装配式木结构建筑全生命周期构件分类编码与数据协同研究

目前，装配式建筑与BIM技术领域已取得了可观的理论与实践成果，但也存在一些方向性问题亟待解决。例如设计阶段，从业人员普遍采用施工图拆分的方法进行预制构件的深化设计，缺乏正向设计方法的引导，导致构件种类、数量繁多，不但增加了装配难度，还使得成本陡升；缺乏正确的BIM应用理念，存在重复建模，模型数据信息无法从设计阶段贯穿至后续阶段，使BIM技术的应用价值大打折扣。因此，从源头建立科学的装配式建筑认知体系与BIM数据协同理念是解决问题的关键。

1??建筑的物质构成

“构件”是建筑物质构成的基本元素，是第一性的，也是可见可操控的。在此基础上，建筑设计有了根基和依据，是理性、可预测、可量化的。多样性的建筑空间、建筑性能、建筑功能和建筑风格体现在对构件组合方式的变化和对构件文化属性的添加上，而对建筑设计的把控可被转换、分解和量化为对构件组合变化的论证和对构件属性添加的推算。不同于传统建筑设计注重建筑平面、立面、剖面设计，基于构件分类组合的建筑设计是聚焦以构件为单位进行建筑设计，其设计方法为与BIM软件结合应用提供了必要性和便利性。

2??构件分类与分件体系

2.1??构件分类

构件分类设计方法是以“构件法建筑设计”为基础，对组成建筑的基本元素（构件）根据其装配特性和功能特征进行分类，根据构件的基本功能特征分为结构构件组、围护构件组、装饰构件组、性能构件组、环境构件组等。

各构件组，互不交叉，相互独立可减少连接节点，提高建筑的可靠性；构件功能独立也可保证其功能长久可靠。构件分类具有以下实际意义。

（1）适配协同设计，对项目的建筑构件进行统筹设计与研发，设计团队相互协调，清楚地划分协同设计的工作界面，可实现同步推进，高效率地完成协同设计工作。

（2）奠定编码基础，以构件作为最基本要素，形成层级明晰的装配式建筑构件分类表，这是对构件编码，实现追踪、定位、管理的基础。

（3）便于统计管理，构件分类方法与BIM项目管理模式相契合，便于精确地进行物料、工程量、成本及碳排放量等方面的统计管理。

2.2??构件分件

构件分件的基础是三级装配理论，根据构件装配信息进行分类，按不同的构件加工和装配位置分为三级，完成构件特性和建造逻辑分类：一级构件为小构件，在工厂生产装配，以减少现场工作量；二级和三级构件均为大构件，在工地工厂和工位完成装配，以减少高空作业量，有利于现场作业安全，同时还可提高现场建造装备和工具使用效率。构件分件具有的意义如下。

2.2.1??提高建造效率

尽可能将构件在工厂与工地工厂内进行组装，以减小对施工现场的建造装备与工具的依赖程度，进而提升建造效率。

2.2.2??提高建造安全性

将大量构件在工厂或工地工厂完成组装，可减少高空作业量，从而减少施工现场安全隐患，有利于建造安全。

2.3??装配式木结构构件分类系统

以“构件法”建筑设计思想为基础，根据构件分类与构件分件的设计原则，将预制构件分为结构系统构件、外围护系统构件及内装系统构件，据此总结出装配式木结构构件分类表（表1）。

表1??装配式木结构构件系统分类表

3??装配式建筑全生命周期阶段划分

建筑全生命周期的概念是从其他产品制造行业借鉴而来的，对于传统建筑行业而言，可划分为规划、设计、施工及运营阶段。这种全生命周期的划分原则与装配式建筑领域并不适应，没有突出工厂化生产这一装配式建筑的显著特征。

因此，在装配式建筑行业内，通常将全生命周期划分为规划设计阶段、构件生产阶段、装配施工阶段及运营维护阶段。

但是在对装配式建筑更深入研究与探索过程中发现，上述划分理论太过泛泛，不够精细，装配式建筑就是要对全过程各阶段进行有效的、精确的信息化管理，从这一角度出发，本团队对装配式建筑全生命周期的概念划分又有了新的认识，将其定义为设计阶段、生产阶段、转运阶段、装配阶段、运维阶段、改造再利用阶段以及拆除再利用阶段（图1）。

