河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸

收稿日期：2020年10月2日；录用日期：2020年10月20日；发布日期：2020年10月27日

摘要

随着现代工程建设的高效性、信息化和工业化程度等方面要求的不断提高，BIM技术在建筑结构设计流程中的作用也不断地展现。与此同时，新型装配式建筑形式的出现，有效地带动了工业化建筑的发展，运用BIM技术对装配式结构设计流程管理不断成为研究的热门课题之一。本文通过对国内外BIM技术和装配式结构的发展历程、研究现状、相关技术等方面进行了探讨和分析，总结了国内外近年来主要的研究成果，对BIM技术在装配式设计过程中的应用进行了探讨。

关键词

装配式，BIM技术，设计流程

Research on the Design Process of Prefabricated Structure Based on BIM Technology

Yancang Li, Muxuan Han

College of Civil Engineering, Hebei University of Engineering, Handan Hebei

Received: Oct. 2^nd, 2020; accepted: Oct. 20^th, 2020; published: Oct. 27^th, 2020

ABSTRACT

With the high efficiency of modern engineering construction and the continuous improvement of its requirements of informatization and industrialization, the key of BIM technology in the process of architectural structure design has been constantly demonstrated. At the same time, the emergence of new prefabricated building forms effectively drives the development of industrial buildings. However, as prefabricated buildings are not widely used in high-rise buildings, the application of BIM technology to prefabricated structure design process management has become one of the hot topics of research. This paper discusses and analyzes the development history, research status and relevant technologies of BIM technology and fabricated structure at home and abroad, and summarizes the main research achievements at home and abroad in recent years. This paper discusses the application of BIM technology in the process of prefabricated design.

Keywords:Assembly Type, BIM Technology, Design Flow

Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

装配式建筑对提升我国建筑业生产效率、节能减排等具有重要意义 [1]，是国家“十三五”战略规划之一。发展装配式建筑是建造方式的重大变革，是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措 [2] [3] [4]，有利于节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平，有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合、培育新产业新动能、推动化解过剩产能 [5]。2016年9月，国务院发布实施《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》后，装配式建筑等新技术得到广泛应用 [6] [7]。2017年11月和2020年9月住建部先后确认了第一批、第二批装配式建筑范例城市和装配式建筑产业基地，进一步推动了装配式在我国建筑业的发展 [8]。

建筑信息模型(Building Information Model, BIM)的出现在一定程度上促进了建筑工业化的进程，使得工程设计、工程建设、材料运输与施工等流程的效率和成本消耗得到了一定程度的控制，通过加快工业化与信息化密切结合，达到工程建设的可持续化发展的目的 [9]。

本文通过对国内外装配式建筑结构设计发展历程及研究现状进行分析总结，对比出传统现浇式建筑与基于BIM技术的装配式建筑优劣势，对装配式建筑发展的经验进行总结，归纳出未来发展趋势，为该领域研究提供新思路。

2. 国内外装配式结构设计发展历程

2.1. 国外发展历程

建筑的工业化最早兴起于上世纪20年代的欧洲 [10] [11] [12]。战争对社会的影响作为外部因素加剧了对建筑工业化的需求，而工业化技术的发展则是建筑工业化发展的内部条件，促使劳动密集型的传统建筑行业像建筑工业化转型升级 [13]。

1) 德国

德国的建筑工业化理念出现的最早，始于20世纪20年代。德国拥有完整全面的建筑业标准规范体系，装配式建筑要满足建筑通用综合性技术要求和生产、安装方面的要求，企业的产品(装配式系统、部品等)必须根据相关规范要求通过质量检测方可使用 [14]。近几年，德国大力发展被动式节能建筑，绿色建筑与装配式建筑具有很多共通点，故很多被动式建筑应用装配式建造方式，并在进一步研究二者更好地融合统一 [15]。德国还是BIM技术应用较为先进的国家之一，BIM也促使其装配式建筑的产业化水平不断提高。

