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[分享]基于BIM技术的工业化住宅结构自动拆分与组装技术研究
【摘要】本文分析研究了基本BIM技术工业化住宅结构的自动拆分和组装技术，针对国内工业化住宅的现状和需求分析了BIM技术对于结构自动拆分和组装技术的优势，研究了BIM技术在自动拆分和组装阶段各自的标准和流程，并对BIM技术在自动拆分和组装中的注意要点做了总结。最后，结合实际项目，对BIM技术在工业化住宅结构自动拆分和组装研究成果进行了应用，以验证研究的可行性和合理性。
【关键词】BIM；工业化住宅；自动拆分；组装技术
引言相比于传统现浇住宅，工业化住宅的特点之一就是需要对构件进行拆分，以达到工厂生产，现场组装的目的，这种特有的建造方式使其尺寸和配筋更加标准、现场湿作业量减少、人工及材料用量等都大幅度降低。虽然工业化建筑有诸多优点，但是由于目前国内对于工业化结构设计规范的不完善，各地采用的结构体系、设计手法以及对应的生产施工方式都大相径庭，没有统一的指标，使其在应用中存在诸多问题。比如工业化构件深化设计不合理，预制构件厂区较远，产品质量精度无法保证，现场堆放无序，安装工人经验不足等问题，都在一定程度上影响了房屋质量，妨碍工业化住宅在国内的接受程度。传统的二维设计手法无法在构件拆分阶段充分考虑构件的可生产性、可运输性、可吊装性以及可安装性。但在工业化住宅的设计、生产、运输、施工、运营维护全流程中，预制构件的拆分设计是第一步，却也相当于工业化住宅全流程中的链条，拆分设计方式决定后续各个阶段的协调性和可操作性，如能实现工业化住宅结构合理的自动拆分，设计阶段将事半功倍。而BIM技术的应用恰恰能解决传统设计方法的盲点，而且设计周期远远小于传统方式，保证工业化建造方式多快好省的特点。
BIM技术的应用对工业化住宅的发展至关重要，可贯穿设计、生产、运输、施工、运营维护全流程，基于BIM的可视化、协同性、模拟性的特点，保证各专业、各工作成员间都在一个三维可视环境下的协同工作，并通过真实地模拟施工过程来预先发现可能存在的问题，最大限度减少因设计或施工方面的失误带来的遗憾，表明数据化的BIM技术应用是实现高效高质低能耗建筑的前提。因此，鉴于国内当前工业化住宅产生的种种问题，BIM技术对于工业化住宅的拆分和组装的应用迫在眉睫，基于此目的，本课题研究了BIM技术在结构自动拆分和组装上的应用，将BIM技术优势与结构自动拆分和组装相结合，在实际工程中体现其应用价值。1 基于BIM技术对工业化住宅结构自动拆分技术研究1.1 BIM技术自动拆分的优势在工业化住宅结构拆分设计阶段，由于工业化住宅设计协同难度大、设计质量要求高、设计内容要求全、对成本管控严的特点，传统设计方式无法满足工业化住宅的要求，BIM技术从可视化、协同化、参数化三方面使工业化住宅结构达到自动拆分目的。
1）可视化：利用内梅切克的三维可视模型，形象、直观得表达构件信息，对墙板拆分的合理性、正确性、完整性、一致性进行审核；2）协同化：结合土建、装修、部品设计的要求灵活调整拆分形式，协调各专业高效开展工作，设计深化、修改实时联动更新，很大程度避免了人为沟通不及时带来的设计错漏；3）参数化：利用内梅切克的参数标准化设置对结构进行自动拆分，比如节点宽度，构件超限设置，拼缝设置等，有效规避人为拆分可能造成的墙体过短、构件过重等问题，通过软件提前检测组装过程中的钢筋碰撞等问题。BIM技术将传统的二维构件设计用三维可视化设计替代，保证构件之间的开槽、洞口连贯，并采用标准化的设计族插入模型应用，构件图设计阶段仅需将三维构件图导出二维图形，经过简单处理补充，即可完成构件的平、立、剖视图，大幅度降低了繁琐的二维设计过程，且能保证各视图间的一一对应关系。在完成初步拆分的基础上，BIM技术对于拆分细节的控制相对于传统方式也具有明显优势，例如，其可视化特性在墙板转角处的拼缝选择上得到充分体现，不同位置的拼缝可以导致完全不同的立面效果，细节的把控可以极大提高建筑品质。
