楊連杰 夏吉勇 劉 輝 何奇強(qiáng)

（中建七局第四建筑有限公司，陜西 西安 710016）

利用BIM技術(shù)的可建模特點(diǎn)，對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)過程進(jìn)行優(yōu)化與仿真，不僅可以提高建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的可視化，同時(shí)也可以保證結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性[1]。而建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又是一項(xiàng)難度較大、工程量較多的工作，僅通過平面設(shè)計(jì)圖的方式，是難以得到預(yù)期設(shè)計(jì)效果的[2]。因此，本文研究將在BIM技術(shù)的支撐下，提出一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的可視化，提高設(shè)計(jì)水平與效率。

1 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步完善裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，引入BIM技術(shù)，并提出如圖1所示的設(shè)計(jì)基本流程。根據(jù)圖1所示的流程，分別對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明。

圖1 基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本流程圖

1.1 裝配式建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

首先，在裝配式建筑結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)當(dāng)由設(shè)計(jì)部門與業(yè)主共同完成對(duì)同一裝配式建筑方案的可行性評(píng)價(jià)，并確定具體項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，初步確定建筑設(shè)計(jì)內(nèi)容及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容[3]。結(jié)合BIM技術(shù)，對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)模型進(jìn)行構(gòu)建，同時(shí)該模型也將為后續(xù)各項(xiàng)工作的開展提供重要的依據(jù)和指導(dǎo)性的文件資源。在對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體裝配式建筑建設(shè)項(xiàng)目所在區(qū)域及周圍環(huán)境，查看周圍交通是否便利，建設(shè)區(qū)域內(nèi)是否具備完備的基礎(chǔ)設(shè)施，電力設(shè)施是否齊全等，確保初步設(shè)計(jì)的方案能夠符合現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)條件。在確定裝配式建筑結(jié)構(gòu)方案中的平面布局時(shí)，需要結(jié)合其功能進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。要求各平面布置遵循布局規(guī)整、柱網(wǎng)合理的原則，在整體布置上應(yīng)當(dāng)充分考慮功能空間的實(shí)用性以及便利性[4]。對(duì)于存在交通流線的建筑，還應(yīng)當(dāng)確保這一結(jié)構(gòu)的合理布置，以此解決出入口以及人流疏散路線的順暢。除此之外，在對(duì)其建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)遵循節(jié)能減排原則，確保建筑在設(shè)計(jì)、施工以及后期使用中符合綠色建設(shè)要求。

1.2 建立預(yù)制構(gòu)件庫(kù)

在BIM模型當(dāng)中，建筑整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件和構(gòu)件的生產(chǎn)既需要以預(yù)制構(gòu)件庫(kù)作為依托，同時(shí)對(duì)于預(yù)制構(gòu)件庫(kù)的建立也是設(shè)計(jì)階段重要的工作環(huán)節(jié)之一[5]。在這一階段，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體裝配式建筑的功能以及外觀需要，創(chuàng)建具有針對(duì)性的預(yù)制構(gòu)件庫(kù)。在后期設(shè)計(jì)模型初步建立時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體需要從預(yù)制構(gòu)件庫(kù)中選擇所需的構(gòu)件。同時(shí)，若在實(shí)際應(yīng)用中預(yù)制構(gòu)件庫(kù)中沒有符合要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也可以隨時(shí)對(duì)構(gòu)件庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)充。圖2為預(yù)制構(gòu)件庫(kù)建立的基本步驟。

圖2 預(yù)制構(gòu)件庫(kù)建立的基本步驟

為實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件庫(kù)中各個(gè)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的規(guī)范化管理，對(duì)結(jié)構(gòu)件編碼格式進(jìn)行規(guī)范處理，以疊合板構(gòu)件為例，其基本格式為“DBSX-XXXX-XX-XX”其中，“DBSX”為疊合板雙向板DBS1為邊板；DBS2為中；“XXXX”為標(biāo)志跨度和寬度；第一個(gè)“XX”為底板厚度和現(xiàn)澆板厚度；第二個(gè)“XX”為鋼筋區(qū)別標(biāo)志。在具體應(yīng)用預(yù)制構(gòu)件庫(kù)時(shí)，其具備的功能如圖3所示。

圖3 預(yù)制構(gòu)件庫(kù)功能總體設(shè)計(jì)示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于初步上傳的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，若沒有得到檢索結(jié)果，則自動(dòng)將該構(gòu)件劃分到待檢區(qū)域當(dāng)中，根據(jù)不同的分類將設(shè)計(jì)人員上傳的構(gòu)件分配到入庫(kù)界面當(dāng)中，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一審核，確保各個(gè)構(gòu)件能夠在BIM模型當(dāng)中正確展示。

