摘要:装配式建筑是建筑业重要发展趋势之一。目前，装配式建筑的设计大多是基于现浇结构设计系统进行的，并不能很好地适用于装配式建筑。为解决该问题，在总结归纳装配式建筑设计原则的基础上，将BIM技术引入装配式建筑的设计，提出了一种基于BIM技术的装配式建筑设计方法，并从“构件库的建立与完善—设计、拆分、组装—优化设计—建造模拟”的过程对该设计方法进行探讨，以期优化BIM技术在装配式建筑中的应用。
关键词:BIM;装配式建筑;结构设计;优化设计;建造模拟
0引言
近年来，随着我国经济的快速增长和建筑业的蓬勃发展，人口红利逐渐消失，建筑行业面临着劳动力缺失、人工成本快速上升的问题［1］。同时，国家对环境保护的重视程度越来越高，传统施工方式也因环境污染严重、资源浪费大和建筑垃圾产量大等问题［2］而饱受诟病。传统施工方式的变革势在必行，而装配式建筑(PrefabricatedBuilding)由于其具有施工效率高、人力成本低以及环境污染小［3］等优点，成为我国建筑业的重要发展趋势之一。
1现浇建筑与装配式建筑设计流程对比
本研究结合当前我国装配式建筑实际现状，立足BIM技术的发展与应用情况，在总结已有研究的基础上，梳理了装配式建筑设计的基本原则，从“构件库的建立与完善—设计、拆分、组装—优化设计—建造模拟”等阶段入手，探讨BIM技术在装配式建筑结构设计中的应用方法，以期推动BIM技术在装配式建筑中的应用与发展。已有文献研究表明，建筑工程全寿命周期80%的成本在设计阶段就已确定，合理的设计流程和体系对装配式建筑至关重要［4－5］。与传统现浇混凝土结构设计流程相比，装配式建筑的设计环节更加繁多复杂(见表1)，设计广度和深度也都大大增大，这导致了其设计效率降低、图纸信息量增大，设计难度也提高。同时，已有学者意识到装配式建筑的设计、制造、运输与施工各个环节连接紧密［6］，在考虑其使用功能的同时，还要兼顾后期的生产、运输及施工等，在设计阶段应将其他阶段可能遇到的问题提前梳理，整合解决。然而，目前为止，国内混凝土装配式建筑混凝土结构设计大多是以现浇结构的设计方案或设计图纸为参考———等同现浇原则进行的，这种设计方法并不能很好地解决上述问题，还容易导致预制构件的种类繁多，不利于预制构件的工业化生产，与建筑工业化的理念相冲突［7］。因此，提出科学合理的装配式建筑设计方法，是发展装配式建筑亟待解决的问题。针对上述问题，我国建筑行业正在大力推广BIM(BuildingInformationModeling，建筑信息模型)技术。对于装配式建筑而言，BIM技术不仅可以解决因设计、生产、施工等对接不足造成的能源、资源和人力的浪费，而且通过深化施工模型、三维施工模拟，可真正意义上实现装配式建筑工程从现场粗放化的“土建工程”到精细化的“安装工程”的转变［8］。而在设计阶段使用BIM技术，依靠BIM技术参数化、可视化和信息化的特点［9］可以极大地提高装配式结构设计的效率与信息传递的直观性［10］，这为装配式建筑的多专业协同设计和一体化设计提供了新的解决思路与方案。
2装配式建筑设计原则
装配式建筑的设计不仅要符合国家政策、法规以及标准规范，在满足其使用功能的前提下，还应避免不必要的浪费和返工。因此，装配式设计应符合“少规格、多组合”的设计思路，在考虑装配式建筑多系统、多环节的建造特点的基础上，将各种部品、部件以及节点进行模块化组合与标准化的设计，形成合理、可靠、可行的装配式建筑设计体系，进而实现其装配化建造。具体而言，在装配式建筑设计时应遵循3项原则［11］，如表2所示。
3基于BIM技术的装配式建筑设计方法
3.1族库的建立与完善