2) 英国

英国的建筑工业化理念同德国一样也出现的较早。英国政府对于建筑工业化转型的推动方式是明确的提出成果目标，“成本降低10%，时间缩短10%，缺陷率降低20%，事故发生率降低20%，劳动生产率提高10%，最终实现产值利润率提高10%”等，来促进该领域中新技术的研发、管理水平的提升及生产方式的工业化 [16] [17]。英国的装配式建筑多采用钢结构，钢结构建筑、模块化建筑，在新建项目中占到70%以上的比例。钢结构工业化水平高是支持其钢结构装配式建筑发展的基础，其中装配式建筑设计、预制构件部品的工厂化制作和供应的成套技术及有效的供应链管理是实现其装配式建筑产业化的关键 [18]。英国BIM标准在2010年４月首次发布，从项目BIM策略、协作式BIM数据共享、模型拆分、建模方法、文件夹结构与命名和成图等方面对BIM技术的系统应用进行了讲解 [19]。

3) 法国

20世纪50年代是法国的建筑工业化初期，最初的装配化建造主要局限于形式单一的住宅建筑，大部分为预制混凝土结构体系，这期间逐渐建立起数量基础上的标准化、模数化的构件体系 [20] [21]。20世纪70年代，法国政府开始关注建筑工业化中的产品多样性，以求在标准化生产的基础上开发预制构件、部品的通用化潜质，由此编制了《通用体系产品目录》，供设计师进行既具有标准化又具有个性化的建筑产品设计。目前，法国的装配式建筑仍以预制混凝土结构为主，少量应用钢结构、木结构体系。实现构件的工厂化生产、部品预制化及装修一体化，装配率可达80%，节能达70%，生产和施工质量较高 [22]。

4) 美国

美国从上世纪30年代开始大力推进工业化发展 [23]。美国国际预制与预应力混凝土协会编制了《PCI设计手册》，就涉及装配式结构设计的相关内容，该手册当时在国际上引起了广泛的影响 [24]。美国城市住宅以装配式建筑为主，包括预制构件工厂化的混凝土结构装配式住宅和钢结构装配式住宅。1976年，国家工业化住宅建造及安全法案得到通过，同年出台了一系列行业规范标准，为美国的装配式住宅进一步发展打下基础。美国于2004年首次颁布《国家BIM标准》，从技术层面对BIM的应用进行了指导和规范，并于2009年颁布《BIM项目实施计划指南》，BIM在美国己经获得较为广泛和成功的应用 [25] [26]。

2.2. 国内发展历程

20世纪90年代，我国引入住宅产业化理念，政府也采取一系列措施推动住宅产业化发展(见表1)。2015年10月，国家住房和城乡建设部正式发布了《工业化建筑评价标准》，该《标准》首次定义了如“工业化建筑”、“预制率”、“装配率”和“建筑部品”等专业术语 [27]。《标准》的发布和实施，标志着我国工业化建筑基础理论体系的进一步完善，对我国建筑工业化发展的质量、水平的提高起到促进作用 [28] [29]。截至2018年年底，全国31个省市自治区全部出台了本地的发展实施意见和规划，甚至一些县城也出台了发展措施，这对于装配式建筑发展顶层设计、方向引领有重要的作用 [30]。2019年5月，住房和城乡建设部科技与产业化发展中心文林峰副主任在论坛上指出，2018年全国新开工装配式建筑面积达到2.9亿平方米，较2017年增长了81%。此外，许多企业开始研究建筑主体的工业化技术，做出了一些有益的尝试 [31] [32] [33]。近年来我国装配式建筑评价标准及行业规程见表1。

BIM技术近些年在国内的高校和研究机构得到了高度的关注并取得了一定的研究成果，但是在建筑业的实际推广还很有限，只应用于某些重大项目或示范项目 [34]。近几年，我国承办多项国际性赛事或展会，BIM首先在大型场馆和标志性建筑项目中获得了应用，如上海中心大厦、奥林匹克公园瞭望塔、世博会场馆、中钢国际广场等 [35]。国家方面也颁布了多项推进BIM应用的文件，见表2。

