基于BIM的装配式混凝土建筑 预制构件信息模型数据库的建立和应用

【摘  要】在BIM建筑信息模型中，构件是承载几何和非几何信息的建模基础元素，丰富的构件库在很大程度上可提高三维建模效率。为推进BIM在建筑工业化中的应用，提高建筑产业信息化水平，建立企业级的装配式混凝土预制构件BIM数据库势在必行。

【关键词】BIM、建筑工业化、装配式建筑、预制构件模型、族库

1. 前  言

建筑工业化是运用最新生产技术及管理手段，通过模数化、标准化设计，工厂化生产，实现建筑构部件的通用化和现场施工的装配化、机械化、尽量减少施工现场工作量和人力物料消耗，达到高效建造和节能环保的目的。发展建筑工业化是建筑生产方式从粗放型向节约型的根本转变，对转变行业发展方式具有重要意义，是建筑现代化的必然途径和发展方向。

装配式混凝土结构是现代工业化建筑主要结构形式之一，其优点体现在标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理等特点。BIM在装配式混凝土项目的应用，主要实现设计、生产、施工的协同工作和信息共享，减少工程的“错、漏、碰、缺”等错误的发生，提高项目质量，实现设计、生产、施工一体化，符合住房和城乡建设部发布的关于建筑信息化发展纲要精神。

此外，在BIM建筑信息模型中，构件是承载几何和非几何信息的建模基础元素，丰富的构件库在很大程度上可提高三维建模效率。针对构件和构件资源库，应当建立统一的标准，对构件的精细度、命名规则、分类方法、数据格式、参数信息、版本等方面进行管理。所以为推进BIM在建筑工业化中的应用，提高建筑产业信息化水平，建立企业级的装配式混凝土预制构件BIM数据库势在必行。本文的研究思路是从预制装配式混凝土建筑的设计、生产、施工一体化的角度出发，建立一个装配式混凝土预制构件信息模型数据库，以及探究该数据库在工业化建筑中的应用。

2. 装配式混凝土建筑构件库的建立

装配式建筑的典型特征是标准化的预制构件或部品在工厂生产，然后运输到施工现场装配、组装成整体。装配式建筑设计要适应其特点，在传统的设计方法中是通过预制构件加工图来表达预制构件的设计，其平立剖面图纸还是传统的二维表达形式。在装配式建筑BIM应用中，应模拟工厂加工的方式，以“预制构件模型”的方式来进行系统集成和表达，这就需要建立装配式建筑的BIM构件库。

通过装配式建筑BIM构件库的建立，可以不断增加BIM虚拟构件的数量、种类和规格，逐步构建标准化预制构件库。

2.1. 预制混凝土剪力墙构件类型分类

预制混凝土剪力墙构件按类型可分为预制剪力墙外墙板、预制剪力墙内墙板、桁架钢筋混凝土叠合楼板、预制钢筋混凝土板式楼梯、预制阳台板、预制空调板、预制女儿墙等构件。部分构件模型见图1。

图 1预制混凝土剪力墙构件模型

2.2. 预制混凝土剪力墙构件的编码体系

预制构件按照构件的特性进行编码命名。

（1） 预制混凝土剪力墙外墙板编号，详见表1。预制外墙板标号示例，详见表2。

表 1预制外墙板编号

表 2预制外墙板编号示例表

（2） 预制混凝土剪力墙内墙板编号，详见表3。预制内墙板编号示例，详见表4.

