随着我国人口红利逐渐消失, 减少人工、节能减排、提高质量、加速建设等社会需求为装配式建筑的发展创造条件。目前装配式建筑在我国发展迅猛, 并得到国家大力推动。因此对于装配式建筑的设计需求大幅增加, 有别于传统建筑设计, 其设计周期更长, 准备工作更多、更复杂, 要求设计人员在建筑方案阶段便需思考装配式建筑设计、生产、施工的种种要求和条件, 尽可能为提高装配式建筑的标准化程度而努力。而利用BIM技术的真实模拟、可视化、专业综合、信息化、可模拟等特性完成装配式建筑的设计工作, 可为其标准化设计和信息化管理提供便利。

近年来BIM技术在建筑业的应用愈加广泛, 在复杂建筑中应用于提供3D建筑模型, 协调各专业, 解决建筑物复杂造型、管线综合问题;在古建筑修缮中应用可将建筑物历史信息模型及修缮数据记录保存下来;在水电工程中涉及不同专业, 包括地质、水工、建筑、机电等, 以可视化、信息化整合平台协同设计;在建筑的绿色设计中通过BIM技术分析采光、能源效率等建筑性能, 通过控制通风、采光、气流组织等实现节能环保;在工程实施前期采用3D模型进行4D、5D模拟项目进度及成本造价控制。由此可见, 在工程规划设计阶段、施工准备阶段、施工阶段均可应用BIM技术。

现阶段, 我国建筑产业化发展方兴未艾, 预制混凝土构件深化设计需协调建筑、结构、机电等多专业的预留预埋, 并涉及生产、运输、存放和施工等多个阶段, 深化设计图纸内容繁杂。采用BIM技术可使预制混凝土构件深化设计更直观, 降低设计难度, 并能自动统计材料用量, 从而在构件生产准备阶段的材料采购、构件生产阶段的细节把控精度、构件存放运输阶段的合理堆放分类等方面均起到显著作用。

常见装配式结构包括:装配整体式框架结构、装配整体式框架-现浇剪力墙结构、装配整体式剪力墙结构等。其中预制构件包括:预制框架柱、预制叠合梁、预制内墙板、预制外墙板、预制叠合板、预制阳台、预制楼梯等。

预制构件生产前的深化设计工作尤为重要, 建筑、结构、水、暖、电五大专业条件需在构件生产前全部确定, 并保证各专业的位置信息不相互干涉, 而深化设计将各专业信息进行汇总, 通过BIM技术可视化特点, 快速发现并解决相应问题, 从而保证构件顺利生产。预制外墙、预制内墙、预制叠合板等预制构件的位置及尺寸是否准确, 也需利用BIM技术进行预拼装验证, 确保现场顺利安装。

使用Revit软件对预制构件进行深化设计, 不仅可实现更便捷实用的深化设计操作流程, 而且在深化设计图中增加构件三维模型, 为施工者提供直观可视化的构件安装形式交底。

Revit族库应用是以族为单位, 将各种类型可编辑、可驱动的族文件载入项目组合成为理想模型。在预制构件深化设计过程中, 将各种预制构件中不同构件外轮廓、埋件、钢筋形式作为一种族文件进行绘制。其中, 预制构件可按照外轮廓形式的不同进行分类, 例如, 预制墙板可分为3种形式:不带洞口、带窗洞口、带门洞, 边线及洞口尺寸均为可编辑参数;标准埋件可按照通常在预制构件中的位置以基于面的公制常规模型绘制并保存族文件;钢筋族文件的绘制则完全以钢筋在构件中的存在形状为依据, 创建可编辑的钢筋规格、弯折角度等参数, 定义参照平面。以上各种族文件的组合应用即是以族为单位更高效地完成预制构件深化设计。

以夹心外墙板为例, 夹心外墙板由外叶板和内叶板组成, 外叶板由装饰面层、保温保护层、保温层组成。装饰面层以单块面砖 (区分面砖颜色) 作为一个族文件;保温保护层以可参数化外轮廓边线、板厚等几何信息的实体模型为基础, 定义材质、定义参照平面作为一个族文件;保温层族文件、内叶板族文件的绘制、创建原则同保温保护层族文件。

BIM模型作为可共享的信息载体, 项目不同专业可通过BIM模型插入、提取、更新和修改各种信息, 以实现各专业间协同工作。BIM技术对于优化施工图设计具有重要意义, 利用BIM技术可很好地保持平、立、剖及详图间数据的一致性, 从而更好地解决施工图设计过程中各专业间的信息冲突问题, 保证深化设计能准确表达方案意图并进行效果还原。

BIM技术的可视化特点可提前解决钢筋碰撞、埋件干涉等问题, 使经过深化设计的图纸更具可实施性, 大大提高施工质量。可视化带来的优势体现在2方面: (1) 在数据之间创建实时、一致的关联, 对数据库中数据的任何更改可马上在其他关联处反映出来; (2) 在各构件实体间实现关联显示、智能互动。深化设计目的之一是保证每个构件到现场都能准确安装, 不发生错漏碰缺。特别是针对钢筋进行的碰撞检查, 可避免施工阶段预制构件钢筋碰撞引起的窝工、返工, 保证工程顺利进行。

