM技术在装配式建筑设计、模型拆分、现场工业化建造过程中发挥着重要的信息整合作用。研究基于BIM的装配式建筑工业化实践,再造建筑设计生产模式、创新建设管理理念,可以有效助推建筑业转型,实现建筑产业信息化、工业化升级。

 

 

参考文献

[1]中国建筑国际集团有限公司,深圳海龙建筑科技有限公司,同济大学.建筑工业化关键技术研究与实践[M].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[2]上海市住房和城乡建设管理委员会,华东建筑集团股份有限公司.上海市建筑工业化实践案例汇编[M].北京:中国建筑工业出版社,1993.