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解读:装配式建筑深化设计BIM应用技术

装配式建筑深化设计,是预制装配混凝土建筑实施的关键;基于BIM的深化设计,采用从整体到构件的设计理念,先完成构件平面布置,再充分利用参数化设计理念,结合不断累积的构件库,进行构件的自动化快速建模和深化设计,然后应用BIM的自动检查功能对设计进行错误检查,对设计完成的构件进行预装配,检测其正确性和可建造性。本文结合中建·深港新城项目深化设计实践,研究实践BIM深化设计软件Allplan在预制装配式混凝土结构深化设计中的应用。


1工程概况

中建壹品澜湾D地块项目,位于武汉市东西湖区,包括3栋11层及3栋27层高层住宅,含1层地下室,总建筑面积7.9万m2,其中地下建筑面积1.3万m2。结构为装配式剪力墙结构,采用预制三明治保温外墙板、内墙板、叠合楼板、全预制阳台和楼梯等预制构件,预制率为52.1%,装配率89.8%。


中建壹品澜湾


2总体BIM应用思路和软件的选取


2.1装配式混凝土结构深化设计现状


装配式建筑合理的深化设计,是实现预制装配结构的关键,现阶段的平面设计多使用传统的CAD软件,绘图的工作量非常大,且一些错误在二维平面中不能被及时发现,对后期模具和构件生产安装造成一定影响。


为了能更高效准确地完成预制构件深化设计工作,摒弃传统的设计模式,融入更符合装配式建筑设计理念的BIM技术势在必行,但目前BIM产品的纷繁复杂也为技术的高效应用带来困难。常用的BIM建模和应用软件,虽然在建筑建模方面能力已足够强大,但其通用性是以牺牲专业性为前提的,在深化设计模块的开发尚未到达一定深度,经过比选,我们采用预制混凝土专业BIM软件Allplan Precast作为深化设计的核心软件。以下结合中建壹品·新城项目深化设计实践,介绍Allplan在预制装配式混凝土结构深化设计中的应用。


2.2 BIM深化设计原理和应用思路

基于BIM的深化设计,应用所见即所得的3D环境,对建筑平面进行拆分和构件布置,充分利用参数化设计理念,结合不断累积的构件库,进行构件的自动化快速建模和深化设计,专业的钢筋配置进行钢筋布局,应用BIM的自动检查功能对设计进行错误检查,对设计完成的构件进行预装配,检测其正确性和可建造性,BIM模型相关信息,可以对商务分析和工厂生产提供直接的数据支持。


2.3ALLPLAN软件概述


2.3.1软件模块和功能组成;


Allplan Precast是德国Nemetshek公司开发的对象指向的3D综合BIM软件,在预制构件的模型建立和预制构件生产方面具有独特优势。Allplan Precast是一款综合软件,深化设计应用主要涉及两个模块,基础模块和构件模块,基础模块的主要作用是平面设计和BIM建模;构件设计模块主要功能是构件的建模和深化设计,本模块可包括三明治保温墙、单层和多层墙、叠合楼板、实(空)心楼板、楼梯、异形构件等,可覆盖装配式混凝土建筑的所有常见构件。


2.3.2 Allplan特点和优势


(1)整体到局部的设计理念


不同于Revit先对各预制构件单独建模再整体拼装,使用Allplan软件进行深化设计时,设计人员依据装配式建筑规范与图集,通过设定工程参数直接在模型上进行节点拆分,整个拆分过程实时三维可视化。


首先,根据一次设计图纸对项目结构墙体建模;然后进行墙板的拆分,其他设计人员分别同步进行叠合板、预制楼梯、预制阳台、现浇部位的外形和配筋设计;各制图文件保存在服务器上,合并即为项目的完整设计。


本工程的核心设计为墙板的设计,设计人员先做建筑建模,再通过“墙体构件设计”命令将建筑墙转化为三明治墙或单明治墙,并用“连接”命令在预制墙体上进行节点拆分,得到各预制墙的三维模型,整个设计过程通过参数设定完成,取消传统设计画点画线的过程。


(2)参数化设计


对于标准化程度高的预制件,Allplan软件可实现自动化、参数化的深化设计,如叠合板,其外形、配筋具有一定规律,定义公式后,设计时仅需点击几次鼠标即可。"


