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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateBIM在国内预制构件设计中的应用研究BIM在国内预制构件设计中的应用研究BIM在国内预制构件设计中的应用研究胡友斌，（中民筑友科技集团，湖南 长沙 410000）【摘 要】文章简述为何要采用BIM进行预制构件设计及现阶段各类BIM设计软件的基本情况。结合BIM软件在中民筑友科技集团设计信息化中的应用，提出完整的预制构件设计BIM应用方案，并详细论述BIM软件在构件设计
2、和生成生产数据两方面所要实现的功能。为装配式建筑企业进行预制构件设计软件选型及BIM应用方案提供参考。【关键词】BIM、预制构件、装配式建筑、设计信息化1 前言在国家有关推进产业化建设政策的激励下，越来越多的企业开始进军装配式建筑。相比传统建筑物的设计，装配式建筑需在建筑、结构、机电施工图设计上增加预制构件设计（工艺设计），根据所选装配式建筑结构体系，将整栋建筑物按建筑构造和结构要求，拆分成一个个预制构件，并设计每个预制构件的材料、外形轮廓、钢筋、预埋件等。预制构件设计时还需在满足建筑和结构设计的基础上充分考虑制造和安装的需求，能预见实现过程中可能遇到的问题，并将其在设计阶段解决。这些对设计提
3、出了很高的要求，一些企业因此尝试应用BIM软件来进行预制构件设计 1。当然对于一个综合性企业来说，设计往往只是其中的一个环节，企业需要的也不是简单的BIM模型，而是设计、模型、生产经营数据的集成解决方案，实现设计信息化、模型信息建筑产业化全过程应用的目标，通过BIM技术给企业带来质的提升。因此，采用BIM软件来进行预制构件设计，一方面是要解决构件设计精准度和设计效率问题；另一方面是要利用设计好的BIM模型为计划、采购、制造、物流、装配等各环节提供所需的数据，充分发挥BIM模型的价值。2 BIM设计软件国内已有不少企业开始从事预制构件设计，但是专业的预制构件设计BIM软件很少2。作为国内主流的B
4、IM软件，Revit的功能很强大，在国内企业摸索装配式建筑设计的初期就尝试用Revit来进行预制构件设计。Revit有强大的族库功能，可通过建立参数化的构件族来快速生成各种预制构件，Revit也支持对构件进行制造模拟、施工安装模拟和进行碰撞检测，但是Revit的优势在于可视化和可持续性设计，在预制构件设计的专业性、便捷性和功能的完整性上存在较多的问题，同时缺少与工业生产对接的模块，暂时还不能满足预制构件设计的需求3。为了适应装配式建筑的设计，国内的结构设计软件PKPM和盈建科都已开始研发装配式建筑设计软件。2015年6月PKPM发布了装配式结构设计软件的试用版，其包含的功能只有装配式建筑整体分
5、析中的设计工作，离真正实现完整的装配式建筑设计还需较长的研发时间4。盈建科软件于2015年9月发布了装配式结构设计软件YJK-AMCS。YJK-AMCS是在YJK的建模和结构计算功能的基础上，扩充钢筋混凝土预制构件的指定、预制构件的相关计算、预制构件的布置图和大样详图绘制等工作。该软件中很多细节处的设计问题不能解决，也还需要一段时间的改进。也有一些企业尝试用CATIA、Rhino、SolidWorks、Tekla来进行预制构件的设计，这些软件都操作便捷、功能强大，只是毕竟属于机械设计和钢结构设计软件，应用于预制构件的设计还有很多专业性的问题待解决。由奥地利内梅切克公司开发的预制构件设计软件“A
6、llplan Precast”(以下简称Allplan)已在全球多个国家应用多年，是目前市场上最成熟的预制构件设计软件，其包含的功能主要有：建筑设计、结构分析、预制构件设计、生成生产数据。因建筑设计、结构分析国内均已有成熟的软件，国内企业引入该软件主要是使用它的预制构件设计和生成生产数据两项功能，进行参数化的PC构件拆分，及生成各种图、表、数据与工业化生产、ERP管理、工程管理进行对接，帮助企业实现信息化与工业化的融合。当然，Allplan作为国外的预制构件专业设计软件，其存在的不足之处也很明显，主要包括：本土化程度不够，某些地方需进行定制开发；操作便捷性需提高；价格昂贵。3 预制构件设计中民
