建筑工業(yè)化深化設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐
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侯本才，馬文文，郭瑞峰，王奇龍
（中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100102）
[摘要]基于建筑工業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)與現(xiàn)階段建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)背景，總結(jié)了建筑工業(yè)化項(xiàng)目進(jìn)行深化設(shè)計(jì)的必要性；結(jié)合建筑工業(yè)化項(xiàng)目的預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)實(shí)例，從各專業(yè)、施工流程角度出發(fā)，闡述了深化設(shè)計(jì)內(nèi)容與流程；基于BIM技術(shù)，介紹了深化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新；介紹了深化設(shè)計(jì)在具體項(xiàng)目中的應(yīng)用。
[關(guān)鍵詞]裝配式；預(yù)制構(gòu)件；深化設(shè)計(jì)；建筑信息模型
[中圖分類號(hào)]TU741 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)10-0038-04
1研究背景
近年來(lái)，隨著建設(shè)需求的增加、勞動(dòng)力成本的增長(zhǎng)以及資源環(huán)境的惡化，傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)、施工方式開(kāi)始出現(xiàn)瓶頸；隨著國(guó)家針對(duì)綠色建筑、建筑工業(yè)化政策的頒布，各地政府、開(kāi)發(fā)商、施工單位對(duì)建筑工業(yè)化的關(guān)注度迅速提高；國(guó)家轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)方式促進(jìn)各行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，導(dǎo)致建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)迫在眉睫。綠色、低碳、節(jié)能、環(huán)保的建筑工業(yè)化模式已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)迅速擴(kuò)展。
由于建筑工業(yè)化采用工廠預(yù)制一裝配式施工方式，對(duì)預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝等圖紙均有特殊要求。然而，原建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)計(jì)等各專業(yè)圖紙信息，不足以指導(dǎo)建筑工業(yè)化模式的生產(chǎn)、施工，因此建筑工業(yè)化深化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不可或缺。
2預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)
2.1 預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)概念
建筑工業(yè)化的核心是預(yù)制構(gòu)件，其深化設(shè)計(jì)的核心工作即預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)。預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)，是指基于BIM技術(shù)，運(yùn)用圖紙手段，整合建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、設(shè)備、建材、生產(chǎn)、施工等專業(yè)需求于一體，進(jìn)行的二次設(shè)計(jì)。
在整個(gè)建筑工業(yè)化項(xiàng)目中，深化設(shè)計(jì)具有承上啟下的關(guān)鍵作用。合理的深化設(shè)計(jì)能夠有效減少由于專業(yè)交叉、設(shè)計(jì)人員專業(yè)局限性而造成的預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)表達(dá)內(nèi)容不夠全面等問(wèn)題，是保證深化設(shè)計(jì)圖紙能夠集中反應(yīng)各專業(yè)需求的核心，是預(yù)制構(gòu)件高品質(zhì)、高精度生產(chǎn)的前提，也是指導(dǎo)工程現(xiàn)場(chǎng)裝配式施工順利進(jìn)行的可靠保障。
2.2預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)內(nèi)容
一套完整的建筑工業(yè)化項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)圖紙需要包含：深化設(shè)計(jì)總說(shuō)明、預(yù)制構(gòu)件平面布置、立面布置、節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)、預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)等內(nèi)容，所涵蓋專業(yè)包括建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等。此外，不同于傳統(tǒng)建筑現(xiàn)澆施工方式，工業(yè)化建筑特有的預(yù)制構(gòu)件 生產(chǎn)、裝配式安裝對(duì)深化設(shè)計(jì)有特殊的要求，建筑工業(yè)化深化設(shè)計(jì)主要內(nèi)容如下。
