BIM裝配式建筑模塊化設(shè)計應(yīng)用分析

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摘要：隨著bim作為技術(shù)應(yīng)用熱點的興起，以BIM結(jié)合模塊化的裝配式建筑設(shè)計方式逐漸成為推動我國建筑工業(yè)化快速發(fā)展的有力抓手。在國家相關(guān)政策和行業(yè)規(guī)范的出臺支持下，我國裝配式建筑將迎來新的發(fā)展階段。文章介紹了裝配式建筑與BIM技術(shù)兩者相融合的發(fā)展趨勢，通過闡述裝配式建筑的模塊化理念及設(shè)計方法，分析了基于BIM相關(guān)軟件平臺下的模塊化設(shè)計過程及其意義，進而探究與BIM技術(shù)結(jié)合的模塊化設(shè)計在裝配式建筑中的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；裝配式建筑；模塊化設(shè)計；建筑工業(yè)化

引言

現(xiàn)階段我國正大力推行智慧城市建設(shè)，裝配式建筑憑借其高效率、低成本、重環(huán)保、輕勞工等諸多優(yōu)勢成為重點建筑類型。國家住建部頒布的《“十三五”裝配式建筑行動方案》，要求“到2020年全國裝配式建筑占新建建筑比例要求達到15％以上，其中重點推進地區(qū)將達到20％以上”[1]。未來，我國將全面推進裝配式建筑的發(fā)展。同時住建部也在關(guān)于印發(fā)建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃綱要中提出應(yīng)增加BIM技術(shù)開工項目，推廣BIM技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用。基于BIM技術(shù)平臺對裝配式建筑進行全壽命周期設(shè)計，將建筑信息化與建筑工業(yè)化相結(jié)合，將有力促進裝配式建筑向智慧化建造方向發(fā)展。在裝配式建筑設(shè)計中，基于標準化模式下的模塊化設(shè)計方式十分重要，但現(xiàn)階段在我國裝配式建筑項目中應(yīng)用模塊化設(shè)計的形式仍相對比較缺乏。因此，在BIM技術(shù)興起的背景下，可將模塊化結(jié)合建筑信息化、參數(shù)化技術(shù)進行設(shè)計，利用BIM平臺基于其各專業(yè)、各階段和各參數(shù)方數(shù)據(jù)的有效集成以及其可視化特征為裝配式建筑模塊化設(shè)計提供一體化的解決方式。隨著模塊化設(shè)計未來在裝配式建筑項目上的廣泛應(yīng)用，將會更加有效地提高項目建設(shè)的效率，在一定程度上推動項目工程的進度。

1裝配式建筑與BIM技術(shù)

1.1裝配式建筑及其存在問題

裝配式建筑是指改變傳統(tǒng)建造方式，將需要大量現(xiàn)場作業(yè)的工作通過工業(yè)化的方式將建造建筑所用的構(gòu)件和配件（如樓板、墻板、樓梯、陽臺等）在工廠廠區(qū)制作加工完成后再運輸?shù)巾椖渴┕がF(xiàn)場，在施工現(xiàn)場通過恰當?shù)剡B接方式對預制構(gòu)配件進行裝配而成的建筑類型。裝配式建筑雖然本身具有生產(chǎn)效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，但在很多項目中仍存在預制構(gòu)件生產(chǎn)過多、構(gòu)件節(jié)點制作誤差、構(gòu)配件信息不規(guī)范、制作效率低下、施工難度及現(xiàn)場工作量大等問題，在建設(shè)過程中造成了環(huán)境破壞和資源浪費。因此裝配式建筑預制構(gòu)配件及相應(yīng)構(gòu)件節(jié)點需要在生產(chǎn)施工前達到標準化模式。隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用與其軟件平臺功能完善，為解決裝配式建筑預制構(gòu)配件設(shè)計存在的固有問題帶來了希望。