设计前期,在软件的目录与配置里预先设定本项目典型构件的尺寸限制条件和配筋公式,设计过程中软件会参数化处理,自动拆分、自动配筋。


(3)信息共享技术

BIM的信息共享技术,首先表现在协同设计实施,是指在项目建设过程中项目参与方之间,不同软件系统之间对项目信息的交换和共享。工程项目的设计与建造都需要团队协作,项目参与方、各软件系统之间信息沟通和交流的效率及有效性,对于工程项目的顺利实施至关重要。其次,深化设计相关信息可以传递到生产阶段,主要用于资源准备、计划排产等。


3基于BIM的深化设计流程和组织


3.1深化设计流程


BIM技术在装配式建筑中应用的总体流程包括建筑设计阶段、深化设计阶段、生产制造阶段、建筑施工阶段、运营维护阶段。其中深化设计阶段主要包括构件平面布置设计、构件加工深化设计、设计检查、自动出图、物料统计等。作为装配式建筑BIM应用的重要一环,深化设计BIM应用总体流程图如下图所示。



常规BIM设计软件,是先对单个预制构件建模,再在建筑平面图中拼装,需要对构件的外形尺寸充分考虑后再进行建模,容易出现纰漏。我们应用从整体到局部的设计理念,使用Allplan绘制建筑模型后,通过设定工程参数直接在模型上进行节点拆分,很好地解决了现阶段构件标准化程度不高,预制构件很难统一,建模工作繁重的问题。相较于先建模成块再拼装的设计方式而言,不仅设计效率更高,而且更有针对性。


3.2组织方式


建立一支目标明确、协调统一的团队是保障BIM应用取得成功应用的关键因素。Allplan分为单机版和网络版,公司设计专用电脑安装网络版以实现项目控制,项目设计置一个关键用户,负责系统的设置、文件的统一管理、工作的标准等,保证了设计参数、标准的统一。;由关键用户建立“项目向导”,作为其他设计参与者绘图的标准,为项目参与者分配权限,不同的设计人员在不同的设计文档中读写、修改设计文件,互不影响,同时进行,实现协同工作,保证设计的唯一性和可追溯性。


4 深化设计实施


4.1预制构件平面布置图设计;


平面布置图设计流程如下:


平面布置图应包括竖向构件平面布置图和水平构件平面布置图。基于BIM构件平面布置图的设计实施步骤为:


(1)模型创建

根据建筑和结构平面图相关工程数据,利用BIM软件,进行各种构件的参数设置,设置完成后,创建完整的BIM模型。结合软件功能和参数化设计理念,可以在二维操作界面完成三维设计,方便简洁。


(2)初步深化设计

在创建的BIM模型基础上进行构件布置平面深化设计, BIM信息有助于单个构件几何属性的可视化分析,可以对预制构件的类型、数量进行优化,从而减少预制构件的类型和数量。利用BIM技术参数化特点,对各个构件在空间进行精确的定位,从而形成预制构件平面图。


以导入的CAD设计图纸文件为基础,运用Allplan对各种构件进行参数化设计,对于墙、板、梁、柱构件主要通过系统内置“建筑模块”来自动完成,对于异型构件(如:阳台、空调板、楼梯等)主要通过“附加工具模块”完成,相关参数设置好以后,开始建立标准层BIM模型,最后组合创建完整的BIM模型。


4 深化设计实施


4.1预制构件平面布置图设计;


平面布置图设计流程如下:


平面布置图应包括竖向构件平面布置图和水平构件平面布置图。基于BIM构件平面布置图的设计实施步骤为:


(1)模型创建

根据建筑和结构平面图相关工程数据,利用BIM软件,进行各种构件的参数设置,设置完成后,创建完整的BIM模型。结合软件功能和参数化设计理念,可以在二维操作界面完成三维设计,方便简洁。


(2)初步深化设计

在创建的BIM模型基础上进行构件布置平面深化设计, BIM信息有助于单个构件几何属性的可视化分析,可以对预制构件的类型、数量进行优化,从而减少预制构件的类型和数量。利用BIM技术参数化特点,对各个构件在空间进行精确的定位,从而形成预制构件平面图。


以导入的CAD设计图纸文件为基础,运用Allplan对各种构件进行参数化设计,对于墙、板、梁、柱构件主要通过系统内置“建筑模块”来自动完成,对于异型构件(如:阳台、空调板、楼梯等)主要通过“附加工具模块”完成,相关参数设置好以后,开始建立标准层BIM模型,最后组合创建完整的BIM模型。


4.2基于BIM的构件加工图深化设计;


