BIM装配式建筑模块化设计应用分析

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摘要：随着bim作为技术应用热点的兴起，以BIM结合模块化的装配式建筑设计方式逐渐成为推动我国建筑工业化快速发展的有力抓手。在国家相关政策和行业规范的出台支持下，我国装配式建筑将迎来新的发展阶段。文章介绍了装配式建筑与BIM技术两者相融合的发展趋势，通过阐述装配式建筑的模块化理念及设计方法，分析了基于BIM相关软件平台下的模块化设计过程及其意义，进而探究与BIM技术结合的模块化设计在装配式建筑中的实际应用价值。

关键词：BIM技术；装配式建筑；模块化设计；建筑工业化

引言

现阶段我国正大力推行智慧城市建设，装配式建筑凭借其高效率、低成本、重环保、轻劳工等诸多优势成为重点建筑类型。国家住建部颁布的《“十三五”装配式建筑行动方案》，要求“到2020年全国装配式建筑占新建建筑比例要求达到15％以上，其中重点推进地区将达到20％以上”[1]。未来，我国将全面推进装配式建筑的发展。同时住建部也在关于印发建筑业发展“十三五”规划纲要中提出应增加BIM技术开工项目，推广BIM技术在建筑行业中的应用。基于BIM技术平台对装配式建筑进行全寿命周期设计，将建筑信息化与建筑工业化相结合，将有力促进装配式建筑向智慧化建造方向发展。在装配式建筑设计中，基于标准化模式下的模块化设计方式十分重要，但现阶段在我国装配式建筑项目中应用模块化设计的形式仍相对比较缺乏。因此，在BIM技术兴起的背景下，可将模块化结合建筑信息化、参数化技术进行设计，利用BIM平台基于其各专业、各阶段和各参数方数据的有效集成以及其可视化特征为装配式建筑模块化设计提供一体化的解决方式。随着模块化设计未来在装配式建筑项目上的广泛应用，将会更加有效地提高项目建设的效率，在一定程度上推动项目工程的进度。

1装配式建筑与BIM技术

1.1装配式建筑及其存在问题

装配式建筑是指改变传统建造方式，将需要大量现场作业的工作通过工业化的方式将建造建筑所用的构件和配件（如楼板、墙板、楼梯、阳台等）在工厂厂区制作加工完成后再运输到项目施工现场，在施工现场通过恰当地连接方式对预制构配件进行装配而成的建筑类型。装配式建筑虽然本身具有生产效率高、节能环保等优点，但在很多项目中仍存在预制构件生产过多、构件节点制作误差、构配件信息不规范、制作效率低下、施工难度及现场工作量大等问题，在建设过程中造成了环境破坏和资源浪费。因此装配式建筑预制构配件及相应构件节点需要在生产施工前达到标准化模式。随着BIM技术的不断发展应用与其软件平台功能完善，为解决装配式建筑预制构配件设计存在的固有问题带来了希望。

1.2BIM技术及其应用特点

建筑信息化模型（BuildingInformationModeling，BIM）建立的核心是在利用参数化技术的基础上模拟现实工程建立三维模型，并将完整的模型信息构建为数字化信息系统，从而做到与现实建筑工程整体信息相一致。BIM技术还具有可视化操作、协调设计、模拟构建、优化信息处理、可出图性五大基本特点[2]。BIM可以通过对建筑的数据化、信息化模型进行整合，在项目的全寿命周期过程中共享和传递实时信息，为建造项目的设计、施工、运营等各个环节的建设提供了相互协调、互为完善的统一平台（图1）。BIM技术的应用在提升项目设计效率、满足生产质量、节约施工成本、缩短施工工期等方面发挥着重要作用。

1.3装配式建筑与BIM技术结合使用优势

近几年来，我国建筑行业积极促进BIM技术与装配式建筑的融合，大力提倡BIM＋技术的应用，因此BIM技术与装配式建筑相结合的应用模式是必然发展趋势。可以从装配式建筑设计阶段就使用BIM技术相关软件（如AutodeskRevit）为其建立相关可视化模型，将建造整体拆分成所需预制构件，并将全部构件的详细参数、构件节点信息导入数据库，在BIM协同设计平台上进行综合和优化，从而实现预制构件属性标准化。可在BIM平台中将装配式建筑工程的各个阶段进行三维模拟，能够有效地发现项目各个环节易出现的错误以及众多预制构件信息参数容易存在的误差，能够避免在实际建设工程中出现较大的问题。而BIM作为信息化系统可以为装配式建筑提供全寿命周期的信息管理，能够在达到预制构件标准化的基础上完成模块化设计的整个过程。