1)建筑專業(yè) 在建筑設(shè)計(jì)院給出建筑專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙基礎(chǔ)上，預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)中須明確指出構(gòu)件外形尺寸、構(gòu)件表面做法、開(kāi)洞信息、防水做法、保溫做法以及構(gòu)件的體積、混凝土量、構(gòu)件質(zhì)量等信息。
2)結(jié)構(gòu)專業(yè) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)院給出結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙基礎(chǔ)上，預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)需完成所有鋼筋定位、鋼筋型號(hào)、鋼筋形式、鋼筋數(shù)量等詳細(xì)信息，做到能夠指導(dǎo)加工廠進(jìn)行鋼筋生產(chǎn)的深度。
3)機(jī)電專業(yè) 預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)必須整合機(jī)電專業(yè)信息，如綜合管線排布、線盒位置預(yù)留等，均須在深化設(shè)計(jì)階段確定。
4)構(gòu)件生產(chǎn)與安裝 建筑工業(yè)化深化設(shè)計(jì)需要能夠指導(dǎo)預(yù)制構(gòu)件的加工生產(chǎn)，因此預(yù)制構(gòu)件加工過(guò)程中的一系列措施性節(jié)點(diǎn)均須在深化設(shè)計(jì)中進(jìn)行考慮，如在構(gòu)件深化設(shè)計(jì)中需要考慮工廠模具的設(shè)計(jì)、脫模方案、脫模埋件的設(shè)置等信息，并明確脫模埋件、吊裝埋件的定位與尺寸。
5)工業(yè)化措施 建筑工業(yè)化施工免去了現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)模板的過(guò)程，但需要設(shè)計(jì)支撐體系進(jìn)行定位和臨時(shí)支撐，如墻板需要斜支撐、疊合板需要獨(dú)立支撐等，支撐體系的構(gòu)件設(shè)計(jì)與埋件布置定位須在深化設(shè)計(jì)中進(jìn)行明確。
3 預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)流程
預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)基本流程如下：校對(duì)設(shè)計(jì)院圖紙→確認(rèn)深化設(shè)計(jì)依據(jù)→構(gòu)件設(shè)計(jì)→BIM信息化建模→模型校對(duì)審核→深化設(shè)計(jì)出圖。
1)校對(duì)設(shè)計(jì)院圖紙 深化設(shè)計(jì)是對(duì)各專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙的信息整合、二次設(shè)計(jì)，在深化設(shè)計(jì)之前，需要充分了解原建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)計(jì)等，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)圖中存在的設(shè)計(jì)問(wèn)題，并與各專業(yè)設(shè)計(jì)及時(shí)溝通解決問(wèn)題。
2)確認(rèn)深化設(shè)計(jì)依據(jù) 深化設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)階段的延續(xù)，所依據(jù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、圖集的確定是其順利開(kāi)展的重要前提。應(yīng)該做到將項(xiàng)目所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)整理成文，與各專業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行核定，明確深化設(shè)計(jì)依據(jù)，統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而避免出現(xiàn)同一工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同的現(xiàn)象。
3)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)建筑工業(yè)化深化設(shè)計(jì)的核心是預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)，預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)是構(gòu)件的拆分，構(gòu)件拆分的核心是構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。在確定各類型預(yù)制構(gòu)件節(jié)點(diǎn)區(qū)連接形式后，即可進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的組合設(shè)計(jì)工作。構(gòu)件組合設(shè)計(jì)分為水平構(gòu)件拆分和豎向構(gòu)件拆分。進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件組合設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循盡量減少構(gòu)件種類，保證“少型號(hào)、多組合”的拆分原則。