表1. 我国装配式建筑评价标准及行业规程

表2. 我国BIM技术的发展意见及应用标准

3. 国内外装配式结构设计研究现状

Wisson D. G. Smith [36] 通过总结英国的装配式建造的发展过程，认为装配式建筑有别于传统的建筑形式，是在专业的生产工厂预制加工并提供服务的一种新型建造方式，而BIM在承包商的项目管理中的相关效用包括减少错误和返工。

Alistair G.F. Gibb [37] 认为装配式建筑是建筑业和工业融合的产物，将装配式建筑定义为新型的建造过程，此过程涵盖了设计、生产制作、运输以及安装阶段。

Richard [38] 认为装配式建筑主要是通过建筑标准化，构配件生产工厂化，施工机械化和组织管理科学化，进而提高劳动生产率，降低工程成本的建造系统。

Hass [39] 教授通过对系统分类，得到16种装配式建筑类型，并提出预制类型涵盖主体结构和非主体结构预制的观点。

Bell [40] 从装配式建筑空间维度的出发，将装配式建筑分为容纳体积预制(volumetric prefabrication)、非容纳体积预制(volumetric prefabrication)以及混合式容纳体积预制三种类型。

Dong [41] 在Bell研究的基础之上对装配式建筑进行重新分类，共分为两种类型即2D和3D。2D类型主要包含构件于面板，其主要特征是这些构件和面板先期在预制生产车间经过切割、浇筑、养护后成型后，通过物流运输系统运送到施工现场。3D类型意为三维空间立体部品部件，主要包含一体化厨房以及盥洗室等。

Shahzad [42] 等学者将装配式建筑构件划分为预制构件、嵌入式预制构件、模块化预制构件以及整体式预制。

袁鹏飞 [43] 针对保障房工业化建设水平的评价进行研究，力图充分发挥装配式建筑优势，满足保障房标准化高、成本低的要求。从建筑设计标准化、构配件部品生产工厂化、施工建造装配化、生产经营信息管理化、绿色节能化五个方面进行了评价体系的建立，指标框架清晰。

姚刚 [44] 从基于BIM的工业化住宅协同设计角度出发，对工业化住宅协同设计的关键要素进行了详细的研究，并对各要素间的冲突点进行了消解研究，最终提出了协同设计的整体流程，研究作为BIM在装配式建筑中应用的理论内容，有重要的参考意义。

吴琨 [45] 等研究了如何将预制装配式技术应用到传统风格建筑的设计和施工中，给出了传统风格建筑关键节点及关键构件的装配式节点的构造处理；郄禄文 [46] 等借助Revit强大参数化建模功能对装配式混凝土剪力墙结构中拆分设计进行研究，提出了基于Revit的装配式混凝土剪力墙构件拆分设计的流程。。

4. 相关技术的对比分析

4.1. 传统建筑与基于BIM的装配式建筑对比分析

由于装配式构件大多数是在工厂完成的，现场施工时仅需要通过吊装和搭接处理等完成，施工效率较高，在能源的使用和消耗方面也比较低，有效改善了传统工程建设的粗放型与劳动密集型的生产模式，是当前和未来工程建设的重要发展趋势。以往工程建设的主要模式和现代大规模工程建设的形式和工业程度存在着很大差别，见表3。

表3. 传统工程建设的主要形式和装配式建设的对比

4.2. BIM、SEM、RFID与IBMS对比分析

BIM是建筑信息模型的简称，BIM技术是利用各种BIM软件，例如Revit利用系统族或自制族将工程建设各个构件组合成一个构件库。然后对这些族添加各种材料，图形信息，以及构件组装先后信息等各种信息。构建多维信息模型，模型信息动态变化，建设各个阶段丰富信息，改进信息，实现实时动态控制 [47]，见图1。