7、筑友科技集团研发有三套装配式建筑体系：框架体系（框架、框剪）、剪力墙体系、墙板体系，将所有预制构件分为以下类型：内隔墙、外隔墙、内隔墙梁、外隔墙梁、预制剪力墙内墙、预制剪力墙外墙、外挂墙、叠合梁、预应力叠合梁、叠合板、预应力空心板、预应力叠合板、框架柱、楼梯、阳台、空调板、飘窗。公司采用的BIM平台是Allplan+MagiCAD，其中Allplan用于预制构件设计，将各种预制构件分为三大类：墙、板、异形件，部分预制构件模型见下图1。 外隔墙梁 内隔墙梁 内隔墙 外挂墙 框架柱 阳台 预应力叠合板 预应力空心板 叠合梁 楼梯图1 预制构件模型所有预制构件的设计思路都是：先设计轮廓、然后布置钢筋
8、、随后放置预埋件、最后检查碰撞。BIM软件中设计出模型并不难，难点在于复杂构件的快速建模，提高设计效率；及模型的准确性，为后端提供真实的物料信息。中民筑友科技集团经过一年多的BIM应用研究已摸索出一套快速、准确的建模方法。3.1 轮廓设计使用BIM软件做轮廓设计时需重点考虑的是预制构件的类型、材料组成、上下左右的连接节点、特殊构造的处理。墙：国内应用主要是三类：夹心墙、混凝土墙、双层墙。其中带外饰面的夹心墙最为复杂，见下图2，至少有三层：饰面层、保温层（四周包有防火岩棉）、混凝土层，一些企业为了确保外饰面的连接强度，会在外饰面层和保温层之间加一层连接混凝土，在混凝土层中局部添加减重材料XPS，
9、这样在建模时就需考虑建五层。设计轮廓时的难点是对于各层用什么样的生成方式，能与其材料统计的方式相一致。外饰面物料一般是按面积统计或是标准外饰面板的块数来统计；混凝土是按体积来统计；保温材料一般是按体积来统计，但需注意的是在保温材料端部放置的防火岩棉，混凝土层内放置的减重材料，可分别按长度和面积来统计，这样与工厂的实际生产更符。 图2 带梁外隔墙轮廓图 墙体上下与梁/楼板/墙连接，左右与柱/墙连接，连接节点样式多；如果是外墙，构造防水也是必不可少的，因此、往往墙体上、下、左、右处的饰面层、保温层、混凝土层会不平齐。在门窗、洞口处，需考虑热桥效应来对保温层进行编辑，另外就是建立必要的防水构造。在轮
10、廓设计时的难点是在建模前考虑好如何快速、准确的得到所需要的轮廓。对于通用型的连接节点、构造，我们可以将其参数化的建立在预制构件内；对于特有的外形轮廓，可以建立一些辅助轮廓块，需要的时候，添加到预制构件内即可。 板：国内应用的主要是两类：叠合板和空心板，其轮廓都比较简单，材料也都只有一种。异形件：梁、柱、楼梯、沉箱等，形状都比较方正，由混凝土直接浇筑而成，在轮廓设计上不存在困难。3.2 钢筋布置对于板、异形件，钢筋的规格、型号、数量、形状都不算多，且分布有规则，做几个参数化的智能构件就能实现快速生成钢筋。但对于复杂构件，如带梁外隔墙，其钢筋的处理就比较麻烦，见下图3.图3 带梁外隔墙内钢筋对带梁
11、外隔墙的钢筋可分三大类来处理：第一类是墙体基础加固钢筋（钢筋网），可采用参数化设置，定义好钢筋网类型，如C6200和C4150，定义钢筋网在墙体上下左右处是否需要伸出、缩入、以及搭接样式。在实际生产中，钢筋网的生成方式有两种，一种是采用切割好的纵横钢筋搭接而成，另外一种是采用标准尺寸的成品钢筋网片。采用不同生成方式的钢筋网，在进行钢筋布置时需进行不同的处理。这是因为在实际生产时，门窗、洞口处不布置钢筋网，如果使用纵横钢筋搭接而成的钢筋网，模型中钢筋量可用于指导生产；但是如果采用成品钢筋网片，则构件的最大轮廓尺寸即是钢筋网片的尺寸，模型中钢筋量会比实际生产所需量少。所以当工厂采用成品钢筋网片来进