1.3 基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)模型建立

在引入BIM技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行建立時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要在上述初步設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，通過對(duì)預(yù)制構(gòu)件庫(kù)當(dāng)中的構(gòu)件進(jìn)行合理選擇，創(chuàng)建符合具體項(xiàng)目的裝配式建筑BIM模型。在模型建立的過程中，采用碰撞檢查的方式對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。在優(yōu)化階段，可結(jié)合沖突檢查、三維管線綜合檢查以及凈高檢查等方式，找出初步設(shè)計(jì)方案當(dāng)中存在的問題，并利用協(xié)同作業(yè)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。將構(gòu)建的BIM模型應(yīng)用到PKPM軟件當(dāng)中，并利用該軟件自動(dòng)完成碰撞點(diǎn)檢查，由設(shè)計(jì)人員對(duì)各個(gè)碰撞點(diǎn)信息進(jìn)行逐一排查。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，針對(duì)各個(gè)碰撞點(diǎn)，通過改變預(yù)設(shè)參數(shù)的方式解決碰撞。例如，若梁鋼筋結(jié)構(gòu)存在水平方向和豎直方向上的碰撞，則可通過豎向避讓的方式解決；若梁柱節(jié)點(diǎn)存在碰撞問題，則在梁裝配單元參數(shù)修正中通過縱筋彎折避讓，使鋼筋結(jié)構(gòu)在水平方向上產(chǎn)生彎折，解決其碰撞問題；若梁結(jié)構(gòu)與連接點(diǎn)位置上存在碰撞，則可通過修正鋼筋連接方式的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞的避讓。在完成對(duì)各個(gè)碰撞節(jié)點(diǎn)的避讓處理后，需要將優(yōu)化后的BIM模型再次輸入到PKPM軟件當(dāng)中完成對(duì)其碰撞點(diǎn)的檢測(cè)，判斷原有問題是否解決，同時(shí)對(duì)新的BIM模型中是否產(chǎn)生新的碰撞點(diǎn)進(jìn)行分析和判斷，確保最終生成的BIM模型在具體應(yīng)用到裝配式建筑施工中不會(huì)出現(xiàn)碰撞問題。與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，通過對(duì)結(jié)構(gòu)模型的模擬和對(duì)其碰撞點(diǎn)的預(yù)測(cè)，能夠有效避免施工中出現(xiàn)由于存在碰撞點(diǎn)而返工的情況，大大提升施工效率，確保在規(guī)定的施工進(jìn)度中完成相應(yīng)工作任務(wù)。

1.4 構(gòu)件深化設(shè)計(jì)

在完成對(duì)結(jié)構(gòu)模型的建立后，針對(duì)各個(gè)構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，這一階段除了在模型的支撐下完成，還需要構(gòu)件的生產(chǎn)方、施工方與設(shè)計(jì)方強(qiáng)化相互之間的交流，并合作完成對(duì)最終構(gòu)件加工圖紙的設(shè)計(jì)。由施工單位對(duì)裝配式建筑施工現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)固定和臨時(shí)設(shè)施的安裝孔、吊鉤等預(yù)埋預(yù)留要求進(jìn)行明確，并確保設(shè)計(jì)方充分知曉。對(duì)于構(gòu)件的生產(chǎn)方而言，對(duì)自身構(gòu)件加工時(shí)需要向設(shè)計(jì)單位提出相應(yīng)的技術(shù)要求。在完成對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)后，由各個(gè)專業(yè)結(jié)合自身需要對(duì)模型進(jìn)行最終審核，以此形成可供構(gòu)件生產(chǎn)和為后續(xù)施工提供重要依據(jù)的設(shè)計(jì)模型。

2 對(duì)比分析

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)方法的可行性，以某地區(qū)政府投資的建筑項(xiàng)目作為實(shí)例，設(shè)計(jì)如下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)工程施工方提供的信息，對(duì)此建筑項(xiàng)目概況信息進(jìn)行針對(duì)性獲取，具體內(nèi)容見表1。

表1 建筑項(xiàng)目概況信息

在對(duì)此建筑項(xiàng)目的深入研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，該建筑項(xiàng)目住宅樓層數(shù)較多，如果按照常規(guī)的施工方法，采用混凝土現(xiàn)澆的方式進(jìn)行此建筑項(xiàng)目的施工，會(huì)增加工程的支出成本，甚至?xí)谝欢ǔ潭壬蠈?duì)設(shè)計(jì)階段工期造成拖延，因此，通過與工程施工方綜合商討后，決定在設(shè)計(jì)階段，對(duì)此建筑的橫向構(gòu)件采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過此種方式，降低工程造價(jià)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)中，將建筑結(jié)構(gòu)中的疊合板與剪力墻，采用后澆帶的方式澆筑成一個(gè)整體，發(fā)揮疊合板整體性能，保證設(shè)計(jì)成果在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的穩(wěn)定性。