图1??装配式建筑全生命周期阶段划分

3.1??设计阶段

设计阶段包括规划设计、建筑设计、空间设计、构件设计及模拟设计。规划设计、建筑设计与空间设计基本遵循传统建筑设计流程，构件设计则突出了装配式建筑领域的特点，围绕“构件”这一基本单元进行分类组合设计，从结构构件、外围护构件、设备构件及内分隔构件系统的角度，强化构件设计逻辑，梳理构件关系，为提高装配式建筑建造效率与装配质量奠定基础，以保障装配式建筑项目的顺利实施。

3.2??生产阶段

工厂化生产是装配式建筑的显著特征，与传统建筑建造方式相比，工厂化生产更为低碳、节能环保。

其生产方式与生产工序虽有差异，但从宏观角度分析，总体上可分为物料准备、生产加工、成品保护以及工厂堆场等子阶段。

3.3??转运阶段

预制构件生产完成后，在进入施工现场装配施工前，需将构件转运至施工现场的堆场，这一阶段是构件全生命周期管理与质量追溯不可或缺的一环。根据时间顺序，转运阶段依次包括构件装车、构件运输以及构件入场等阶段，当前行业内通常利用二维码或RFID技术来实现转运阶段的过程管理。

3.4??装配阶段

装配式建筑施工阶段有别于传统施工模式，尤其是现浇方式。由于构件均在工厂预先加工制成再运至现场，因此装配施工前需进行构件质量检验，经检验合格后再借助机械设备进行吊装，装配完成后由相关人员进行构件检测，主要是连接节点的检测，最后由监管部门组织工程验收。因此，装配式构件装配施工阶段包括构件检验、吊装、检测以及验收等子阶段。

3.5??运维阶段

进入运维阶段就表示装配式建筑正式投入使用，运维阶段要满足资产管理、安防管理、物业管理、能耗管理、消防疏散等具体运维需求，对建筑构件而言，其使命远未结束，针对构件的检测、维护及更换则相对更为重要。运维阶段通常包括日常维护、检修报备及更新替换等内容。

3.6??改造再利用阶段

装配式建筑设计伊始，构件分类与分件的设计方法就为后续建筑功能与性质的变更预埋了伏笔，由于各结构体系相互独立、各尽其用，既要充分考虑使用寿命较长的结构系统与寿命相对较短的外围护系统、内分隔系统及设备系统之间的连接关系，又要保证互不干扰，为改造再利用提供可能。改造再利用包括现存构件检测、改造设计及改造施工等方面的内容。

3.7??拆除再利用阶段

本阶段与改造再利用阶段既有类似又有区别，拆除不是目的，拆除后的再利用是装配式建筑又一重要价值的体现，也是整个装配式建筑行业较高的追求目标。

拆除后，还可以回收构件进行2次、甚至3次、4次直至N次的利用，这也同样要求各构件系统之间要相互独立，且连接要可逆，不仅能正着装上去，也要反着能拆下来。拆除再利用阶段包括构件拆除与构件再利用等工序阶段。

4??构件数据系统设置与编码体系

基于构件分类与分件设计规则前提，应明确构件在不同阶段，对不同专业所需的数据系统类别，并以此制定构件编码规则，才能真正实现构件全生命周期的信息管理，体现BIM技术应用的现实价值，BIM应用的核心在于数据信息共享与交互，而非仅是三维可视化模型。

4.1??建筑全生命周期数据系统设置规则

基于BIM技术的装配式建筑全生命周期的管理是建立在数据、信息管理的基础上，这就要求BIM中的“M”（即模型）要承载全流程的数据、信息等内容，确保信息从设计阶段流转传递至最终的运维阶段，乃至改造再利用或拆除再利用阶段。为此首先要对全生命周期中所需的数据类型进行梳理与分类汇总，将构件数据系统分成构件参数、构件属性与构件关系3个板块。

4.1.1??构件参数

本研究将构件参数定义为构件全生命周期中所具备的基本参数，包括编码参数、几何参数、物理参数、基础参数及性能参数等。这些参数还会区分为实例参数与类型参数，实例参数相当于构件个体的参数，而类型参数则是构件个体所属构件大类具备的参数。