4) BIM信息化建模 結(jié)合建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電5個(gè)專業(yè)的最終圖紙，對(duì)模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，其重點(diǎn)在于鋼筋的布置以及數(shù)據(jù)的載入，使模型具有全套的準(zhǔn)確信息，達(dá)到模擬的目的�；贐IM技術(shù)的預(yù)制外墻板構(gòu)件模型如圖1所示。
5)模型校對(duì)審核 完成預(yù)制構(gòu)件模型建立之后，需要對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)件內(nèi)各專業(yè)審核，重點(diǎn)在于鋼筋的布置信息、洞口尺寸及位置、各專業(yè)埋件的預(yù)留預(yù)埋是否準(zhǔn)確等，在確保準(zhǔn)確無(wú)誤的情況下再進(jìn)行下一環(huán)節(jié)操作。
6)深化設(shè)計(jì)出圖 建立出圖樣板文件，包含深化設(shè)計(jì)圖的排版樣式、線型、線寬、標(biāo)注等要求，導(dǎo)入已完成審核的構(gòu)件模型，進(jìn)行標(biāo)注、數(shù)據(jù)調(diào)整以及儲(chǔ)存。基于BIM技術(shù)的預(yù)制構(gòu)件深化圖紙如圖2所示。
4 深化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新
4.1 基于BIM技術(shù)的參數(shù)化鋼筋設(shè)計(jì)方法
預(yù)制混凝土構(gòu)件深化設(shè)計(jì)過(guò)程中，鋼筋的深化是最為重要的環(huán)節(jié)。針對(duì)現(xiàn)階段BIM軟件在鋼筋設(shè)計(jì)中存在的一些局限性問(wèn)題，本研究摒棄Revit自帶的鋼筋，基于Revit進(jìn)行了深度的二次開(kāi)發(fā)，使用“基于線的公制常規(guī)模型”族樣板開(kāi)發(fā)了可參數(shù)化控制的鋼筋族。先后完成了直線鋼筋、箍筋、拉筋、豎向受力筋、豎向分布筋、水平分布筋等多種參數(shù)化鋼筋的開(kāi)發(fā)，形成了智能的參數(shù)化鋼筋族庫(kù)。每一類鋼筋配以相對(duì)應(yīng)的圖例，便于鋼筋明細(xì)表及
出圖的使用。依據(jù)鋼筋參數(shù)化，擴(kuò)展到預(yù)埋件、線盒、預(yù)留孔等構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)整體參數(shù)化。鋼筋參數(shù)化設(shè)計(jì)界面展示如圖3所示。
參數(shù)化鋼筋可以通過(guò)對(duì)話框控制鋼筋的各種參數(shù)，包括鋼筋的直徑、彎折度數(shù)、彎鉤長(zhǎng)度等，針對(duì)不同的鋼筋可以設(shè)置不同的參數(shù)，清晰明了。尤其重要的是，鋼筋可以自動(dòng)避讓預(yù)制混凝土構(gòu)件中已經(jīng)放置完畢的線盒、套筒以及施工吊裝所需的各種預(yù)留預(yù)埋件，大大減少了人工繪制的勞動(dòng)量。參數(shù)化鋼筋包含鋼筋的各種信息，涵蓋了鋼筋的縮略圖、鋼筋型號(hào)等，特別是可以自動(dòng)識(shí)別計(jì)算鋼筋的分段長(zhǎng)度。有了上述種種信息，可以在生成深化設(shè)計(jì)圖的同時(shí)，自動(dòng)完成鋼筋明細(xì)表，而無(wú)須進(jìn)行人工操作，大大提高了預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)工作的效率。
4.2基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計(jì)出圖
基于BIM技術(shù)、運(yùn)用族嵌套的方法將參數(shù)化鋼筋載入混凝土模型中，進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)模型搭建。完成深化設(shè)計(jì)模型后，將三維模型旋轉(zhuǎn)至出圖視角，直接拖拽到軟件圖框視圖中即可完成出圖（見(jiàn)圖4），實(shí)現(xiàn)由BIM軟件中從深化設(shè)計(jì)到生成圖紙的全過(guò)程應(yīng)用。生成的平、立、剖圖紙相互關(guān)聯(lián)。當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)生變更時(shí)，進(jìn)行模型修改后圖紙也隨模型進(jìn)行變動(dòng)，不必再次進(jìn)行圖紙繪制，有效減少工作量。
4.3高效的流水線深化模式
使用BIM技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)包括如下流程：BIM模型搭建、深化調(diào)整、碰撞檢查、工程量計(jì)算、下料單制作、圖紙布置與輸出。將上述步驟進(jìn)行流水線化分解，由一人負(fù)責(zé)模型搭建，一人做深化調(diào)整和碰撞，一人進(jìn)行工程量計(jì)算、下料單制作、圖紙布置與輸出。這種工作模式充分發(fā)揮了工業(yè)化中流水線工作模式的優(yōu)勢(shì)，使得每人只專注處理某一階段的工作，大大提高了工作效率。同時(shí)，降低了BIM技術(shù)在建筑工業(yè)化深化設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用的門檻。流