12、行墙体基础加固时，需按构件最大轮廓来放置钢筋；当构件尺寸大，超过标准钢筋网片的尺寸，需要拼接时还要考虑拼接长度。第二类是梁内钢筋，可按普通梁内钢筋的方法来处理。做参数化的智能构件，在布置墙带梁中的梁内钢筋时，根据梁内钢筋设置好智能构件内的钢筋参数，然后将该智能构件定位到墙不可见面上部（梁）即完成梁内钢筋的布置。第三类是附加钢筋（加强钢筋），对于洞口、墙体外轮廓处的加强钢筋，可以采用按轮廓自动生成；对于吊筋、拉结筋则需要手动添加。3.3 预埋件设置 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）和用于与其它构件进行连接的预
13、埋件（如普通套筒）；水电预埋件包括各种电气元件、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。BIM软件中可将预埋件分四大类来处理：符号预埋件、线性预埋件、面预埋件和预埋件组，以便于后期的物料统计。按个数统计的如：吊钉、弯头、JDG86盒等定义为符号预埋件；按长度来统计的如：JDG20线管、门窗副框、防水橡胶条等定义为线性预埋件；按面积来统计的如：100mm厚XPS、免拆模、外挂饰面板等定义为面预埋件；为了便于放置、简化操作，可将预埋件与预埋件、预埋件与3D实体、预埋件与钢筋做一个预埋件组，实现多个元素同时放置，并会分开统计。如将单眼
14、吊钉跟与抗拔钢筋做成一个预埋件组，则可以省略在放置单眼吊钉后要为每个单眼吊钉添加抗拔钢筋的工作，且在统计物料时单眼吊钉会按符号预埋件来统计个数，而抗拔钢筋会按钢筋等级和直径来统计重量，即节省了操作时间又不影响材料统计。在传统预制构件设计中，先由工艺设计师完成初步工艺模型（预制构件的轮廓设计、钢筋布置以及连接预埋件、生产用预埋件的设置），然后交由机电设计师来设置水电预埋件。为了精准布置水电预埋件，机电设计师需根据水电施工图和预制构件布局图，将所有的水电预埋件分解到各个预制构件的具体空间位置。这项工作非常繁琐，并且水电预埋件经常会与钢筋以及连接预埋件、生产用预埋件发生冲突，需要专业间协商调整的次数
15、很多，预制构件设计周期拉得也比较长。为解决这一难题，根据所选BIM软件的特点，CMDT以合作开发和自主研发相结合的方式，在所选BIM软件上新添一些专属功能及开发辅助设计插件，并以此确定了预制构件设计新流程：工艺设计师根据建筑、结构施工图在预制构件设计软件（Allplan）内先做好拆分模型，并将此模型以DWG格式输出，然后机电设计师在机电设计软件(MagiCAD)内附着此模型作为设计参照，并在此模型上进行MEP模型协同设计，包括：管线综合布局，开槽开孔，水电预埋设计。MEP模型完成后，输出为IFC格式文件，并将其导入Allplan，使用特定的插件，在工艺拆分模型/初步工艺模型上根据IFC机电模型
16、进行自动开槽开孔、放置水电预埋件，提前完成水电预埋工作。整个设计方法和设计流程发生了改变，初步工艺设计与水电预埋由原来的前后工作变为并行工作，见图4，可有效缩短预制构件设计周期。图4 预制构件设计流程3.4 碰撞检测碰撞检测是BIM设计相比传统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
17、间。4 生成生产数据 BIM软件设计的模型需能生成各种生产数据，应用于工厂、施工现场，及各类管理软件，为企业信息化平台提供数据源5。4.1 导出模型BIM模型需能导出各种格式，如：DWG、IFC、PDF（2D/3D）、3DMAX、SketchUP、CPI等，以便于将设计好的预制构件模型导入项目管理软件、用于3D展示、动画制作等工作。预制构件设计完后形成的BIM模型深度非常高，而企业经营活动中各环节所需的深度是不一致的，因此可将模型输出为两种：精细模型、轮廓模型。精细模型，包含预制构件的所有信息；轮廓模型，则只包含构件的轮廓及相关属性，不包括钢筋、预埋件。精细模型，用于采购、生产和物流，提供准确
