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基于BIM的装配式建筑协同设计方法陈莹莹

发表时间：2020/5/15 来源：《基层建设》2020年第3期作者：陈莹莹栗昊

[导读] 摘要：装配式建筑因其效率高、对环境影响小，是我国建筑业转型升级的最佳选择。装配式建筑不仅是一种建筑形式，更是一个复杂的系统工程，需要用系统工程的方法和思想去解决实际问题。

        机械工业第六设计研究院有限公司河南郑州 450000
        摘要：装配式建筑因其效率高、对环境影响小，是我国建筑业转型升级的最佳选择。装配式建筑不仅是一种建筑形式，更是一个复杂的系统工程，需要用系统工程的方法和思想去解决实际问题。就装配式建筑设计而言，装配式建筑设计不仅增加了构件拆分、深化设计等内容，从设计理念、流程、方法等也应有相应的改变。BIM技术的推广和日渐成熟，为装配式建筑协同设计的实现提供了新的方法和平台。为促进BIM在装配式建筑设计中的应用，本文对BIM协同设计与传统设计方法进行比较，基于BIM技术IDM要求建立PCP协同设计概念模型，确定不同设计阶段BIM模型精度，利用参数化设计工具对装配式建筑进行预制构件拆分、钢筋配置、结构分析，通过实例验证基于BIM的建筑协同设计方法的有效性。
        关键词：BIM；装配式建筑；协同设计
        引言
        目前，BIM在装配式建筑中的应用大都停留在施工和生产阶段，在设计阶段的研究多局限于对结构设计、构件连接、构件拆分和深化设计等某一方面的研究，对装配式建筑的设计流程、设计内容，以及标准化、参数化设计缺乏系统性和完整性。本文基于建筑协同设计理论方法，建立了基于BIM的装配式建筑PCP协同设计概念模型，确定了装配式建筑设计的内容和流程，基于标准化、参数化设计要求，研究了预制构件拆分、设计优化的具体方法。
        1 BIM协同设计
        1.1协同设计概念
        所谓协同工作，是指基于计算机支持的网络环境，团队通过信息共享、转换和相互协作机制，有效地完成工作任务。建筑协同设计是协同工作在设计领域的分支，通过构建基于网络的协同设计环境，利用统一专业标准和协同设计软件，实现设计数据实时共享，以进一步提高设计效率。建筑工程领域中协同设计一般分为二维协同设计和三维协同设计。二维协同设计是以CAD软件的外部参照为基础的直线式、文件级协同，是基于二维图纸的定期更新的阶段性协同方式；BIM三维协同设计是一种新的设计范式，是在同一环境下，各专业人员基于三维模型进行的平行设计，通过信息共享、沟通协作完成同一项目设计工作的协同模式。BIM协同设计不再是设计外的加载技术，而是设计过程本身的一部分。BIM协同设计较二维协同设计其设计内容更加丰富、效率更高，更具有优势。
        1.2BIM协同设计与传统设计对比
        传统设计方法在项目设计中是阶段性、单向的，缺乏交流，设计过程快速简单，在过程组织、任务快速分配上有一定的优势，但项目各参与方之间缺乏交流，无法进行方案的最优化配置。同时，由于各专业设计工具不尽相同，信息缺乏统一性，导致各专业间的信息数据无法完全共享。BIM协同设计方法强调“设计迭代”，即建筑设计从初期的概念设计到最终的施工图设计不断迭代，在设计前期将所有关于设计问题的各方思想统筹考虑，建筑师不再是唯一决策者。BIM协同设计是基于同一个三维模型的“闭环”，各专业可以通过网络服务器实现同步设计，信息可在上下游专业之间无缝传递共享，缩短了专业之间协调时间。
        2 基于BIM的装配式建筑协同设计实现
        BIM协同设计从协同的内容角度可以分为三个层面，即全过程协同、专业协同和构件协同。全过程包括方案设计到深化设计的四个设计阶段，并考虑施工阶段主要施工工艺；专业协同是指建筑师、结构师、暖通水电、构件加工、施工安装等不同专业工种的协同；构件协同即指三维模型的设计精度和模型交付所需要的信息。以上三者的信息交互协同是基于BIM三维模型实现的，其中全过程协同是原则，专业协同是实现手段，构件协同是基础。
        3 BIM模型交付标准
        协同设计的关键工作是各确定模型设计深度和精度。按《建筑信息模型设计交付标准》（GB/T51301－2018）装配式建筑预制构件各专业BIM模型精细度如表2所示。装配式建筑主设计主要分为4个阶段：
        （1）方案设计。结构工程师介入，模型精细度为LOD200。根据建筑布局初步确定结构形式，进行构件拆分、预拼装模拟，配合业主和建筑设计师进行方案可行性评估；
        （2）初步设计。暖通设备工程师介入，模型精细度为LOD300，完成构件的土建、钢筋、设备、管线布设等信息；
        （3）施工图及深化设计。对节点连接等内容进行深化及补充建模，达到LOD400的要求，进行碰撞检查、施工模拟、施工图设计优化；
        （4）施工阶段。模型精细度为LOD500，要求模型中包含以实际施工工艺为主的时间、成本、采购、加工及运输等工程管理内容。
        4 构件参数化设计
        装配式建筑设计需要采用工业化建造的思维，要求标准化、参数化、精细化，以满足工业化批量生产的要求。构件拆分、构件深化设计是装配式建筑结构设计特有的内容。BIM协同设计为实现装配式建筑的参数化设计提供了技术支撑，Autodesk公司提供的基于Revit建模工具的插件，可用于构件拆分和结构分析计算。首先对模型中的预制构件做预拆分处理，在拆分时需要对拆分参数进行控制。楼板跨度应小于6m，楼板重量限制在6000kg以内，且以大板和单向板优先。叠合板的种类根据计算规则为单向叠合板，共计2种。