1.2BIM技術(shù)及其應(yīng)用特點

建筑信息化模型（BuildingInformationModeling，BIM）建立的核心是在利用參數(shù)化技術(shù)的基礎(chǔ)上模擬現(xiàn)實工程建立三維模型，并將完整的模型信息構(gòu)建為數(shù)字化信息系統(tǒng)，從而做到與現(xiàn)實建筑工程整體信息相一致。BIM技術(shù)還具有可視化操作、協(xié)調(diào)設(shè)計、模擬構(gòu)建、優(yōu)化信息處理、可出圖性五大基本特點[2]。BIM可以通過對建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型進行整合，在項目的全壽命周期過程中共享和傳遞實時信息，為建造項目的設(shè)計、施工、運營等各個環(huán)節(jié)的建設(shè)提供了相互協(xié)調(diào)、互為完善的統(tǒng)一平臺（圖1）。BIM技術(shù)的應(yīng)用在提升項目設(shè)計效率、滿足生產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)約施工成本、縮短施工工期等方面發(fā)揮著重要作用。

1.3裝配式建筑與BIM技術(shù)結(jié)合使用優(yōu)勢

近幾年來，我國建筑行業(yè)積極促進BIM技術(shù)與裝配式建筑的融合，大力提倡BIM＋技術(shù)的應(yīng)用，因此BIM技術(shù)與裝配式建筑相結(jié)合的應(yīng)用模式是必然發(fā)展趨勢?？梢詮难b配式建筑設(shè)計階段就使用BIM技術(shù)相關(guān)軟件（如AutodeskRevit）為其建立相關(guān)可視化模型，將建造整體拆分成所需預制構(gòu)件，并將全部構(gòu)件的詳細參數(shù)、構(gòu)件節(jié)點信息導入數(shù)據(jù)庫，在BIM協(xié)同設(shè)計平臺上進行綜合和優(yōu)化，從而實現(xiàn)預制構(gòu)件屬性標準化。可在BIM平臺中將裝配式建筑工程的各個階段進行三維模擬，能夠有效地發(fā)現(xiàn)項目各個環(huán)節(jié)易出現(xiàn)的錯誤以及眾多預制構(gòu)件信息參數(shù)容易存在的誤差，能夠避免在實際建設(shè)工程中出現(xiàn)較大的問題。而BIM作為信息化系統(tǒng)可以為裝配式建筑提供全壽命周期的信息管理，能夠在達到預制構(gòu)件標準化的基礎(chǔ)上完成模塊化設(shè)計的整個過程。

2裝配式建筑中的模塊化設(shè)計

2.1模塊化設(shè)計基本原理

模塊化指以模數(shù)化為標準的功能區(qū)塊，模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)是根據(jù)功能、層次、標準來劃分模塊。模塊可以定義為：“由標準模塊和非標模塊來進行設(shè)計組合成為具有某種特定功能及結(jié)構(gòu)的單元，它能夠與其他組件（或模塊）通過規(guī)范的標準接口連接構(gòu)成相對更大的組件、部件或系統(tǒng)。”[3]即通過類似于“搭積木”游戲的方式，將功能模塊進行拼接組合成為具有標準化屬性的一系列單元模塊。不同單元模塊在不同項目的建造需求下性能、規(guī)格、結(jié)構(gòu)上均有差異。在設(shè)計時，應(yīng)注意不同模塊具備其自身特性，不能由系統(tǒng)任意拆分獲得。模塊化設(shè)計更傾向于將建筑劃分為各類功能空間，把適合的功能模塊放置于同一單元中，并對單元模塊進行集成，從而完成建筑整體設(shè)計。

