基于BIM 技术在预制装配式建筑中的设计研究

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［摘要］ 提出将BIM 技术应用到预制装配式建筑的设计中，论述了二者的适应性，并以一栋试验楼为例，给出了利用BIM技术做装配式建筑的完整过程，分析了BIM 技术在预制装配式建筑设计中的应用过程和价值，探讨了BIM 模型在预制建筑中下一步的研究方向。

［关键词］建筑信息模型（BIM）；装配式建筑；深化设计

中图分类号：TU2文献标识码： A

建筑信息模型( building information modeling，BIM) 是以三维数字技术为基础，建筑全生命周期为主线，将建筑产业链各个环节关联起来并集成项目相关信息的数据模型[1]。Tekla Structures 是BIM的众多设计软件之一，其包含3D 钢结构细部设计、3D 钢筋混凝土设计、项目管理等模块。

图1Tekla Structures模块 图2试验楼标准层平面图

Tekla Structures软件（如图1）可以实现三维结构模型的精确建立和细致管理，将建筑的结构施工图设计、建筑做法、工厂加工、现场安装等环节完全体现在模型中，结构施工图设计主要指钢筋的具体分布、上下连接的方式、连接所需要的构件。建筑做法是指附着在结构墙板上的保温、防水等建筑构造措施。工厂加工与现场安装所涉及的吊钩、预埋件等于现场施工和生产相协调。同时，Tekla Structures软件可自动生成并输出制造的图表，极大地提高了设计效率。基于bim 理念，通过多种软件建立三维数字模型并导入Tekla Structures，可以实现数据资源共享，构建各个专业协同工作的平台，提高工作效率，减少设计错误，避免返工劳动，降低工程成本[2]。

1 应用案例

1. 1 工程概况

本工程是沈阳市某装配式住宅为试验楼模型，采用预制装配式剪力墙结构体系，平面图如图2，建筑面积7330m2 ，建筑高度55.8m，地上18 层，楼板是预制现浇叠合，剪力墙暗柱、屋面造型为现浇部分，其他构件工厂预制，预制率达到70% 左右。

1. 2 BIM 模型的建立

Tekla Structures 具有预制混凝土专项的模块，适合装配式钢筋混凝土的深化，同时它包含参数化节点，方便建模。在Tekla Structures 中开发参数化节点进行配筋，这些应用大大提高了建模的效率。

在确定连接方式（此实例为套筒连接）与现浇部分的前提下，Tekla Structures 建立预制混凝土模块主要可以分为四个部分，预制剪力墙（或柱）、预制梁、预制板、预制楼梯。如图3所示。

a)预制墙 b)预制梁

c)预制板 d)预制梯板

图3预制构件

1. 3 深化设计

构件深化的布置按分级来进行，如图4所示，以其中的一片外墙为实例，说明分级要求逐步实现设计要求。

a)第一级：在确定坐浆缝厚度、连接方式的基础上，绘制混凝土墙的尺寸，包括长、宽、高等。 b)第二级：根据建筑开窗等要求，对混凝土嵌板进行开洞处理。

c)第三级：对混凝土嵌板进行配筋，同时对钢筋进行编号，包括套筒等，方便以后对钢筋用量的统计。d)第四级：按照设备专业、建筑专业的要求绘制保温材料、预留插座或孔洞，达到生产要求。

图4 分级模型

此住宅每层共有预制构件91 个，其中外墙板21块，内墙12 根，梁共计20 根，楼板( 预制现浇叠合板，含阳台板块) 36 块，预制楼梯2块，如图5所示。

图5 预制构件拼装好的标准层

由于Tekla Structures 中自带的参数化节点无法满足住宅楼的深化设计要求，所有构件独立配筋，人工修改的工作量很大。为提高工作效率，可以对Tekla Structures进行二次开发，除一些现浇构件外，把标准的预制构件都做成参数化的形式。通过参数化建模，提高工作效率[3]。

预制构件的主要特点是内部钢筋分布合理，不会发生碰撞，内部钢筋的排列很容易分布，主要是连接部分，连接部分钢筋密集，一旦发生钢筋碰撞，不仅给施工造成很大麻烦，而且会造成很大的工程浪费[4]。Tekla Structures 自带碰撞校核管理器来检查钢筋，打开后选定所需校核的构件或模型，直接点击校核即可。图6实例为连接部分碰撞检查的详图。碰撞检查完成后，管理器对话框会将所有碰撞的位置全部列出来，包括碰撞对象的名称、碰撞的类型、构件及对象的ID 等。当选取列表中的某个碰撞位置时，碰撞实体在模型中会高亮显示出来，以便检查修改。

图6 梁、暗柱节点的钢筋碰撞检查 图7Tekla Structures 对预制外墙进行工程量统计

1. 4 自动生成图纸和汇总工程量

Tekla Structures可精确统计模型的工程量(包括混凝土、钢筋) ，并可根据需要定制输出各种形式的统计报表[5]。清单的输出内容包括截面尺寸、编号、材质、混凝土的用量，钢筋的编号及数量，钢筋的用量等信息。根据模型对全楼的构件数量及材料用量分类汇总，即可对某个构件进行详细的工程量统计（如预制柱见图7），也可以获得定制的整体工程量清单。

由于预制构件多，住宅楼深化设计的出图量巨大，采用传统方法手工出图工作量相当大，而且发生错误修改图纸也不可避免。Tekla Structures具有强大的智能出图和自动更新功能，对图纸的模板做相应定制后就能自动生成需要的深化设计图纸，整个出图过程无需人工干预，而且有别于传统CAD 创建的数据孤立的二维图纸，Tekla Structures 自动生成的图纸和模型动态链接，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。图纸能精确表达构件相关钢筋的构造布置，各种钢筋弯起的做法、钢筋的用量等可直接用于预制构件的生产。避免了人工出图可能出现的错误，大大提高了出图效率。

2 结语

利用BIM 技术建立装配式户型库和装配式构件产品库，可以使预制装配式建筑( prefabricated concrete，PC) 建筑户型标准化，构件规格化，减少了设计错误，提高了出图效率，尤其在预制构件的加工和现场安装上大大提高了工作效率。目前BIM模型研究还偏重于设计阶段的应用，对于施工阶段与BIM 模型结合有待需要进一步探讨，围绕构件的制造、运输、装配过程实现预制建筑建造的全过程动态可视化管理，还需要进一步研究。

参考文献

［1］ 刘爽．建筑信息系统( BIM) 技术的应用［J］．建筑学报，2008( 2) : 100-101．

［2］ 周文波，蒋剑，熊诚． BIM技术在预制装配式住宅中的应用研究［J］．施工技术，2012，41( 4) : 72-74．

［3］ 何关培，王轶群，应予垦． BIM 总论［M］．北京: 中国建筑工业出版社，2011．

［4］ 宝琦．基于BIM 的工业建筑协同设计［J］．工业建筑，2010( S1) : 84-86．

［5］ 熊诚．BIM技术在PC住宅产业化中的应用［J］．住宅产业，2012( 6) : 17-20．

作者简介：孙长征，硕士，教授，沈阳建筑大学建筑设计研究院院长