4.1.2??构件属性

构件属性主要是针对构件在全生命周期所属阶段的具体描述及相关信息，分为计划模拟与实际反馈两部分，计划模拟是指通过软件工具对设计阶段、生产阶段、转运阶段、装配阶段、运维阶段、改造再利用阶段及拆除再利用阶段的全生命周期的构件状态进行计划模拟，为对构件进行真实的全生命周期管理提供参考依据；实际反馈则是全生命周期管理过程中实际管理的反馈数据，有了计划与真实的数据对比耦合，才能有助于今后进行更为精确的项目管理。

4.1.3??构件关系

构件关系描述的是构件的空间关系，其所在空间性质如防火分区、防烟分区等，空间名称如楼梯间、门厅等，还可判断毗邻空间的相关信息，这有助于建筑投入使用后，在运维阶段甚至是改造再利用阶段及拆除再利用阶段协助决策者高效地定位追踪构件位置，以提高决策效率，降低决策成本。

4.2??建筑全生命周期参数库的创建

装配式建筑构件全生命周期的管理要从设计端源头继承数据、信息。若一味地在模型中增加参数类别与条目，将会导致信息量陡增与重复无效信息的干扰，且不同阶段、不同专业对数据及信息的需求量是不同的，如何高效地获取有效信息，过滤无效信息是利用BIM等信息化手段首要解决的问题。

利用SQL查询数据库的形式，将设计阶段、生产阶段、转运阶段、装配阶段、运维阶段、改造再利用阶段及拆除再利用阶段的参数、属性及关系数据系统，依据需要创建参数库，如工序信息库、单位信息库、人员信息库、工程设备库、材料信息库、造价信息库等，只需在各个不同阶段实现灵活调用不同数据库的参数即可（图2）。

图2??工序信息库

4.3??建筑全生命周期构件分类编码方法

4.3.1??编码原则

不同类型的构件同处于一个整体系统中，相互之间易混淆，为进行识别需对其进行命名，并对各相关属性信息进行准确定义。但由于相互之间存在信息的交换工作，为使信息处理和接收各方能正确理解而不产生误解需进行统一编码，该项工作应在设计阶段得到贯彻执行，方能在后续生产、转运、装配、改造再利用及拆除再利用各阶段中发挥作用。

信息分类编码是信息分类和信息编码两项相互关联的工作。先分类后编码，一套完善的编码规则是实现信息联动的重要手段，它需要具有唯一性、合理性、简明性、完整性与可扩展性的特点。

4.3.2??编码示例

基于本研究开发的南京装配式建筑信息服务与监管平台所用的构件编码规则，对原编码进行了优化升级，原编码字段为：【项目编号】–【楼栋编号】–【构件类型编号】–【标高编号】–【轴线编号】–【位置编号】，为优化构件定位，尤其协助操作人员快速识别设备、内装等可能需要经常更换的构件的具体位置，提高编码的人机可读性，以提高运维、改造再利用以及拆除再用的效率。

将“标高编号”“轴网编号”“位置编号”归于一个字段，统称“位置编码”，该段代码是通过Revit软件插件自动生成的，再添加一个新的字段“空间编码”，此字段编码为动态编码，通过调取数据库的动态信息自动生成。

最终形成新的编码字段为：【项目编号】–【楼栋编号】–【构件类型编号】–【位置编码】–【空间编码】，优化后的编码突出了唯一性、可扩展性及自动生成等特点。

以装配式木结构建筑中的木结构柱为例（图3），进行字段编码字段释义（表2）。  

（a）

（b）

图3??木结构柱三维与平面示意

（a）三维图；（b）平面图

表2??构件编码字段释义表

5??结束语

为实现装配式建筑全生命周期的信息管理，应从源头上对建筑的构成有深刻认知。要运用科学的装配式设计方法，具备构件分类与构件分件的设计思维，理解构件系统之间既相互独立又互相联系的逻辑关系。要明确适用于装配式建筑精细化的全生命周期阶段划分，再对装配式建筑全生命周期各阶段所需的数据信息进行归类与总结，创建参数数据库，提高数据调取效率，最终形成构件编码方法，为装配式建筑全生命周期的信息管理提供实现途径。

在未来的研究与工作中，将进一步完善构件数据系统分类体系，拓展参数数据库，优化构件编码系统，以提高编码在全生命周期各阶段的适配性，与IFC标准进行匹配，开发相关阶段基于MVD的数据传递标准，真正实现基于BIM的装配式建筑全生命周期构件数据的协同应用与管理。