2.2裝配式建筑模塊化設(shè)計方法

裝配式建筑的模塊化設(shè)計是指在設(shè)計中遵循模數(shù)協(xié)調(diào)的原則，對規(guī)格、類型、性能不同的預制構(gòu)件進行功能劃分的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一系列滿足建造需要的功能模塊化構(gòu)件，用以構(gòu)成單元或功能空間。通過不同模塊之間的選擇組合可以構(gòu)成不同的裝配式建筑。模塊化設(shè)計相對傳統(tǒng)設(shè)計模式更加靈活，將極大增加裝配式建筑的多樣性。建筑模塊還具備方便拆卸、可循環(huán)使用的特點，不僅可以滿足各建筑工程中不同設(shè)計需求，而且能夠隨著建設(shè)規(guī)劃的完善進行拆卸遷移，從而避免傳統(tǒng)模式造成的環(huán)境破壞和資源浪費。裝配式建筑模塊化設(shè)計方法建立在標準化、集成化的基礎(chǔ)上，通過標準化設(shè)計，建筑各部件模塊按功能屬性組成標準單元，將各部件之間采用標準化接口進行搭接，形成多層級的功能模塊組合系統(tǒng)。在此之后采用集成化設(shè)計，利用擴大模數(shù)、分模數(shù)的方法重組模塊系統(tǒng)，將建筑主體部分系統(tǒng)、外圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、設(shè)備與管線綜合系統(tǒng)和室內(nèi)裝修系統(tǒng)進行集約整合，從而達到裝配式建筑的設(shè)計要求，形成可復制可推廣的建筑單體。合理利用模塊化設(shè)計方法將極大限度地提升裝配式建筑的整體功能品質(zhì)、質(zhì)量精度及施工效率，為我國建筑工業(yè)化體系的建設(shè)提供一定助力（圖2）。

3利用BIM技術(shù)進行模塊化設(shè)計的過程及意義

3.1基于BIM技術(shù)的模塊化設(shè)計過程

BIM技術(shù)作為覆蓋裝配式建筑全壽命周期的建筑信息系統(tǒng)，可以儲存大量的模型信息。利用專業(yè)軟件AutodeskRevit，根據(jù)裝配式建筑平面圖數(shù)據(jù)進行參數(shù)化設(shè)計，將其創(chuàng)建成為完整的BIM模型，在創(chuàng)建模型的基礎(chǔ)上進行構(gòu)件布置深化設(shè)計。在BIM系統(tǒng)中將裝配式建筑模型的結(jié)構(gòu)拆分成各個構(gòu)件，可對單個構(gòu)件的屬性進行可視化分析，按照不同構(gòu)件的規(guī)格類型、功能信息、節(jié)點連接及構(gòu)造形式進行歸類整理，收集形成屬于某一特定類別的族庫。構(gòu)件入庫前應(yīng)經(jīng)過相應(yīng)的碰撞檢測和審核檢驗，以保證構(gòu)件模型質(zhì)量，檢驗尺寸、材質(zhì)等參數(shù)的準確性，并對其參數(shù)化結(jié)果進行調(diào)試[4]。這種特定類型的族庫即為特定的建筑功能模塊。不同的族具備獨立性，在BIM平臺下建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備設(shè)計等各個階段進行協(xié)同設(shè)計的同時均可根據(jù)功能需求與其關(guān)聯(lián)的模塊族庫進行拆分設(shè)計。在其他項目需要某種特定功能模塊時可以隨時調(diào)用，并且軟件自帶的分析計算可對模塊進行結(jié)構(gòu)信息調(diào)改，方便用于模塊化分析。在選定合適的功能模塊后可通過調(diào)用符合連接要求的節(jié)點族將相應(yīng)模塊組合成某種具有特定功能及結(jié)構(gòu)的單元，生成的單元具有可協(xié)調(diào)性。在項目建設(shè)時可以根據(jù)要求利用不同的功能模塊、節(jié)點進行多樣性連接，用相同或不同功能模塊之間的相互連接搭配來實現(xiàn)工程的建設(shè)目的。在BIM平臺中各模塊及連接節(jié)點只有完全達到建設(shè)標準后才能交付工廠生產(chǎn)再運往現(xiàn)場進行施工（圖3）。