表 3预制内墙编号

表 4  墙板编号示例表

（3） 桁架钢筋混凝土叠合板编号

1) 双向叠合板用底板编号

2) 单向叠合板用底板编号

（4） 预制钢筋混凝土板式楼梯编号

1) 双跑楼梯

2) 剪刀楼梯

（5） 预制钢筋混凝土阳台板、空调板及女儿墙

1) 阳台板

预制阳台板类型：D型代表叠合板式阳台；B型代表全预制板式阳台；L型代表全预制梁式阳台。

预制阳台板封边高度：04代表阳台封边400mm高；08代表阳台封边800mm高；12代表阳台封边1200mm高。

2) 空调板

3) 女儿墙

预制女儿墙类型中：J1型代表夹心保温式女儿墙（直板）；J2型代表夹心保温式女儿墙（转角板）；Q1型代表非保温式女儿墙（直板）；Q2型代表非保温式女儿墙（转角板）。

预制女儿墙高度从屋顶结构层标高算起600mm高表示为06,1400mm高表示为14。

2.3. 预制构件的建立

预制构件的建模思路为：几何模型建立、参数调整、钢筋布置、预埋件布置等流程。

（1） 几何模型建立

BIM预制构件的几何模型三维尺寸显示应正确无误，在满足设计需求的基础上力求美观。（几何模型显示，见图2）

图 2预制夹心保温式女儿墙几何模型三维展示

（2） 参数设置

在分析大量预制构件参数设置的基础上，可规定所有构件参数至少应包括：边界到原点的尺寸参数；相对参照平面的距离参数(基于面的构件必须设置)；基本尺寸参数，如长、宽、高、直径等，及尺寸参数是否可变；常用材质参数，用于材料统计；其他尺寸参数，对与依据厂商提供资料或者行业规范而制作的构件，应按照厂商资料或者行业规范添加尺寸参数。其中构件材质参数可用于项目材料清单统计，进而用于项目工程量统计。由于具体项目工程量统计需求不同，因此，可规定仅将构件的主要材质做入构件中。对于机电专业的构件，接口、流量、防火等级等参数依据实际需要进行设置。(构件参数设置示意图，详见图3)

图 3预制构件参数设置

（3） 钢筋布置

按照构件钢筋的规格、型号、数量、形状等进行建模，并可自动生成钢筋表。（构件钢筋模型示意，详见图4）

图 4 预制叠合板式阳台钢筋模型

（4） 预埋件布置

预制构件的预埋件可归为三类：连接预埋件、水电预埋件、生产用预埋件。连接预埋件又分为构件自身连接用的预埋件（如墙体连接件）和用于与其他构件连接用的预埋件（如普通套筒）；水电预埋件包括各种电器元件、水电管道、管件等；生产用预埋件则包括用于脱模、翻转、起吊的各类吊具及一些用于生产时起固定、支撑作用的部件。（构件预埋件模型示意图，详见图5）

图 5预制女儿墙预埋件模型

3. 预制混凝土BIM构件族的应用

3.1. 设计优化

在装配式建筑中要做好预制构件的“拆分设计”，俗称“构件拆分”。传统方式下大多是在施工图完成以后，再由构件厂进行“构件拆分”。实际上，正确的做法是在前期策划阶段就专业介入，确定好装配式建筑的技术路线和产业化目标，在方案设计阶段根据既定目标依据构件拆分原则进行方案创作，这样才能避免方案性的不合理导致后期技术经济性的不合理，避免由于前后脱节造成的设计失误。（构件拆分示意图，详见图6）

图 6构件模型拆分

3.2. 碰撞检测

碰撞检测是BIM设计相比二维设计的重大优势，可有效找到模型中存在的错漏碰缺。预制构件设计中的碰撞检测与传统BIM模型的检测有一定的区别，一方面需要对预制构件之间进行轮廓碰撞检查；另一方面还需对预制构件进行内部碰撞检测，检测构件内钢筋与钢筋之间以及预埋件与钢筋之间是否冲突和碰撞。根据碰撞检测的结果，调整和修改构件的设计，保证构件在制造和安装时都不存在问题，可有效缩短后期图纸审核时间。

3.3. 生产加工

BIM构件模型是对预制构件的真实反映，在生产加工过程中，BIM信息化技术可以直观地表达出配筋的空间关系和各种参数情况，能自动生成构件下料单、派工单、模具规格参数等生产表单，并且能通过可视化的直观表达帮助工人更好地理解设计意图，可以形成BIM生产模拟动画、流程图、说明图等辅助培训的材料，有助于提高工人生产的准确性和质量效率。