18、物料信息和轮廓尺寸；轮廓模型，用于计划、项目管理、现场安装，提供构件基本轮廓和构件属性。4.2 出生产图预制构件的出图分为构件生产图和构件安装图。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、高质的生成生产图纸，是各预制构件BIM设计软件需要重点解决的另一大难题。各种预制构件要将信息在图纸上表达清楚所需的图纸数量是不同的。像板、异形件，一般一张A3图就足够；但带梁外隔墙设计复杂，出图也复杂，至少需两张A3图纸，每张图纸根据想表达的信息定义视图、表格、图例、图签。墙板生产线上，先支模确定轮廓，再布置钢筋，然
19、后放置预埋件，这三项工作属于不同的工种，因此可将墙体生产所需信息分四块区域在两张A3图纸中进行表达：第一张图纸中包含技术说明和构件轮廓两块，第二张图纸中包含钢筋和预埋件两块。ALLplan中有个功能叫一键出图，是先根据构件的特点来定义各种出图布局（如上所述），设计好的预制构件套用合适的出图布局，即可一键生成该构件的生产图，包括有各种立面、剖面、尺寸标注、标签、大样图、统计表、图签。当然自动生成的图纸不一定完全符合要求，特别是复杂的预制构件，需要对一些尺寸、标注等进行手工调整和增减，但这项功能还是能减少出图时约一半的排版工作，当适度牺牲图面质量时，出图效率就更高了。4.3 出物料信息预制构件的材
20、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，并且统计单位与采购单位一致，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。 4.4 出加工数据6BIM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
21、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。5 总结现阶段各类预制构件BIM设计软件都不是很成熟，首先要解决的是设计问题：快速、准确的建模和快速、高质的出图；其次是要打通BIM软件与生产、经营管理软件的数据接口，实行BIM模型价值的提升。中民筑友科技集团经过一年多的BIM应用研究，提出完整的预制构件设计BIM应用方案，在预制构件设计和生成生产数据两方面取得了不错的成果
22、：BIM设计预制构件比传统CAD设计效率提高近80%，并通过BIM数据将设计、采购、生产、物流、施工、装修和管理等过程串联起来，整合建筑全产业链，实现全过程、全方位的信息化集成。可为装配式建筑企业进行预制构件设计软件选型及BIM应用方案提供参考。参 考 文 献1 中国建筑施工行业信息化发展报告（2015）：BIM深度应用与发展.2 王静, 马荣全, 王桂玲,等. 预制构件的三维建模系统及三维建模方法: CN, CN103578137 AP. 2014.3 孙长征, 高强, 赵唯坚,等. 基于BIM技术在预制装配式建筑中的设计研究J. 城市建设理论研究：电子版, 2013.4 中国BIM门户.P
23、KPM装配式结构设计软件使用技术条件解读EB/OL. 2015-07-02.5 Dianrie Davis. LEAN, Green and Seen (The Issues of Societal Needs, Business Drivers and Converging Technologies Are Making BIM An Inevitable Method of Delivery and Management of the Built Environment)JJournal of Building Information Modeling(JBIM),Fall 2007.6 谢俊,蒋涤非,胡友斌.BIM技术与建筑产业化的结合研究J.工业B,2015(15):78-80.-