3.2BIM技術(shù)結(jié)合模塊化設(shè)計的意義

基于BIM系統(tǒng)能夠涵蓋建造項目的各個階段，可以根據(jù)隨時反饋的信息來對模塊的組合、連接進行調(diào)整以符合工程需求。在BIM平臺信息監(jiān)管下可以達到建造方式模塊化，實現(xiàn)不同性能、用途的裝配式建筑設(shè)計。例如設(shè)計住宅時，可利用BIM系統(tǒng)對其標準層進行模塊化設(shè)計，并對相應(yīng)模塊空間進行優(yōu)化，將所需功能模塊信息儲存為特定的族庫，在建設(shè)主體結(jié)構(gòu)過程中只需調(diào)取含相應(yīng)模塊的族庫進行反復搭建即可。在BIM平臺信息實時更新下能有效地了解預期構(gòu)建主體的眾多構(gòu)件、配件、組合單元是否達到標準化、模塊化要求，通過模擬現(xiàn)實施工環(huán)境中各個施工節(jié)點，及時反映各單元模塊之間的連接、拼裝關(guān)系。而且在BIM信息系統(tǒng)監(jiān)管下能夠及時對現(xiàn)場施工進行優(yōu)化指導，在很大程度上提高了從設(shè)計、生產(chǎn)到施工階段各專業(yè)聯(lián)結(jié)度，節(jié)約了建設(shè)成本。我國裝配式建筑今后的發(fā)展需要在達到預制構(gòu)件標準化的基礎(chǔ)上完成對功能空間的模塊化設(shè)計，BIM技術(shù)與模塊化結(jié)合的設(shè)計理念也將大力推動裝配式建筑在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，進而打造我國建筑工業(yè)化體系建設(shè)加速度。

4BIM結(jié)合模塊化設(shè)計在裝配式建筑中的應(yīng)用實例

目前，隨著BIM與裝配式建筑兩大技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，基于BIM技術(shù)的模塊化設(shè)計理念也逐漸被應(yīng)用到裝配式建筑實際項目中。裝配式預制構(gòu)件的標準化、模塊化在BIM平臺的數(shù)字化模擬操作下相對比較容易實現(xiàn)，在建筑工業(yè)化進程中運用BIM技術(shù)結(jié)合裝配式模塊化設(shè)計的方式也逐步被人認同。從住宅類裝配式建筑使用BIM＋模塊化設(shè)計理念開始，BIM＋模塊化的設(shè)計思路慢慢滲透到建筑行業(yè)內(nèi)不同領(lǐng)域當中，例如：辦公、商業(yè)、教育、醫(yī)療類建筑等等。下面將介紹利用BIM結(jié)合模塊化設(shè)計的裝配式建筑在實際應(yīng)用中的典型案例。2017年雄安新區(qū)設(shè)立，在國務(wù)院的指示下，需要在新設(shè)定的雄安新區(qū)中建設(shè)市民服務(wù)中心工程來為人民群眾提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。該項目占地近10萬平方米，于2017年12月份開始正式施工，各相關(guān)參與單位僅用了40天時間便完成了7座主體建筑結(jié)構(gòu)從設(shè)計到完成施工的全過程。而雄安市民服務(wù)中心能在如此短時間內(nèi)完成主體建設(shè)，離不開BIM技術(shù)的支持、裝配式建筑的標準化、集成化設(shè)計，更離不開建筑單元模塊化設(shè)計方法的運用。雄安市民服務(wù)中心項目全程貫穿“綠色、現(xiàn)代、智慧”的建造理念，在企業(yè)辦公區(qū)采用了裝配式建筑的標準模塊化設(shè)計方法，在BIM平臺下采用箱型單元房尺寸模數(shù)進行模塊化模擬搭建，在設(shè)計出箱式單元模塊功能房間后進行工廠化生產(chǎn)。在設(shè)計過程中將辦公室、咨詢室等分為若干功能模塊設(shè)計，有效地把雄安市民服務(wù)中心的核心辦公區(qū)空間單元進行靈活組合，從功能分區(qū)（靜區(qū)、動區(qū)）、流線組織、單元區(qū)塊布置、平面布局模式等方面入手，優(yōu)化了設(shè)計流程，做到了一體化設(shè)計、智慧化建設(shè)（圖4）。