按照上文中提出的內(nèi)容，將與此工程項(xiàng)目相關(guān)的信息導(dǎo)入Revit建筑結(jié)構(gòu)模型中，將模型內(nèi)置在YJK軟件中，滑動(dòng)設(shè)計(jì)界面窗口，設(shè)置主體建筑結(jié)構(gòu)的恒荷載與活荷載，并根據(jù)設(shè)計(jì)中項(xiàng)目的質(zhì)量要求，設(shè)置建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)與指標(biāo)。同時(shí)，使用YJK軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的建筑上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析，掌握建筑中不同層數(shù)在振動(dòng)情況下可能產(chǎn)生的位移與曲變角度。

完成對(duì)裝配式建筑項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)的性能分析后，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)。并根據(jù)不同結(jié)構(gòu)位置在設(shè)計(jì)中的構(gòu)件需求，建立構(gòu)件庫(kù)，深化設(shè)計(jì)位置的構(gòu)件建立優(yōu)化的BIM建筑結(jié)構(gòu)空間模型。

將建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)出圖后的三維碰撞作為對(duì)比指標(biāo)。明確對(duì)比指標(biāo)后，對(duì)設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維檢查，將所設(shè)計(jì)的成果與相關(guān)信息導(dǎo)入GS-Revit工具中，對(duì)成果進(jìn)行可視化檢驗(yàn)。檢驗(yàn)時(shí)，在結(jié)構(gòu)碰撞檢查區(qū)域內(nèi)的對(duì)話框中輸入檢測(cè)內(nèi)容，移動(dòng)鼠標(biāo)，選定建筑結(jié)構(gòu)中的碰撞檢查區(qū)域。在檢測(cè)終端設(shè)定檢測(cè)結(jié)果的表現(xiàn)形式，當(dāng)鋼筋、管線線路與主體結(jié)構(gòu)存在碰撞時(shí)，圈定的區(qū)域?qū)⒋嬖凇凹t色”標(biāo)記點(diǎn)，當(dāng)圈定的區(qū)域內(nèi)不存在碰撞問題時(shí)，或圈定區(qū)域中部分結(jié)構(gòu)通過碰撞測(cè)試時(shí)，區(qū)域內(nèi)所有的三維構(gòu)件、線路與鋼筋節(jié)點(diǎn)將呈現(xiàn)“綠色”標(biāo)記點(diǎn)。

使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行此建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，按照上文所述的相同步驟，對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

在本文方法與傳統(tǒng)方法的設(shè)計(jì)成果中隨機(jī)圈定碰撞檢測(cè)區(qū)域，統(tǒng)計(jì)不同區(qū)域內(nèi)的“紅色”標(biāo)記點(diǎn)與“綠色”標(biāo)記點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果碰撞測(cè)試結(jié)果

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的裝配式建筑結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)碰撞點(diǎn)個(gè)數(shù)的測(cè)試時(shí)，僅有一個(gè)區(qū)域存在碰撞點(diǎn)，碰撞點(diǎn)個(gè)數(shù)為1。而傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的裝配式建筑結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)碰撞點(diǎn)個(gè)數(shù)的測(cè)試時(shí)，幾乎每個(gè)區(qū)域中都存在若干個(gè)碰撞點(diǎn)。

針對(duì)本文方法設(shè)計(jì)成果中的碰撞點(diǎn)，可以直接在設(shè)計(jì)的三維建筑空間模型中進(jìn)行碰撞點(diǎn)的手動(dòng)調(diào)整，確保調(diào)整后標(biāo)記點(diǎn)為“綠色”，即可完成對(duì)本文方法設(shè)計(jì)成果的優(yōu)化。而傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)由于碰撞點(diǎn)數(shù)量較多，因此需要設(shè)計(jì)人員重新進(jìn)行圖紙的返工設(shè)計(jì)。

綜上所述得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果：使用本文方法進(jìn)行裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，無論是設(shè)計(jì)成果的可行性，或是設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，都優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

3 結(jié)語(yǔ)

通過本文此次的研究，掌握了BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的可行性，也避免了設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段中進(jìn)行大量的重復(fù)性工作。因此，可以在未來的建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究中，將BIM技術(shù)作為主要技術(shù)，從而提高建筑工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中的效率與水平。在后續(xù)的研究中，還將進(jìn)一步深化對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用，探索并挖掘技術(shù)在工程不同領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的可行性與規(guī)范化應(yīng)用方式。