基于BIM软件下的装配式建筑结构设计

缑涛

（山东省阳光工程设计院有限公司，山东济南 250101）

1.BIM技术概述

BIM技术全称为建筑信息模型技术，是建筑行业中，作为建筑学、工程学及土木工程的新工具。建筑信息模型是来形容那些以三维图形为主、物件导向、建筑学有关的电脑辅助设计。随着技术的完善和发展，广义的BIM技术已经不仅仅局限于几个软件或平台，而是工程信息化一系列技术的总称。通过BIM技术能够进行建筑设计、建筑预算、施工导引等多种工作形式，作为辅助工具能直观的展现建筑信息化模型，进而开展工作。

BIM技术具有多种优势，最为显著的优势是直观，通过BIM能够简单便捷地展现建筑三维图形，即便没有充足的专业知识和从业经验，也可通过三维图形实现建筑方案的识读。BIM技术具有交互性，不同于传统建筑设计工作中各个分项设计独立进行的形式，通过BIM技术能够使建筑设计工作全流程实现交互，进而减少工作失误和未来整合难度，结合现有技术也可将建筑信息模型引入全过程管理中，使建筑施工全过程实现科学管控。本文中使用BIM技术进行建筑结构设计工作，当前相关技术发展趋近成熟，已经有多个技术和平台能为建筑结构设计提供服务。

2.装配式建筑概述

装配式建筑是指把传统建造方式中的大量现场作业工作转移到工厂进行，在工厂加工制作好建筑用构件和配件，运输到建筑施工现场，通过可靠的连接方式在现场装配安装而成的建筑。装配式建筑的形式已经有了较为久远的历史，但是近几年才在国内发展并形成产业规模的一种建筑形式。装配式建筑主要分为混凝土装配式、钢结构装配式、木结构装配式几种形式，其中混凝土装配式在大型建筑中最为常见，且是技术要点多样的一种的建筑形式。

装配式建筑有着高效率、高质量的显著优势。不同于传统现浇施工的形式，组成建筑的主要构件不在现场进行作业，而是移交到专业工厂进行预制工作，在整个预制过程对质量标准有着严格的要求，而后运送到现场后施工单位仍会进行再次验收，进而保障所使用的构件材料是质量合规的，从而保障整个建筑的主要结构部分质量合格，达到提高建筑质量的目的。整个施工过程在现场作业量少，同时不需要长久养护即可进行继续施工，整个施工过程中对于环境因素和温度的影响也比较小，在安装过程中不受环境影响，无需长久养护，综合而言是能够提高施工效率的。此外，装配式建筑的形式对于房屋格局的优化也有一定意义，内部剪力墙结构较少，对于空间利用和格局优化将有更大的发挥空间。装配式建筑的施工过程中无需过多操作人员和管理人员，整个流程施工要点清晰明确，管理过程简单，能够减少人力成本和措施费用的支出。装配式建筑减少现场施工的进行，进而减少材料浪费，建筑垃圾产生的数量随之减少，也是符合节能环保理念的新型建筑模式。

3.装配式建筑结构设计原则与要点

3.1 结构安全性

结构安全是所有建筑的共同需求，在装配式建筑结构设计中同样需遵循该原则。结构安全的内容主要包括结构自身安全、连接安全、荷载安全。自身安全即在施工和使用过程中结构自身的稳定性及在内力和重力影响下的安全性；连接安全即为各个结构构件在连接过程中所呈现的稳定性，以及是否在正常使用状态下发生的形变下仍能保持稳定；荷载安全指的是在建造和使用过程中，来自其他构件的荷载，使用阶段的可变荷载等，在荷载下能否保持稳定。此外对于大部分建筑而言，有着抗震性能的需求，其与结构安全有着较大关系[1]。

3.2 结构耐久性

大部分结构具有最低使用年限的需求，而使用年限的规定约束的是建筑主体结构的使用年限。装配式建筑作为一种建造技术和模式，对于使用年限的需求遵循普通建筑形式的需求，一般而言在50年以上。而耐久性需求并不仅仅是简单的材料或结构能够使用到目标年限，还需在达到目标年限后仍具有结构性能。耐久性的影响主要与材料规格的选择和设计整体结构有关。材料强度越高、性能越好，则建筑结构耐久性越好；结构优化形式越好，单个结构受到的消耗越小，则建筑结构耐久性越好。装配式建筑同样有着结构耐久性需求，以达成使用年限的目的。

