林威，贾莉莉，沈万玉
（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；
2.安徽富煌钢构股份有限公司，安徽 巢湖 238076）
随着我国建筑市场的不断发展和进步，传统粗放式发展方法和经济管理模式正在逐渐突出，其存在的诸多问题如：资源的利用、环境污染、生产效率、施工安全等。为了解决这些问题，国家正在大力发展新型装配式建筑。该钢结构建筑具有了轻质高强、清洗环保、施工迅速、综合造价相对较低等优点，符合了装配式建筑的高效、快速、简单、安全、绿色、环保要求。
装配式钢结构住宅产业化建设是我国发展全寿命的绿色建筑、推动住宅产业化的转型升级、化解当前钢铁产能严重过剩等主要战略性需求，更是我国建筑业实施现代化的必然要求。目前，我国的大型钢结构房屋多数仍然沿用着传统的户型和设计方式，由于其模数不统一，难以实现工业化和大批量生产，导致这些钢结构房屋的整体结构系统优势未得到充分发挥。本文分析了装配式钢结构住宅优势以及存在问题，提出了基于BIM的模块化设计方法，便于装配式钢结构住宅的工业化生产。
由于钢结构整体抗拉抗压以及抗剪强度都相对比较大，同时由于其材料的力学性能优良，表面断面也比较小，自重也比较轻，因此在进行地基处理和施工工作中就相对比较简单，有效地降低了大量的基础施工环节造价。由于钢结构本身具有良好的耐震性能，整体空间布局也比较简单，而且钢结构主体和部件的占地面积也比较小，增加了室内的利用面积。钢结构的设计标准化程度较高，通过工厂的现场制作和现场安装可以实现规模化和模块化施工，整体的施工周期相对较短，并且受到周围场地和环境因素的限制相对较小。钢结构属于一种新型绿色环保的建筑材料，在实际的施工过程中可以对部分的钢结构材料进行拆除、回收以及再运用，整体的使用效率较高，并且生命周期较长，具有非常良好的经济发展特点，充分符合了我国节能环保的建筑发展理念。
装配式钢结构建筑的特点是可工厂预制以及现场安装等，结合前期设计手段以及现场生产手段后，让各道工序间能够互相配合和协调，并使得施工现场的总体施工效率大幅度提高。在具体的施工过程中，建筑工程施工单位能够借助于网络计算机技术结合数控机床的方式来对施工精准度以及施工效率做出准确、到位的控制。
2.1 基于PC结构理念的钢结构住宅设计
目前国内建筑行业的工业化主要有预制钢筋混凝土装配式结构（英文缩写：PC结构）与钢框架结构（又称钢框架）两种。尽管我国的建筑行业工业化已经取得了长期的进步，但即便是大城市，工业化的生产率也并非低。目前，我国的建筑行业依然还是以粗放型建筑为主，建设标准化的工作进展比较滞后，对相应零部件的标准化、通用性程度较低，新型建筑的结构制造体系仍然是处于探索阶段，出现了许多PC建筑工业化的体系，都未经过市场的充分审批，但都没有少数示范性项目。由于钢结构住宅工业化的建筑设计在当时我国起步较晚，很多家庭住宅的设计尚是根据传统PC结构进行设计，导致其所建造的户型开间进深、尺寸没有形成少规格多组合的原则，不能够适合于工业化的建设与发展。很多住宅设计还是根据传统的PC结构设计，导致建造的户型开间进深、尺寸没有形成少规格多组合的原则，不适合工业化的发展。
2.2 部品部件规格不统一
在进行钢结构体系设计时，没有按照模块化的标准进行设计，导致构件的尺寸规格较多，工厂加工作业增加，运输到施工现场时需要进行裁剪，不仅耗费了大量的钢材和人力，而且墙板的安装在水平、竖直方向排列不统一。构件规格较多增加了建筑的成本，降低了建筑本身的美观性。
由于部件没有按照模数协调设计，造成构件在施工现场堆放随意，种类太多、规格复杂，降低了施工安装质量。部件的互换性较低，与建筑设计匹配性差，部件不能大规模地生产，降低了生产效率，不利于构件的标准化、通用化生产。