装配式建筑的核心是预制构件［12］，预制构件、节点等族库的建立和完善也是基于BIM技术装配式结构设计的重要前置工作之一(见图1)，其主要目的是实现装配式预制构件的标准化和通用化，为后期模块化设计提供相关模块。族库的建立与完善大致可分为两个方式:其一，在充分调研的基础上，分析梳理目前装配式建筑在设计、施工等阶段的标准、规范，总结目前市场装配式建筑常见构件的尺寸、配筋、预留孔洞等信息，设计相应的BIM构件和节点模型———“族”，并根据构件类型(梁、板、柱等)和适用情况(如层高、跨度、荷载大小等)对其进行分类。以此构建出通用性强，以市场为导向的装配式基础构件、节点库。其二，根据项目的设计需要，设计人员设计出满足条件的装配式构件与节点，并将其上传至BIM云端库，在云端与已有构配件进行对比分析和优化整合。根据上述两种途径，逐渐建立与完善装配式建筑的构件与节点库，形成预制构配件的设计模数与标准形状，以保证其后续设计满足模数化原则与标准化原则。为防止设计文件产生冲突、覆盖、设计人员查找困难等问题，需要对每一个预制构件或节点进行编码与命名，文件编码和命名应满足标准化、唯一化、简明化及合理化的特点。最后，命名完成后的模型上传BIM云端进行入库。设计人员在后续进行装配式设计时，可以直接根据该装配式构件的使用工况，在预制构件库中进行搜索，选择满足工况的装配式构件，调用建模。需要注意的是，此阶段并非装配式建筑设计的第一步骤，构件族库的建立和完善的目的是为了形成体量足够大的构件库，以便于后续直接调用相应构件进行建模设计。随着BIM中参数化预制构件、节点族的增加和相关装配功能的增加，BIM在一定程度上实现了装配式建筑物的参数化设计。同时，这一过程也为相关设计人员积累了装配式建筑的设计结构、户型等，为后期的设计和调整节约大量的时间。
3.2设计、拆分与组装
与一般的BIM设计和建筑设计团队(见图2)不同，除建筑、结构、水电与管线等其他设计人员外，本设计方法的设计团队还增加了拆分设计人员、组装设计人员以及优化设计人员，如图3所示。与传统现浇混凝土结构建筑的设计方法相比，装配式建筑的设计基于BIM技术平台，更加关注于不同专业之间的协同工作。根据设计需求，建筑、结构、电气、给排水及暖通等其他设计人员完成建筑结构中非装配部分BIM的设计，上传BIM云端;而后，利用装配式建筑设计模块化的特点和BIM技术可视化的优点，拆分设计人员和组装设计人员在BIM平台协同进行模块化设计，通过分解、规则、组合等把整个项目拆分成标准化的梁、柱、内墙、外墙和板等预制构件部分以及现场现浇部分，再进行组合。图4所示为一种典型二居室的模块化设计方法。拆分设计人员从BIM云端下载相关模型，进行建筑物的拆分设计，得到建筑物的构件和节点相关信息，在拆分时设计人员应遵循以下原则［12］:①拆分构件、节点标准化。②构件、节点类型少。③节点设计科学，受力合理。④考虑到制作、运输和吊装的要求。⑤满足成本可控，降低综合成本。⑥便于现场安装与施工。在拆分过程中若发现问题，拆分设计人员应及时与相关专业负责人沟通作出调整。拆分完成后，根据各专业模型和拆分信息，在已有的BIM构件库中进行查询，调用满足条件的构件和节点，完成组装。若BIM构件库中无相关构件或节点，或构件、节点不满足要求，可要求构件、节点库的管理人员进行设计，完成入库。同样地，若在组装过程发现问题，组装设计人员应及时与相关专业负责人沟通作出调整。完成组装后，对组装结构进行复核，保证结构的安全性。此外，可将构件节点库管理人员、拆分设计人员和组装设计人员合并为一个岗位，以减少沟通次数，提高设计效率。在设计、拆分与组装过程中，也可利用BIM技术较为精确地统计装配式建筑的各类构件的体积或面积，计算其装配率［13］。同时，也可根据装配率。利用BIM技术对装配式建筑设计、拆分和组装进行指导与优化。
3.3优化设计