水線深化設(shè)計(jì)模型如圖5所示。
相對(duì)于傳統(tǒng)的CAD出圖模式，應(yīng)用BIM技術(shù)的出圖流程具有如下優(yōu)勢(shì)：可以更加精確地表達(dá)構(gòu)件的空間關(guān)系，更加精準(zhǔn)地表現(xiàn)復(fù)雜空間構(gòu)件，不易出錯(cuò)；可以進(jìn)行構(gòu)件內(nèi)部碰撞檢測(cè)、構(gòu)件與構(gòu)件之間的碰撞檢測(cè)；可以更高效地進(jìn)行模型變更，如發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在不合理，在修改時(shí)僅改動(dòng)模型，即可實(shí)現(xiàn)多張圖紙的同步修改；可以大幅度加快工程量統(tǒng)計(jì)的速度，與模型同步生成，并隨時(shí)保持更新。
基于以上完成的創(chuàng)新技術(shù)研究，不需要精通全部的BIM軟件操作及全部的預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)知識(shí)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可上手。此方法將深化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為搭積木式的建模，入門難度低，便于操作理解。經(jīng)過(guò)實(shí)際的應(yīng)用對(duì)比，使用本技術(shù)深化設(shè)計(jì)時(shí)間縮短為原有設(shè)計(jì)時(shí)間的1/4，節(jié)約時(shí)間效果顯著。由于BIM技術(shù)擁有模型的碰撞檢查和基于模型的工程量統(tǒng)計(jì)等功能，圖紙的準(zhǔn)確性也高于傳統(tǒng)深化設(shè)計(jì)方法。在深化設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行各個(gè)構(gòu)件的碰撞
檢查，有效減少由于深化設(shè)計(jì)問(wèn)題造成的現(xiàn)場(chǎng)誤工、返工現(xiàn)象，有力保障了產(chǎn)業(yè)化住宅節(jié)能、環(huán)保、綠色、低碳的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。
5 建筑工業(yè)化深化設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例
建筑工業(yè)化深化設(shè)計(jì)流程與創(chuàng)新技術(shù)已成功應(yīng)用于多個(gè)項(xiàng)目，如五河萬(wàn)科長(zhǎng)陽(yáng)天地項(xiàng)目的預(yù)制外墻、預(yù)制疊合板、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)、預(yù)制樓梯等構(gòu)件應(yīng)用；北京市CBD核心區(qū)22b地塊商業(yè)金融項(xiàng)目的PC模板構(gòu)件應(yīng)用；清華大學(xué)蘇世民書(shū)院項(xiàng)目的預(yù)制混凝土石材磚花掛板構(gòu)件應(yīng)用等，各個(gè)項(xiàng)目的順利實(shí)施均體現(xiàn)了深化設(shè)計(jì)在建筑工業(yè)化工程中的重要價(jià)值。
以長(zhǎng)陽(yáng)天地產(chǎn)業(yè)化居住項(xiàng)目為例，使用本技術(shù)深化設(shè)計(jì)時(shí)間縮短為原有設(shè)計(jì)時(shí)間的1/4，節(jié)約時(shí)間效果顯著，提升了出圖的準(zhǔn)確性。深化設(shè)計(jì)結(jié)果直接導(dǎo)人數(shù)控加工設(shè)備，進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)，參數(shù)化設(shè)計(jì)成果使得鋼筋、混凝土、保溫材料等一系列的建材損耗大幅降低，減少了施工廢棄物的產(chǎn)生。在深化設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行各個(gè)構(gòu)件的碰撞檢查，有效減少了由于深化設(shè)計(jì)問(wèn)題造成的現(xiàn)場(chǎng)誤工、返工現(xiàn)象�；贐IM技術(shù)的預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)技術(shù)的成功研究與應(yīng)用，為建筑施工企業(yè)進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)非常恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。
6結(jié)語(yǔ)
企業(yè)發(fā)展建筑工業(yè)化離不開(kāi)預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)與安裝，而預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)正是保證生產(chǎn)質(zhì)量、安裝精度的重要環(huán)節(jié)，基于BIM技術(shù)的建筑工業(yè)化深化設(shè)計(jì)，即整合各專業(yè)圖紙信息進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，緊密聯(lián)系設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)階段、安裝階段，在整個(gè)工程中起到承上啟下的重要作用，為建筑工業(yè)化工程的順利實(shí)施提供圖紙基礎(chǔ)。