2装配式建筑中的模块化设计

2.1模块化设计基本原理

模块化指以模数化为标准的功能区块，模块化设计的基础是根据功能、层次、标准来划分模块。模块可以定义为：“由标准模块和非标模块来进行设计组合成为具有某种特定功能及结构的单元，它能够与其他组件（或模块）通过规范的标准接口连接构成相对更大的组件、部件或系统。”[3]即通过类似于“搭积木”游戏的方式，将功能模块进行拼接组合成为具有标准化属性的一系列单元模块。不同单元模块在不同项目的建造需求下性能、规格、结构上均有差异。在设计时，应注意不同模块具备其自身特性，不能由系统任意拆分获得。模块化设计更倾向于将建筑划分为各类功能空间，把适合的功能模块放置于同一单元中，并对单元模块进行集成，从而完成建筑整体设计。

2.2装配式建筑模块化设计方法

装配式建筑的模块化设计是指在设计中遵循模数协调的原则，对规格、类型、性能不同的预制构件进行功能划分的基础上，设计出一系列满足建造需要的功能模块化构件，用以构成单元或功能空间。通过不同模块之间的选择组合可以构成不同的装配式建筑。模块化设计相对传统设计模式更加灵活，将极大增加装配式建筑的多样性。建筑模块还具备方便拆卸、可循环使用的特点，不仅可以满足各建筑工程中不同设计需求，而且能够随着建设规划的完善进行拆卸迁移，从而避免传统模式造成的环境破坏和资源浪费。装配式建筑模块化设计方法建立在标准化、集成化的基础上，通过标准化设计，建筑各部件模块按功能属性组成标准单元，将各部件之间采用标准化接口进行搭接，形成多层级的功能模块组合系统。在此之后采用集成化设计，利用扩大模数、分模数的方法重组模块系统，将建筑主体部分系统、外围护结构系统、设备与管线综合系统和室内装修系统进行集约整合，从而达到装配式建筑的设计要求，形成可复制可推广的建筑单体。合理利用模块化设计方法将极大限度地提升装配式建筑的整体功能品质、质量精度及施工效率，为我国建筑工业化体系的建设提供一定助力（图2）。

3利用BIM技术进行模块化设计的过程及意义

3.1基于BIM技术的模块化设计过程

BIM技术作为覆盖装配式建筑全寿命周期的建筑信息系统，可以储存大量的模型信息。利用专业软件AutodeskRevit，根据装配式建筑平面图数据进行参数化设计，将其创建成为完整的BIM模型，在创建模型的基础上进行构件布置深化设计。在BIM系统中将装配式建筑模型的结构拆分成各个构件，可对单个构件的属性进行可视化分析，按照不同构件的规格类型、功能信息、节点连接及构造形式进行归类整理，收集形成属于某一特定类别的族库。构件入库前应经过相应的碰撞检测和审核检验，以保证构件模型质量，检验尺寸、材质等参数的准确性，并对其参数化结果进行调试[4]。这种特定类型的族库即为特定的建筑功能模块。不同的族具备独立性，在BIM平台下建筑、结构、设备设计等各个阶段进行协同设计的同时均可根据功能需求与其关联的模块族库进行拆分设计。在其他项目需要某种特定功能模块时可以随时调用，并且软件自带的分析计算可对模块进行结构信息调改，方便用于模块化分析。在选定合适的功能模块后可通过调用符合连接要求的节点族将相应模块组合成某种具有特定功能及结构的单元，生成的单元具有可协调性。在项目建设时可以根据要求利用不同的功能模块、节点进行多样性连接，用相同或不同功能模块之间的相互连接搭配来实现工程的建设目的。在BIM平台中各模块及连接节点只有完全达到建设标准后才能交付工厂生产再运往现场进行施工（图3）。

3.2BIM技术结合模块化设计的意义

基于BIM系统能够涵盖建造项目的各个阶段，可以根据随时反馈的信息来对模块的组合、连接进行调整以符合工程需求。在BIM平台信息监管下可以达到建造方式模块化，实现不同性能、用途的装配式建筑设计。例如设计住宅时，可利用BIM系统对其标准层进行模块化设计，并对相应模块空间进行优化，将所需功能模块信息储存为特定的族库，在建设主体结构过程中只需调取含相应模块的族库进行反复搭建即可。在BIM平台信息实时更新下能有效地了解预期构建主体的众多构件、配件、组合单元是否达到标准化、模块化要求，通过模拟现实施工环境中各个施工节点，及时反映各单元模块之间的连接、拼装关系。而且在BIM信息系统监管下能够及时对现场施工进行优化指导，在很大程度上提高了从设计、生产到施工阶段各专业联结度，节约了建设成本。我国装配式建筑今后的发展需要在达到预制构件标准化的基础上完成对功能空间的模块化设计，BIM技术与模块化结合的设计理念也将大力推动装配式建筑在行业内的应用，进而打造我国建筑工业化体系建设加速度。