构件深化设计流程如下图所示。


构件加工图深化设计是装配式建筑深化设计的核心环节,通过已完成的预制构件平面布置图,对各个构件进行深化设计形成生产加工图;设计内容包括构件的外轮廓及节点构造设计、配筋设计、水电预留预埋设计、吊点设计、施工预埋设计等。


针对预制墙的设计,运用Allplan预制构件模块下的“墙体构件设计”对模型中的“建筑墙”进行预制构件化。主要设计阶段包括:墙体类型的设计、连接节点设计、配筋设计、修改设计,设计过程中可通过“属性”选项进行构件参数的调整。


实施步骤包括:


(1)节点构造设计


预制构件与预制构件、预制构件与现浇结构之间节点的设计,根据结构数据,从标准节点库引用符合条件的节点,完成标准节点构造设计。对于非标准节点构造,运用BIM参数化设计,完成非标准节点构造的设计,并保存非标准节点构造至节点构造库。


(2)配筋设计


配筋设计主要包括暗柱、梁、剪力墙、板、楼梯等的设计,运用BIM参数化设计,根据结构图纸,直接选择钢筋型号、数量、弯钩形状和长度,进行配筋设计。对于不同构件的相同配筋,可以从标准库直接选择,从而实现一键配筋,大大节省了配筋设计所需时间。



墙的布筋和钢筋形状比较规律,可使用“钢筋类型”进行布筋,含有窗洞,门洞的墙体,或者较多钢筋需要特别的形状时,使用“工程模块”进行布筋。


(3)水电预留预埋设计


根据水电施工图的相关要求,建立水电预埋件标准库,可以直接在标准库中选择相应埋件,在三维可视化界面中布置埋件,提高了水电预留预埋位置的精准度。


(4)吊点设计

通过对构件脱模、起吊等因素的综合考虑,运用BIM技术对构件模型进行受力分析,确定吊点位置以及吊钉规格,从标准库选择相应规格吊钉进行准确布置。


(5)施工预留预埋设计


施工预留预埋主要包括模板加固预埋件、斜支撑固定预埋件、外架附着预留预埋、塔吊附墙预留预埋、施工电梯附墙预留预埋及其他二次构造预留预埋,如:雨棚、空调架等。


4.3基于BIM的设计检查和构件预拼装


构件设计检查流程如下图所示。


利用BIM的三维可视化和空间碰撞检查功能进行深化设计检查优化,包括对构件与构件之间、构件与现浇结构之间、构件与施工设施之间的空间关系进行检查;构件内部的钢筋与钢筋之间、钢筋和水电线管之间、钢筋与预埋件之间的空间关系进行检查。实施步骤包括:


(1)构件内部的检查与优化


对预制构件的几何尺寸及内部钢筋直径、间距、钢筋保护层厚度等重要参数进行精准设计、定位。在BIM模型的三维视图中,设计人员可以直观地观察到待拼装预制构件之间的契合度,并可以利用BIM技术的碰撞检测功能,细致分析预制构件结构连接节点的可靠性,排除预制构件之间的装配冲突,从而避免由于设计粗糙而影响到预制构件的安装定位,减少由于设计误差带来的工期延误和材料资源的浪费。


选择某一构件,分别设定钢筋与钢筋之间、钢筋与水电管线之间、钢筋与预埋件之间的碰撞规则,然后进行检查,对碰撞部位进行优化。


(2)构件与构件之间的检查与优化


构件与构件之间的检查主要包括构件间互相关联的钢筋之间、外轮廓之间的碰撞检查,设定碰撞规则,检查规定部位的碰撞情况,对发生冲突的构件,分析、排除,优化设计。


(3)构件与现浇结构之间的检查与优化


构件与现浇结构之间的检查主要是钢筋与钢筋之间的碰撞检查,设定碰撞规则,检查规定部位的碰撞情况。对发生碰撞的钢筋认真分析、讨论,然后优化工程设计,修改钢筋参数,避免碰撞。


(4)构件与施工设施之间的检查与优化


构件与施工设施之间的检查有别于前面三种情况,在检查之前,需要按照施工设施建立相同规格的模型,然后模拟施工现场安装情况,在三维视图下观察施工预留预埋位置是否和施工设施相匹配,如果发生错位情况,只需调整施工预留预埋位置即可。


碰撞检查完成后,软件会将所有碰撞的位置全部列出来,可以在三维视图中直观的看出碰撞情况,见下图



(5)模拟安装

设计检查后,对构件进行模拟安装,对预制墙板、叠合楼板、预制阳台、预制楼梯等构件进行吊装模拟;另对竖向结构现浇部位钢筋绑扎、封模进行模拟,以检测节点设计和施工方案的可行性。