利用BIM技术平台，通过碰撞检测和自动纠偏等，装配式建筑各专业的设计人员、拆分人员以及组装人员可对各专业的模型、构配件和组装模型进行优化设计，进一步筛选出设计、拆分和组装过程中存在的问题和可进行优化设计的点，并对其进行修改、完善。基于BIM的设计优化主要包括构件优化、节点优化以及碰撞检测等。构件优化主要是为了增加预制构件的多功能性，减少预制构件的种类。选择、优化设计出通用性更高的构件，以减少预制场的生产压力，提高后期安装的便利性。同时，构件优化人员将优化后的构件上传BIM云端，替代更新构件库中原有的构件，对构件库进行完善，以增强构件库的通用化和标准化。节点优化主要考虑到装配式建筑的安全性，节点作为装配建筑的薄弱环节，其性能的优劣对装配式建筑的安全性至关重要，在节点优化设计中须重点考虑其连接和抗震性能，也要对关键节点进行论证分析，保证其施工可行性。此外，为了后期安装方便，在满足安全性的前提下，应减少节点的类型，多采用标准化节点，减少甚至避免异形节点。同样地，节点优化人员也可将优化后的节点模型上传BIM云端库中，完善节点库。同时，借助BIM软件所构建的三维模型，模拟多种子工程的吊装管线布设情况，进行碰撞检测，避免出现管线交错、水暖交错等问题，并降低安全事故发生率，提高建筑品质，避免建设成本的浪费［14］。
3.4建造模拟
在工程项目中，普遍存在同一时间、同一空间多个施工任务交叉作业的情况。由于每个工序专业形式、内容、材料、施工方法、设备选择的差异，又具有时间和空间的不确定性［15］，相较于传统现浇结构，装配式建筑的生产和安装过程更为复杂，在施工组织设计、进度计划调整时，易发生对各工序考虑不周而出现窝工、安全事故等。已有研究提出基于DFM(DesignForManufacture，制造设计)+DFA(DesignForAssembly，安装设计)的DFMA(DesignforManufactureandAssembly，制造和安装设计)装配式建筑设计思路［16］，即在设计阶段提早解决后期可能遇到的问题。利用BIM技术，可以对装配式建筑的制造和安装过程进行模拟，简化设计、制造和组装，节省时间和成本，降低后期制作和安装过程中的出错率。BIM模拟主要包括生产模拟、运输模拟及安装模拟。生产模拟主要是为提前消除构件生产过程中可能存在的问题，如在装配式混凝土构件的生产中，其主要包括扎钢筋笼、组装模具、将钢筋笼放入模具、安装预埋件和浇铸混凝土等工序［17］，根据预制构件厂的具体情况与条件，利用BIM技术模拟上述的生产过程中，发现问题，将该问题反馈到BIM云端服务器，对其进行优化或重新设计。若无问题，则继续下一步工序。在装配式构件的运输过程中，常常需要塔吊将预制部件吊到安装区域后再进行安装，因此需要对装配式建筑的运输起吊进行模拟，如吊装路径、吊装质量以及吊装顺序等。若出现问题，将该问题反馈到BIM云端服务器，对其进行优化或重新设计。若无问题，则进行下一步工序。虽然在BIM优化设计阶段已完成了碰撞检测，但仍需对构件的安装和连接进行模拟。如在安装施工过程中，大部分节点都是现浇的，为保证其安全性，其钢筋设置一般都十分密集，常常出现在组装后的对应位置碰撞检测无问题，但在实际安装过程中极易发生碰撞甚至无法安装到位的情况，给整个吊装带来很大麻烦，造成不必要的工期延误与浪费［18］。因此，需要对装配式建筑的安装进行模拟，提前预演其可能出现的问题。同样地，若在安装模拟过程中发现问题，可将该问题反馈到BIM云端服务器对其进行优化或重新设计。否则，BIM建造模拟设计结束。
4结语
装配式建筑作为实现建筑工业化的重要途径之一，是当前建筑行业发展的趋势。本文将BIM技术融入装配式建筑设计中，从“构件库的建立与完善—设计、拆分、组装—优化设计—建造模拟”等阶段入手，探讨了BIM技术在装配式建筑设计中的应用，构建了基于BIM技术的装配式建筑设计方法。通过标准化和通用化的设计系统，来提高设计人员的设计效率和设计质量。研究将对BIM技术在装配式建筑中的应用起到积极推动作用。
作者：陈志亮 牛昌林 刘福江 魏宏亮 吴星蓉 单位：甘肃省建设投资(控股)集团有限公司 甘肃建投土木工程建设集团有限责任公司 甘肃建投科技研发有限公司