1.2 BIM技术自动拆分的标准基于BIM技术对叠合板式剪力墙工业化住宅结构体系的自动拆分，主要体现在墙板、楼板、梁以及阳台板等结构部件上，通过BIM软件内梅切克的各项标准设定，使其实现预制构件的自动拆分。对于结构墙板，需在依托BIM技术基础上达到以下一点标准:1) 预制板厚度：由于叠合板式剪力墙预制板内需要放置墙体分布筋并充当现浇模板的作用，因此其厚度会依据墙板总厚度的变化而变化，厚度较大的墙板（比如地下室外墙）就需要设定更厚的预制层；
1) 预制板内外叶板高差：楼板的厚度造就了叠合板式剪力墙内外叶预制板的高差，预制板的尺寸标准是自动拆分的必要因素之一；2) 预制板最大长高值以及重量：自动拆分出的预制墙板是否达标，评判之一来自构件厂生产设备条件，模台的最大宽度限制了预制板的最大长度或高度，评判之二便是现场的塔吊能否吊起构件，这便限制了预制板的重量；3) 墙板连接节点：节点作为结构拆分的标志，标准节点可以显著提高自动拆分效率，即不需要对节点进行细微二次调整。对于结构楼板，其拆分标准如下：1）预制板厚度：依据《JGJ1-2014》对于叠合楼板的厚度要求，保证预制最低厚度标准为60mm，但根据结构楼板总厚度和楼板支撑体系的不同，预制板厚度会随之变动，因此为结构可以自动拆分，对不同楼板总厚度的结构设定相应厚度标准；2）预制板宽度：与叠合板式剪力墙相同，其最大宽度受到构件厂生产模台的最大宽度限制。但是由于预制板之间拼接分为后浇型和密拼型，后浇型预制板宽度不仅仅指混凝土构件面板的宽度，而是面板宽度和外伸锚固钢筋的长度之和，因此在自动拆分前需提前考虑并设定对应拼接方式的预制板最大宽度标准；3）预制板重量：根据现场塔吊吨位和位置，设定预制板最大重量标准；4）预制板间接缝、预制板端部与支承墙板搭接长度：根据不同的拼接方式，设定不同宽度的接缝，并确保其端部与支承墙板有不小于10mm的搭接长度；5）预制板拆分数量：对于双向板，为了对楼板整体的结构受力又有利，沿预制板次受力方向将预制板拆分为奇数份。结构梁构件，单跨梁即为一个完整的预制构件，一般仅在主次预制梁交叉的情况下需要进行构件拆分：1）预制梁端部与支承剪力墙或柱搭接长度：预制梁端部与支承结构有不小于10mm的搭接长度2）次梁优先主梁进行拆分：结构设计中一般主梁高度大于次梁高度，因此次梁的截断拆分可使主梁保持底部完整，并给予次梁端部10mm的搭接长度。阳台板、空调板等构件的自动拆分，由于此类构件一般为单独存在，因为可形成整体预制构件而不需要拆分，唯一需要考虑的是预制构件端部与支承墙板的搭接长度不得小于10mm。
1.3 BIM技术自动拆分的流程在明确BIM技术自动拆分的标准下，运用三维BIM设计软件内梅切克对住宅结构进行工业化自动拆分，自动拆分流程如下面所示，图1基于BIM技术结构自动拆分流程
第一步，根据全专业施工图进行BIM三维建模。根据建筑及结构施工图，在BIM软件内设定各楼层结构标高、门窗洞口、剪力墙厚度、楼板厚度等一系列信息数据，最后形成BIM信息化建筑结构三维模型。图2基于BIM技术三维模型搭建
第二步，明确工业化住宅结构自动拆分标准，并将此标准BIM数据化。针对不同的工业化住宅，需要根据章节2.2.2的标准进行一一确定，例如叠合板式剪力墙由外叶板、内叶板以及中间空心层三部分组成，在此就需要确定各个组成部分各自的厚度，使BIM设计软件依此进行叠合板式剪力墙设计。第三步，预制构件设计。在各个标准BIM数据化以后，实现一键完成预制构件建立，包括预制构件的厚度、高度、重量、编号、材质等。图3基于BIM技术预制构件设计
第四步，根据节点的标准化，完成基于BIM技术工业化结构自动拆分。在将左右建筑结构部件进行预制化以后，最后一步便是根据标准的L型、T型以及一字型数据化节点进行自动拆分。图4基于BIM技术自动拆分