预制夹心外墙板采用“三明治”结构, 由保温保护层+保温层+结构层组成, 墙体形状越复杂, 传统的CAD二维设计就越容易使埋件、钢筋发生碰撞干涉。通过建立预制夹心外墙板BIM模型 (见图1) , 优化钢筋位置 (见图2) , 通过信息同步, 将模型参数信息直接反映在深化图纸上, 并实时、同步反映在其他相关联的视图或图表上, 保证BIM信息模型的完整性, 在实际工作中大大提高了工作效率, 同时消除传统二维设计中由于设计人员的疏漏导致的不同视图表达信息冲突的现象。

1) 预制剪刀梯安装预制剪刀梯作为板类构件, 采用销键连接的方式与上下梯梁的预留钢筋进行连接。在深化设计中需预留销键连接的孔洞。应用Revit软件核对预留孔洞位置的准确性, 可在模型中拼装预制剪刀梯, 精确定位销键孔洞在预制剪刀梯构件中的位置。

2) 预制楼梯间隔板安装预制隔板采用置于其中一跑梯段上的安装方式, 即每层梯段承受该层隔板自重荷载。需在预制构件中预留的埋件包括隔板与上下层梯段的连接埋件、隔板之间的连接埋件及隔板上预留的楼梯间栏杆埋件等, 以上埋件均需在预制剪刀梯及预制隔板的深化设计图中体现。对于单个构件来说, 在二维界面中绘制各种埋件无法保证埋件位置准确性。使用Revit软件出图可准确定位各种埋件在预制剪刀梯和预制隔板上的位置, 并能很好地在三维视图中体现出来 (见图3, 4) 。

1) 预制墙板与叠合板安装节点上下层预制墙板与叠合板 (含降板位置叠合板) 的安装节点, 应用Revit软件完成整块墙板和叠合板的建模后进行预拼装, 检查墙板与叠合板的相对关系, 确定降板位置及墙板顶预留豁口尺寸;对墙板及叠合板上的斜支撑埋件预留位置进行核对, 同时对墙板上其他线盒、线管、模板埋件等进行核对, 并校核墙板钢筋是否与叠合板钢筋发生碰撞 (见图5) 。

2) 预制楼梯安装节点通过建立模型对预制剪刀梯及预制隔板进行拼装, 按照设计思路核对每种预留预埋的位置 (见图6) 。

3) 预制PCF板安装节点预制PCF板在施工过程中安装工艺更为复杂, 在无外防护架的情况下, 吊装PCF板与下层PCF板对齐调整垂直度, 并与相邻预制外墙板连接固定, 绑扎现浇节点钢筋后支设内侧模板, 使用螺栓将预制外墙内侧预埋件与预制PCF板内侧预埋件通过PCF板连接件进行机械连接, 将预制PCF板与相邻预制外墙板模型进行预拼装, 核对各埋件位置 (见图7) 。

4) 工字形外墙板施工安装节点此工字形外墙板立面为工字形, 平面为T字形, 因其复杂的构件形状及阴角节点形式需在构件深化设计前确定其安装方案, 避免预埋件或墙板外边线与实际施工发生冲突。通过安装节点模型对工字形外墙板进行分析, 可明确该阴角处预制墙板外叶板的合理长度, 并模拟可行的施工方案 (见图8) 。

Revit软件统计功能强大, 可按各种埋件或钢筋分类型精确统计, 提高深化设计效率, 为预制构件生产前的准备工作提供备料依据等。在预制外墙板完成模型绘制工作后, 在出图 (构件建筑图) 阶段可根据实际完成模型中定义族文件的分类对各种原材料及埋件进行自动统计。

预制外墙板各类钢筋分类别统计在绘制构件配筋图时汇总完成。Revit软件不仅可精确统计每种类型钢筋规格、长度、重量, 还可在出图时自动识别定义在钢筋族文件中的钢筋编号, 并在配筋图中标识 (见图9) 。

预制构件深化设计工作在整个工业化产业链中起着承上启下的作用, 应在设计初期深化设计思路阶段介入, 避免在构件生产时才发现设计未考虑施工阶段构件之间连接出现问题。现阶段从全产业链角度看, BIM技术在深化设计中的应用更好地整合了各专业、各阶段对预制构件提出的要求, 并可向前后端延伸, 包含前期设计和后期施工、运营。目前, BIM技术在构件深化设计中的应用有效提高了设计工作效率, 完善了设计工作整合的准确性, 全方位立体式展现出预制构件在实际施工中的节点安装方式, 并且以Revit软件直接出图的工作方式摆脱了二维平面绘图的弊端, 更好地利用软件功效实现高效快捷的深化设计工作。因此BIM技术在装配式建筑领域中具有广阔的应用前景。