预制构件的出图分为构件生产图（见图7）和构件安装图。构件安装图各种BIM软件都能出，构件生产图则比较复杂，大部分BIM软件都需要手动一步步去生成，是制约BIM设计效率的关键所在。如何高效、高质地生成生产图纸，是各预制构件BIM设计软件需要重点解决的另一大难题。

图 7预制构件模型加工图

3.4. 物料信息

预制构件的材料，可以分为三大类，第一类为主体材料，包括：混凝土、保温材料、减重材料、外饰面材料；第二类为钢筋，包括:钢筋条、钢筋网和钢绞线；第三类为预埋件，包括：符号预埋件、线性预埋件、面预埋件。

BIM模型导出的物料文件需包含每个构件的详细物料信息，并且统计单位和采购单位一致，与ERP系统对接，用于项目物料管理。物料文件还需包含：项目名称、合同编号、楼栋号、楼层号、构件物料编码、名称、轮廓尺寸、重量等基本信息，用于包装和运输环节。

BIM模型+工业化生产线，可实现预制构件的数字化和自动化制造。从预制构件模型中输出的机器加工数据包括两类：钢筋加工数据、自动化生产数据。

钢筋生产：BIM模型中的钢筋信息输出为钢筋数据文件（如BVBS），将此文件导入钢筋加工数控机床即可自动加工某个构件所需要的钢筋。

自动化生产：BIM模型输出PXML/Unitechnik格式数据，将此数据导入工业控制软件，可进行生产管理，与自动化的预制件生产设备对接，则能实现构件的全自动化生成。

3.5. 施工模拟

施工流程的模拟性，可将原本需要在真实场景中实现的建造过程，在虚拟世界中模拟实现，从而确定合理的施工方案来指导施工；BIM在设计和施工领域主要的传统应用主要有：方案论证、可视化设计、性能化分析、协同设计、管线综合、施工现场配合、工程量统计、施工进度模拟、施工组织模拟、物料跟踪、预制件加工和竣工模型交付等。即在施工阶段，通过BIM直观的掌控项目施工进度，基于BIM模型以及工程量清单完成工程进度计划的编制，对工程进度实际值和计划值进行比较，早期预警工程误期，动态控制整个项目的风险。实现了不同施工方案的灵活比较,发现了影响工期的潜在风险。装配式建筑BIM施工模拟示意，详见图8）

图 8预制装配式建筑施工模拟

4. 总  结

本文仅针对装配式混凝土剪力墙结构这一种结构体系的预制构件BIM模型进行了分类和编码的说明，并建立了基础数据库，这对于建筑工业化的需求是远远不足的。今后在不断完善剪力墙结构预制构件BIM数据的基础上，加强对混凝土框架结构、钢结构、木结构等其他装配式结构体系的研究，建立形成全体系的预制构件BIM数据库。期望通过对预制构件BIM数据库的建立，将BIM数据在装配式建筑中的设计、采购、生产、物流、施工、装修和管理串联起来，整合建筑全产业链，实现全过程、全方位的信息化集成。

参  考  文  献

[1]   《预制混凝土剪力墙外墙板》15G365-1.

[2]   《预制混凝土剪力墙内墙板》15G365-2.

[3]   《桁架钢筋混凝土叠合板（60mm厚地板）》15G366-1.

[4]   《预制钢筋混凝土板式楼梯》15G367-1.

[5]   《预制钢筋混凝土阳台板、空调板及女儿墙》15G368-1.

[6]   《装配式混凝土结构表示方法及示例（剪力墙结构）》15G107-1.

[7]   《装配式混凝土结构住宅建筑设计示例（剪力墙结构）》15J939-1.

[8]   《装配式混凝土结构连接节点构造》G310-1~2.

[9]     化学工业出版社 . 装配式混凝土结构建筑信息模型（BIM）应用指南

[10] 谢俊，胡友斌，张友三 . BIM在国内预制构件设计中的应用研究

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