1.4 BIM技术自动拆分的要点基于BIM技术的自动拆分技术，需要自动拆分流程各环节的明确，不确定的标准是导致结构自动拆分频频返工的最重要因素，因此，需要注意如下几个自动拆分上的要点：第一点，在全专业图纸的汇总环节。许多单位由于工程进度的关系，往往会在图纸不全不确定的情况下急于进行结构自动拆分和深化设计，造成的结果就是施工图的变更造成自动拆分需要频繁调整，无法达到高效的工业化设计水平。第二点，BIM三维模型的准确性。完成三维模型的搭建后，需要对此进行反复核查，层高、墙厚、板厚、平面布置等，以免自动拆分后造成预制构件尺寸不对，现场无法组装的情况。第三点，节点的标准化。由于标准节点的建立必须与结构设计单位协调，需要提早制定标准节点的范围与方式，确保结构安全性和自动拆分便捷性，否则会拖延施工图与结构自动拆分的进度。2 基于BIM技术对工业化住宅结构组装技术研究2.1 BIM技术组装的优势在构件的组装阶段，整合预制构件、塔吊布置、现场钢筋布置等信息的BIM技术对构件的组装的帮助巨大，BIM技术的钢筋碰撞检查可以让设计及时调整叠合墙板内的外伸筋位置，在三维效果中预先制定施工吊装、钢筋绑扎方案，并据此安排塔吊位置数量，使图纸的高质量得以保证。结合施工进度模拟，优化调整施工方案，施工单位可将计划进度与BIM模型加以数据集成，通过模拟真实施工进度及状况，预演施工场景以便分析不同施工方案的优劣，并及时做出调整，以此获得最佳施工方案。在工业化住宅中，也可以对项目中的重点或难点部分进行实时可建性模拟，例如组装工作操作空间、多构件节点组装施工顺序、设备管线安装调试等施工安装方案进行优化。
2.2 BIM技术组装的流程与工业化住宅结构自动拆分有所不同，结构的组装需要施工单位协同设计单位一起，在BIM平台上研究其应用技术。其组装流程如下，图5基于BIM技术结构组装流程
第一步，施工场地建模。在施工过程的多个阶段使用BIM图形化的表现永久或临时现场设施，将模型与施工活动进度表相关联以表达空间和排序的要求，并入模型的附加信息包括劳动资源，关联的配送材料，设备位置。图6基于BIM技术施工场地建模
第二步，住宅模型节点钢筋、管线碰撞检查。基于BIM内梅切克三维钢筋设计，结合施工方案模拟节点钢筋，避免各组分构件吊装时钢筋碰撞，同时与内梅切克数据共享的DDS提供全面的机电暖通管线设计，协同模拟工业化住宅搭建过程从土建到精装的碰撞检查。图7基于BIM技术模型碰撞检查
第三步，将无碰撞的住宅模型融入施工场地模型中，以便整体施工规划。第四步，阶段规划。与现场项目部合作根据实际施工进度计划，采用BIM技术施工模拟，使团队对项目节点和施工计划更好的理解，最终输出施工模拟视频文件。第五步，BIM施工指导。通过BIM实现很好的可视化效果并对部分节点做视频动画示意达到施工模拟指导的效果。图8基于BIM技术施工组装模拟
2.3 BIM技术组装的要点与结构自动拆分相同，基于BIM技术的结构组装也需要考虑其在各环节的要点，总结归纳为一下几点：第一点，碰撞检查。碰撞检查是BIM技术应用于结构组装最明显也最重要的一点，复杂钢筋节点的三维施工模拟，保证每个构件在组装时顺利到位。第二点，清晰的施工指导。施工指导必须浅显易懂，过于复杂专业的术语会造成现场工人组装时似懂非懂，妨碍组装的顺利进行，基于BIM技术的动画施工模拟，可以更好的传达指导意义。3 工程项目分析在当前工业化住宅的推进阶段，各地的工业化住宅项目数量庞大，宝业集团的叠合板式剪力墙体系在多年实践运用中积累了大量经验，并在国内对于工业化住宅规范不完善的情况下，通过一系列试验并结合多年施工经验参与制定了针对叠合板体系的地方标准，使BIM技术的自动拆分在数据库参数标准化上有了依据。2014年底，宝业集团与上海现代建筑设计集团联合打造的上海第一幢叠合板体系示范项目楼顺利结顶，此项目结构体系为叠合板式混凝土剪力墙结构，由叠合板式剪力墙、叠合楼板、叠合式梁、叠合式阳台、预制楼梯和预制空调板，并辅以必要的现浇混凝土剪力墙、边缘构件、梁等共同形成的剪力墙结构体系。