4BIM结合模块化设计在装配式建筑中的应用实例

目前，随着BIM与装配式建筑两大技术的结合应用，基于BIM技术的模块化设计理念也逐渐被应用到装配式建筑实际项目中。装配式预制构件的标准化、模块化在BIM平台的数字化模拟操作下相对比较容易实现，在建筑工业化进程中运用BIM技术结合装配式模块化设计的方式也逐步被人认同。从住宅类装配式建筑使用BIM＋模块化设计理念开始，BIM＋模块化的设计思路慢慢渗透到建筑行业内不同领域当中，例如：办公、商业、教育、医疗类建筑等等。下面将介绍利用BIM结合模块化设计的装配式建筑在实际应用中的典型案例。2017年雄安新区设立，在国务院的指示下，需要在新设定的雄安新区中建设市民服务中心工程来为人民群众提供优质服务。该项目占地近10万平方米，于2017年12月份开始正式施工，各相关参与单位仅用了40天时间便完成了7座主体建筑结构从设计到完成施工的全过程。而雄安市民服务中心能在如此短时间内完成主体建设，离不开BIM技术的支持、装配式建筑的标准化、集成化设计，更离不开建筑单元模块化设计方法的运用。雄安市民服务中心项目全程贯穿“绿色、现代、智慧”的建造理念，在企业办公区采用了装配式建筑的标准模块化设计方法，在BIM平台下采用箱型单元房尺寸模数进行模块化模拟搭建，在设计出箱式单元模块功能房间后进行工厂化生产。在设计过程中将办公室、咨询室等分为若干功能模块设计，有效地把雄安市民服务中心的核心办公区空间单元进行灵活组合，从功能分区（静区、动区）、流线组织、单元区块布置、平面布局模式等方面入手，优化了设计流程，做到了一体化设计、智慧化建设（图4）。

项目的全寿命周期在BIM平台可视化操作的基础上结合装配式建筑模块化设计，充分发挥出建设的速度优势，施工工期相比传统建造模式节省近一半时间，建筑垃圾比传统建设减少80％以上。基于云系统的大数据引领，通过SOP-BIM运维管理平台的技术支撑，在BIM系统中建立的三维可视化信息模型可获取实时信息，利用云系统对现场施工环节进行密切监测，跟踪施工进度，可以及时发现安全隐患并进行处理，最大限度确保施工人员安全，提升了应急管理水平。体现出绿色、高效、安全的建设要求（图5）。雄安市民服务中心的设计是由BIM设计师全程负责，在制定出箱式单元房模块化设计方案后，利用BIM平台的信息共享进行各专业协同设计。然后将最终设计成果提交给工厂生产标准化构件，在厂区把箱式结构的单元房搭建好后运往施工现场。提前利用BIM的仿真模拟和方案比选功能将各单元模块的场地布置安排好，然后需要在施工现场做好基础底板，建造时只需将相应单元模块与BIM连接板进行校准搭接，就像“搭积木”一样方便快捷。在项目建造时最大限度地采用了预制装配式工业化成品，在外部拼接后进行整体吊装，减少了现场作业的工作量，模块化安装施工流程既保证了建筑质量，又提升了效率（图6）。此次采用模块化理念来设计的装配式箱型单元房，其结构体系在使用状态下结构安全且按需求方便进行功能拆分，极大地增加了施工过程的安全性、准确性和便捷性。由BIM技术支持下利用模块化设计完成的雄安市民服务中心项目，让装配式建筑缔造了令行业震惊的“雄安速度”，并在2019年赢得我国建设工程鲁班奖。结语本文简单介绍了装配式建筑与BIM技术融合应用的必要性，通过了解BIM技术结合模块化理念在装配式建筑中的设计过程，对模块化设计的实际应用进行研究，为我国装配式建筑建设提供了一种新思路。但目前我国有关模块化设计的核心技术与系统成果还相对比较欠缺，设计水平有待提升，为装配而装配的现象还比较多，在与BIM技术结合过程中仍然存在一些问题。而在BIM背景下的模块化设计理念与装配式建筑相结合是我国建筑行业发展的必然趋势，只有通过对BIM技术更好的利用，才能确保模块化设计的完善性。未来可以将模块化理念深入到装配式建筑构件的设计、生产、安装等各阶段，这也符合我国创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念。随着我国对装配式建筑相应推广政策的出台及BIM＋模式的推行应用，合理利用装配式的模块化设计，不仅能够改善传统建造方式容易造成环境污染和浪费资源的情况，推动智慧城市绿色化建设，更有助于促进我国建筑工业化体系未来的发展。

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作者：安家成 刘学贤 单位：青岛理工大学建筑与城乡规划学院