3.3 结构拆分特性

结构拆分特性与传统现浇施工工艺中具有较大差异性。装配式建筑的构件在工厂中生产预制完成，而后运送到工程现场进行安装。因生产工艺和运输措施的限制，结构尺寸不可能与建筑尺寸一致，而需要进行分割。将结构分割之后，内部的受力情况，整体的性能情况将会受到影响，而这种影响通常是现浇建筑形式无需考虑的。结构的拆分需注意构件尺寸能否满足生产及运输需要，同时要考虑结构强度因分割造成的影响，此外在分割之后，如何进行安装和连接，安装连接的稳定性与施工可行性，均会影响最终建筑质量与施工工艺。装配式建筑在施工阶段能够减少工作量，降低施工难度，但在设计阶段的结构拆分特性是重难点工作之一[2]。

3.4 结构尺寸兼容性

装配式建筑的安装过程类似于搭积木，构件的主要材料是钢筋混凝土。钢筋混凝土作为常用的建筑材料具有性价比高、强度需求灵活等多种优势。在装配式建筑中，为了便于各个构件的安装，对于构件尺寸有一定兼容性要求。对于混凝土构件本身而言，因工程量大、整体尺寸大，难以避免地会存在尺寸变动，同时混凝土材料随着温度的影响可能会影响自身体积尺寸，构件运送到现场之后也会因温度变化的热胀冷缩效应而出现尺寸变化。基于多种原因的尺寸变化将会对安装过程造成影响。为了保障安装工作的顺利运营，对尺寸进行兼容性设计是很有必要的，但构件之间的连接方式及距离同样会造成结构强度的折损。从该角度而言，构件被分割后的尺寸也是在装配式建筑结构设计中需要解决的问题。

4.BIM技术对装配式结构设计的应用

4.1 结构性能计算

为了保障结构安全性与稳定性，在进行结构设计的过程中均需进行结构计算。通过理论层面数据用来计算结构的抗震性能、结构强度等，以确定设计方案的结构性能能够满足建筑需要。BIM技术能够简化整个结构设计的性能计算过程，通过BIM解决方案，将预选取的建筑结构进行确定，完善的信息交互平台能够便捷可行地调用材料性能数据并根据布设情况完成自动计算。传统结构设计对于结构强度的设计思路首先通过需求确定结构强度需求，然后根据该强度需求进行钢筋、混凝土的数量规格确定，最后再进行验算。通过BIM技术的形式能够优化整个过程，通过信息平台数据交互与软件功能实现，在确定建筑基本需求后，可根据BIM平台给出的性能需求数据进行优化，进而简化性能计算的流程，减少错误的同时提高工作效率[3]。

4.2 结构安全性与可行性检验

结构设计工作中当确定初步方案后要进行可行性检验，主要检验结构能否满足使用需求及施工过程中的可行性。一方面保障结构落地后的全过程中需求实现；另一方面确保结构设计方案能够适用于工程施工工作。传统设计模式下，通过结构拆解、承载力试算的形式进行，当前对于结构承载力计算与极限荷载计算虽已趋于完善，但验证过程中复杂繁琐。例如：在建筑空间内某一位置的可变荷载，其经由楼板最终将荷载分散承担至临近的承重结构，但可变荷载的位置不同对于各个结构的受力分配比例不同，而对该过程进行分析是繁琐且复杂的。BIM技术通过三维图形的形式，能够将设计方案中的结构落实到三维图形中，进而从多个角度检验该设计方案的安全性与可行性。

4.3 结构分割优化

结构分割过程对于装配式建筑而言是较为重要的过程，结构分割的合理性也直接决定整个装配式工程在构件生产、构件运输、安装施工等阶段的可靠性与安全性。装配式建筑的构件分割工作均需借助计算机软件进行，在该过程中引入BIM技术将对于分割过程能够进行针对性优化。以建筑三维模型的形式，在分割过程中能够清晰的知悉各个部分的连接关系，以及分割后结构的整体性影响，整个过程能够全面统筹结构优化、结构分割工作的进行。对于构件尺寸问题，也可通过BIM技术开展试算，明确因分割和尺寸兼容带来的性能折损，进而采取针对性解决方案。