图1. 基于BIM的装配式建筑管理模型

结构方程模型(Structural Equation Modeling, SEM)作为一种多元统计技术，能够同时处理多个原因、多个结果的关系，容许变量存在测量误差，并且能够测量整体模型的拟合程度。因此，考虑到装配式建筑成本影响因素间可能具有的复杂交互关系，选取结构方程模型作为工具进行研究，概念模型见图2。

图2. 基于SEM的装配式建筑概念模型

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术，俗称电子标签，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。将RFID标签附着于目标物上，通过扫描读写器读取数据(见图3)。RFID技术可识别高速移动的物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。每个标签具有唯一的电子编码，进而识别目标对象。阅读器用来读取标签信息，天线传递射频信号。

图3. 基于RFID的装配式建筑信息平台

智能建筑管理系统(Intelligent Building Management System, IBMS)主要包括楼宇自控系统、消防系统和监控系统等，对相关系统应进行优化设计，可提升运维管理能力(见图4)。IBMS通过统一的管理平台，对建筑物设备进行自动控制与管理，实现对空调、给排水和供电设备综合管理与控制，确保建筑物实现节能、经济和生态效益，满足决策管理工作需求。通过对相关管理措施应用，可提升建筑运维管理的智能化与信息化，使得建筑管理工作更加安全、高效。

图4. IBMS系统结构图

5. BIM技术在装配式结构设计中的应用分析

BIM模型是一个动态的三维数据模型，具有可视化、模拟性、协调性、优化性、可出图性、一体化、参数化和信息完备性等特点。因此把BIM技术作为辅助手段可以解决装配式建筑生产建造过程的关键技术问题(见表4)。

表4. BIM在装配式建筑结构设计中的应用

图5. 传统建筑与BIM装配式建筑结构设计对比图

装配式建筑建造过程与传统现浇式建筑相比具有明显不同(见图5)，其使用的建造技术也发生了根本性的变化，这些变化贯穿于装配式建筑设计、生产、物流和装配等整个建造过程。基于BIM的装配式建筑项目信息管理平台有利于加强各参建单位之间协同工作，对项目工程量信息进行精确处理，对项目相关信息进行集成管理同时可以对项目数据信息进行积累与共享，加快装配式建筑实现标准化、工业化和产业化，改变传统建造方式，实现节能环保和经济效益。

6. 结论与展望

装配式结构作为当前国内外大力发展的重要结构形式之一，有效地提高了建筑工程产业的工业化进程，为建筑工程建设的高效率和经济性提供了可能。BIM技术在装配式结构设计、施工、建设运营等阶段的应用，有效提高了装配式结构的适用性、高效性和各专业之间的协调性。通过BIM技术能够全面实现设计管理、3D施工模拟、运营管理等，为工程项目的顺利建设提供了保障。本文通过BIM技术和装配式结构国内外研究现状、理论基础等的研究，并借助BIM技术在项目设计流程中的分析，为实体工程项目的实施提供了技术支持。

随着信息化技术的不断发展，一方面，可以将BIM技术与无线射频识别(REID)技术、物联网、全球定位系统(GPS)等信息技术相结合，将装配式建筑整个建造过程形成一个可以系统，自动、实时对预制构件进行识别、定位、监控的体系，将更有效的对装配式建筑造价进行控制。另一方面，BIM技术在装配式建筑应用过程中的信息传递与共享的信息交换方法还需进一步深入研究，在一定程度上影响了BIM技术优势的发挥，所以，未来应该在这一方面进行积极探索。

基金项目

河北省创新能力提升计划项目(19456102D)。

文章引用

李彦苍,韩沐轩. 基于BIM技术的装配式结构设计流程研究
Research on the Design Process of Prefabricated Structure Based on BIM Technology[J]. 土木工程, 2020, 09(10): 1099-1109. https://doi.org/10.12677/HJCE.2020.910114

参考文献