        1）设置钢筋
        构件进行拆分后，需要对拆分后的构件按设计规范配置钢筋。以叠合梁钢筋配置为例，从结构模型中拾取已有的现浇构件钢筋的相应尺寸、类型、直径、钢筋宿主ID等，在Dy-namo中根据规定进行重编辑，通过中心线生成拆分后的构件的钢筋，然后再给予位置、弯钩、直径等信息。Dynamo运行步骤：①输入钢筋的相关参数，确定钢筋距离，调取Rebar．FollowingSurface节点创建钢筋曲线；②利用Rebar．GetProperties确定梁的ID、钢筋的类型、直径及种类、起点和终点弯钩方向和角度；③调取Rebar．GetCenterlineCurve节点得到梁的纵筋线段（纵筋中心线即叠合梁中心线方向）；根据已拆分的叠合ID、梁中线方向以及已获取的钢筋直径、弯钩和类别等信息，绘制叠合梁纵筋。
        2）结构分析
        装配式剪力墙结构，梁、预应力叠合板、女儿墙、楼梯、外墙板为预制，结构柱、非预应力楼板和部分板为现浇。采用集成式厨卫，围护墙与保温、隔热、装饰一体化，内隔墙与管线装修一体化结构分析利用Revit和Dynamo结构分析包进行参数建模和结构分析，对Dynamo分析结果与设计标准比对。Dynamo参数化建模的优势在于结构荷载值与几何尺寸的变化是同步的，可实时优化设计方案。设计过程中需对单位面积重量、竖向位移、稳定性、内力调整等指标进行与标准的比较。分析结果主要包含单位重量、构件位移、内力和反力，并将分析结果与与装配式建筑剪力墙结构整体设计控制指标比较，若有不符合标准要求的，重新调整结构模型并运行Dynamo，直至符合规范要求。
        5结论
        装配式建筑是建筑业转型的方向，BIM技术是促进装配式建筑实施的有效平台和方法，基于BIM的参数化集成设计方法有助于装配式建筑设计模块化、标准化、通用化，参数化设计可以极大提高设计效率，有助于设计方案的优化比选。
        参考文献：
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