项目创新性的采用大开间设计手法，通过结构优化将剪力墙全部布置在建筑外围，内部空间无任何剪力墙与结构柱，用户可根据不同需求对室内空间进行灵活分割。整个项目流程以BIM信息化技术为平台，通过模型数据的无缝传递，链接设计与制造环节，提高质量和效率。 根据章节2.2.2的标准设定，将项目的各个标准予以确定，并录入进BIM系统中，以叠合板式剪力墙为例，具体信息如下：1）预制板厚度：项目剪力墙厚度为200mm，根据预制板定义标准将内外叶板厚度设定为50mm，中间空心层为100mm，同时根据结构施工图确定混凝土材质C35。图11预制板厚度标准设定
2）预制内外叶板高差：根据项目楼板厚度140mm，设定叠合板式剪力墙内外叶板高差为140mm，即0.14m。图12预制板内外板高差标准设定
3）预制板最大尺寸及重量：通过协同构件厂生产设备模台宽度，以此确定预制板的两条边长不可同时超过3m，并根据项目标准层总体的剪力墙布置，确定预制板重量控制在不超过3.0t，满足构件自动拆分和塔吊吨位的要求。图13预制板最大尺寸及重量设定
4）连接节点：在满足建筑开窗、结构计算，方便现场施工、结构拆分的考虑下，将L型节点现浇区域开口定位300mm和400mm，一字型为400mm。图14标准化节点设定
3.2 基于BIM技术结构自动拆分项目首层的结构自动拆分之前，首先需要通过BIM设计软件将所有三维建筑墙体自动转化为预制构件，根据之前设置的结构拆分标准，将剪力墙转化为内外叶板厚50mm，高差140mm，以及尺寸边长不同时大于3m，重量不超过3吨的叠合板式剪力墙，如下图两个单元所示，图15三维建筑剪力墙图16三维叠合板式剪力墙
其次，通过标准化节点实现结构自动拆分，将叠合板式剪力墙连接处自动生成L型或者一字型标准节点，如下图所示，其中紫色区域为标准化拆分节点。图17三维叠合板式剪力墙自动拆分
3.3 基于BIM技术结构组装首先BIM技术在结构组装中的体现在碰撞检查上，根据BIM软件内梅切克的构件深化设计，对节点组装施工模拟，如下图所示，同时进行整体施工场地模型搭建，包括运输车辆、塔吊布置等信息，并将住宅模型整合进施工场地，如下图所示，4D阶段规划，在项目建造过程中合理制定施工计划、精确掌握施工进度，优化使用施工资源以及科学的进行场地布置。接着根据BIM施工指导进行现场预制构件的组装工作，并对一些安全注意事项予以警示。
3.4 工程项目总结根据宝业集团对于该示范工程从设计、生产、运输到现场施工全流程的实施总结，并结合宝业集团在工业化住宅领域多年的研发、施工经验，基于BIM技术工业化住宅的结构自动拆分与组装中应具备以下特点：1）BIM可视化设计：可视化设计是实现结构自动拆分的基础，也是BIM技术应用于工业化住宅最直观的特点；2）构件设计参数标准化：构件设计参数的标准，是实现预制构件一键生成的关键，也极大方便了后期结构自动拆分；3）拆分节点标准化：只有节点标准化了，才可以利用BIM技术根据标准化节点数据实现拆分标准化；4）拆分大板化：在符合现行规范的条件下，尽量采用大板形式，以此减少自动拆分节点，更容易实现标准化节点。4 结语随着工业化工程项目的迅速发展，基本的结构拆分已不是难点，但是信息化时代所必须具备的是如何从结构拆分上升为结构自动拆分，其中的问题需要通过深入研究及大量工程实践来探讨解决,而通过BIM技术将结构自动拆分所需要数据进行集成是必经之路，因此，工业化住宅的结构设计、制造、运输、安装数据传递技术是接下来迫切需要研究解决的课题。希望通过本研究基于BIM技术对结构自动拆分和组装的理解和应用示例，能给业内人士新的思路，一起推动工业化住宅向信息化、智能化的演变。
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