項目的全壽命周期在BIM平臺可視化操作的基礎(chǔ)上結(jié)合裝配式建筑模塊化設(shè)計，充分發(fā)揮出建設(shè)的速度優(yōu)勢，施工工期相比傳統(tǒng)建造模式節(jié)省近一半時間，建筑垃圾比傳統(tǒng)建設(shè)減少80％以上。基于云系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)引領(lǐng)，通過SOP-BIM運維管理平臺的技術(shù)支撐，在BIM系統(tǒng)中建立的三維可視化信息模型可獲取實時信息，利用云系統(tǒng)對現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)進行密切監(jiān)測，跟蹤施工進度，可以及時發(fā)現(xiàn)安全隱患并進行處理，最大限度確保施工人員安全，提升了應(yīng)急管理水平。體現(xiàn)出綠色、高效、安全的建設(shè)要求（圖5）。雄安市民服務(wù)中心的設(shè)計是由BIM設(shè)計師全程負責，在制定出箱式單元房模塊化設(shè)計方案后，利用BIM平臺的信息共享進行各專業(yè)協(xié)同設(shè)計。然后將最終設(shè)計成果提交給工廠生產(chǎn)標準化構(gòu)件，在廠區(qū)把箱式結(jié)構(gòu)的單元房搭建好后運往施工現(xiàn)場。提前利用BIM的仿真模擬和方案比選功能將各單元模塊的場地布置安排好，然后需要在施工現(xiàn)場做好基礎(chǔ)底板，建造時只需將相應(yīng)單元模塊與BIM連接板進行校準搭接，就像“搭積木”一樣方便快捷。在項目建造時最大限度地采用了預制裝配式工業(yè)化成品，在外部拼接后進行整體吊裝，減少了現(xiàn)場作業(yè)的工作量，模塊化安裝施工流程既保證了建筑質(zhì)量，又提升了效率（圖6）。此次采用模塊化理念來設(shè)計的裝配式箱型單元房，其結(jié)構(gòu)體系在使用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)安全且按需求方便進行功能拆分，極大地增加了施工過程的安全性、準確性和便捷性。由BIM技術(shù)支持下利用模塊化設(shè)計完成的雄安市民服務(wù)中心項目，讓裝配式建筑締造了令行業(yè)震驚的“雄安速度”，并在2019年贏得我國建設(shè)工程魯班獎。結(jié)語本文簡單介紹了裝配式建筑與BIM技術(shù)融合應(yīng)用的必要性，通過了解BIM技術(shù)結(jié)合模塊化理念在裝配式建筑中的設(shè)計過程，對模塊化設(shè)計的實際應(yīng)用進行研究，為我國裝配式建筑建設(shè)提供了一種新思路。但目前我國有關(guān)模塊化設(shè)計的核心技術(shù)與系統(tǒng)成果還相對比較欠缺，設(shè)計水平有待提升，為裝配而裝配的現(xiàn)象還比較多，在與BIM技術(shù)結(jié)合過程中仍然存在一些問題。而在BIM背景下的模塊化設(shè)計理念與裝配式建筑相結(jié)合是我國建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，只有通過對BIM技術(shù)更好的利用，才能確保模塊化設(shè)計的完善性。未來可以將模塊化理念深入到裝配式建筑構(gòu)件的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝等各階段，這也符合我國創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念。隨著我國對裝配式建筑相應(yīng)推廣政策的出臺及BIM＋模式的推行應(yīng)用，合理利用裝配式的模塊化設(shè)計，不僅能夠改善傳統(tǒng)建造方式容易造成環(huán)境污染和浪費資源的情況，推動智慧城市綠色化建設(shè)，更有助于促進我國建筑工業(yè)化體系未來的發(fā)展。

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作者：安家成 劉學賢 單位：青島理工大學建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院