4.4 动态化结构设计

结构设计工作除结构自身性能满足要求之外，对于施工可行性、建筑外形外观、工程成本等均有一定要求，在上述条件的约束下，装配式建筑的结构性能也不会越高越好，在合理成本内达成需求，同时不损害其他因素的设计方案才为科学合理的设计工作成果。传统设计工作形式对于设计方案需要进行反复出具和修改的形式，反复工作较多。通过BIM技术进行三维图形建立之后，即可进行动态设计的形式，在进行结构的设计的过程中可同时检验其他多种约束条件，还可便捷地进行多种方案的横向对比，进而达到结构优化的目的。使用三维模型进行设计工作，对校验建筑外观、实时试算成本等均能简单便捷完成，从而科学全面地完成建筑设计工作。

5.BIM技术在装配式结构设计应用中的必要性

5.1 提高设计效率

建筑结构设计是一个影响因素多样，实施过程繁琐的工作，而装配式建筑因其特殊形式有着更多注意要点。装配式建筑的设计工作具有多种约束和特殊需求，尤其对于构件的分割与施工方式的确定，在整个装配式结构设计中是与普通建筑形式最大的不同点。BIM技术中通过对建筑进行三维模型的建立，通过三维模型的形式将使整个设计工作的进行更为直观，同时能够明确多个指标之间的约束关系，进而保障设计工作的科学性与合理性。不同于传统设计工作中方案反复更改修正的形式，BIM技术能够将建筑设计中各个结构进行明确关联，而后使修改工作变得简单，对建筑结构设计工作效率实现提高[4]。

5.2 设计方案合理

设计方案的合理性对于建筑结构设计而言十分必要。合理性方面的需要主要有结构安全、结构耐久性等，在装配式建筑中结构合理性还应检验构件分割后的合理性。传统结构设计工作中对于结构合理性并无检验依据和可靠的检验办法，在设计工作中引入BIM技术后，可通过有限元分析、模拟荷载分析等多种形式实现结构设计的检验，从而确保设计方案的合理。在整个过程中，可通过三维模型模拟的形式来验证结构自身安全和稳定性，也可模拟使用阶段可变荷载对于性能的影响。

5.3 设计方案便于施工落地

结构设计工作的除需在理论层面满足需求之外，也需考虑施工阶段的便捷性与合理性。对于装配式建筑而言，该需要不仅仅体现在施工环节，而构件的生产、运输、拼接、安装等环节均有措施和设备的限制。装配式建筑的顺利落地需确保各个环节工作的顺利进行，同时保障施工质量与施工合理性。通过BIM技术的形式能够将建筑过程拆解，进而检验设计方案的可行性。在结构设计方案确定之后，还可通过BIM技术形成的三维模型来辅助编写施工流程，制定施工方案，同时能够作为质量交底的参考资料。整个过程中采用同一BIM模型即可实现。BIM技术直观的特点也更有利于检验施工方案，便于方案落地。

5.4 便于协同工作

结构设计工作涉及要点多，专业分项复杂，通常而言需要多个技术人员的参与。通过BIM技术能够提供交互式设计解决方案，在进行结构设计的过程中能够便捷的实现同步设计，从而对建筑设计方案进行逐步完善，减少无效沟通，杜绝重复工作。BIM技术的应用能够直观的体现设计工作开展过程与进度，同时能够使初稿、检验、审核的工作流程实现痕迹化处理与修改，对于设计方案的溯源、逆转等操作也更为便捷。

6.结语

装配式建筑是一种新型建筑形式，其具有高质量、高效率的显著特点。在施工中，装配式建筑相比传统建筑模式的管控要点较少，技术指标直观，但在设计阶段有多个重点要注意，这与传统建筑的结构设计不同。BIM技术是建筑信息化的应用解决方案，通过BIM技术实现建筑三维模型的建立能够简化建筑设计过程，提供全面科学的设计方案。将BIM技术引入装配式建筑结构设计中，对于规范结构设计、促进装配式建筑发展有积极意义。