4.4 基于BIM技术的快速出图和信息输出;


4.4.1出图和信息应用解决方案


(1)根据深化设计图纸布局要求,通过定制BIM软件功能,设置和调整出图布局目录。


(2)以三维模型为操作对象,应用BIM软件功能到批量出图。通过BIM技术,设计师由以往的图纸设计转变为模型设计,图纸只是BIM运用以及整个设计生产流程中的一个副产品,其目的是协助和兼容暂不能接受模型和数据信息的人员或设备。以BIM模型为操作对象应用BIM软件快速生成深化设计图纸,BIM自动生成的图纸和模型动态链接,一旦模型参数修改,与之相关的所有图纸都将自动更新,无需设计师修改图纸。


(3)在设计信息深层次应用的领域,确定各方所需工程信息,制定专业应用清单,通过BIM模型或软件接口输出所需信息统计数据。基于BIM模型后台的数据库,使得设计信息的分类提取和快速统计成为可能,并应用于商务计量、资源准备、计划排产等等领域,准确规范的数据也使相关工作开展更加便利可靠。


(4)BIM能够支持从设计到制造的信息传递,将设计阶段产生的BIM模型供生产阶段提取和更新。可以通过定制的各类清单(包括商务报价、物料采购、生产安排、物流仓储、施工安装)进行工程量统计,真实的提供造价管理需要的工程量信息,BIM在构件生产阶段的显著优势在于信息传递的准确性与时效性强,这类数控生产技术使得构件生产的精益生产技术有可能得以真正实现。


Allplan可直接导出生产数据,由数控机床来画图,布置钢筋和预埋件,帮助工人工作。Allplan设计文件可以生成BVBS和MSA两种可供机器识别的数据。


4.4.2一键出图


BIM软件具有强大的智能出图


和自动更新功能,对图纸的布局由关键用户根据公司规定定义好,一般用户直接选择“元素平面图”功能,框选预制构件,软件自动生成需要的深化设计图纸,整个出图过程无需人工干预,而且有别于传统CAD创建的数据孤立的二维图纸,Allplan自动生成的图纸和模型动态链接,一旦模型数据发生修改,与其关联的所有图纸都将自动更新,最后通过“批处理的元素平面图”命令导出不同格式的图纸(如:PDF、DXF、DWG等)。通过Allplan减少了深化设计的工作量,避免了人工出图可能出现的错误,大大提高了出图效率。布局目录设置如下图所示。



自动生成元素平面图如下图所示。


5通用性工作


5.1构件库的建立和维护


丰富和参数化的构件库,是深化设计高效开展的关键,可以避免大量重复性的工作。对于标准构件,可以根据已有标准库,进行快速设计,而且提高了设计的准确度。


构件库的建设是逐渐完善和丰富的过程,除内置的标准化构件外,对于每个项目新增建的异型构件模型,都可以放入已有模型库,在深化设计过程中,将项目所用到的新的埋件、线条轮廓等保存在库文件下,为后期的使用提供便利。


5.2建模规则


对重复的大量工作,如钢筋的布置,可以在软件的支持下定制一定的规则,作为自动化建模的规则,逐步实现快速建模。


5.2出图规则和图纸布局


进行图纸布局设计,使图纸幅面整洁、视图及相关数据统计齐全;针对每一类构件,建立出图规则,主要包括标注的范围、类型、相互关系等,使图纸内容标准、规范;


在同一项目下,技术负责人或其他设计人员可预先将不同类型的墙、门、窗、标注样式等绘制好,导入项目向导,这样该项目所有的参与者均可以使用向导文件里设定好的建筑元素直接绘图,省去了很多的重复工作。


6应用效果


针对BIM技术在本项目装配式建筑深化设计中的应用,通过大量的研究分析与实践,取得了显著成果。通过深入分析BIM技术应用的特点以及装配式建筑深化设计的方法、流程,提出了BIM技术在深化设计中应用的基本原理、实施方法;探讨了BIM技术在深化设计中的设计流程、实施步骤以及创新点,构建了装配式建筑深化设计中应用BIM技术的实施体系;参数化设计使得设计人员的工作效率大大提高;模型创建及碰撞检查使得提前发现并解决施工问题成为可能;复杂节点的深化使得钢筋的用量减少,外伸筋形式得到优化,便于现场施工;预制构件的安装模拟优化了施工组织,减少资源投入。


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