2.3 缺少全装修和设备一体化的集成化设计
目前我国的装配式建筑还仍然处于发展的初级阶段，结构、零部件、机电器具、装配施工、室内装饰和建筑装修等方面的一体化集成设计技术能力存在严重欠缺，设计人员对于装配式建筑的技术、质量、效率、经济效益等方面的总体可靠性控制认识不够。设计的标准化水平较低，模块化的设计应用较少，而且建筑信息模型技术正被广泛应用到了装配式建筑设计这个领域。未能做到全装修设计和施工一体化，装修、主体框架结构施工、机电器具安装等各个环节的衔接较为顺畅。标准化、集成化、模块化装修设计、施工方案等亟待探索和推进，整体厨卫、轻质隔墙等新型材料、生产车间及设备的管线集成化技术的应用也亟待提高。
3.1 BIM技术特点
随着我国建筑产品和服务行业的迅猛发展，计算机技术逐步被引进到了建筑产品和服务中。BIM技术作为一种综合性地应用于工程设计施工和建造管理的数字化方法和工具，BIM技术充分地整合了建设工程项目中的各种资料和信息，创建了一个可以反映实际情况的三维模型。在整个建筑的整个生命周期中，通过一种建筑物的信息模式就可以实现了集成化的管理。通过BIM技术就能够模拟出一个建筑物的行为，大大提高了项目的效率。BIM技术具有以下特点：
①可视化。随着当前我国现代建筑业的快速发展进步和不断发展，建筑物的结构也越来越复杂，只靠一张CAD的二维图纸难以想象地绘出一个大型建筑物的整体结构形状，BIM为现代大众设计提供了一种具有可视觉变化的建筑设计表现思路，将以往过于传统的建筑线条结构图形以一种三维建筑实物图的表现形式重新呈现出来在了当今人们的面前。技术人员可以通过实物图尽早发现施工中可能遇到的各种问题，提前规避掉，减少施工问题发生的概率。
②协调性。在企业进行工程设计和现场施工时，由于各部门专业工程技术人员的信息沟通保障措施落实不到位，可能就这样会容易产生机械碰撞等安全问题。可能会产生碰撞问题。BIM建筑信息模块系统可以在前期有效地针对碰撞性问题作出协调，而且该模型还能够对建筑不同功能模块之间做出相应的协调，提高了一体化建筑信息系统集成和设计的能力。而且模型还可以对建筑不同的功能模块进行协调，提高了建筑的一体化集成设计能力。
③模拟性。BIM不仅能够模拟建筑的外观和结构模型，还能够用来模拟建筑结构的受力和运动模型以及一些实际现实中看得到的东西，提高了建筑的施工质量，降低了建筑施工的风险。
④可出图性。BIM可以对建筑信息进行快速的整合和处理，根据技术人员、业主等不同的人群提供有效的图纸。
3.2 模块化设计原则
实现产业化首先要实现模数化。部品在工厂进行生产，更适合工业化工厂中的模数化体系。
模块化设计主要是在充分考虑整个建筑系统的不同功能时，将整个建筑系统划分为若干个层次相对较低、可以进行互换的、独立空间基础设施单元等多个模块，然后根据用户的不同要求，将各个空间设计单元进行了组合，设计制作出不同类型的户型设计单元。模块化设计需要对不同功能空间进行划分，再分别就不同功能模块进行了类型和数量化设计，形成一个规整统一的建筑结构构件。模数化的设计解决了结构构件规格较多的问题，同时有利于形成模数协调的柱中心线，使得建筑设计满足少规格多组合的原则。这种建筑设计方法不但可以充分满足客户各种个性化建筑的需要和选型，而且节约了建筑物的施工成本，得到了开发商、施工方和建筑设计人员的认可。
4.1 户型库的建立
常见的户型有卧室、客厅、厨房、卫生间等功能模块组成，根据部件的精细化设计能够确定模块的大致尺寸，在考虑模数协调的基础上，提出几种通用的功能模块。同时，不同的功能模块之间能够相互组合，形成不同的户型。就现代建筑户型而言，经过长期淘汰与筛选，人们对户型的需求已经比较明显。利用BIM技术可以建立建筑户型模型（如图1），形成通用的户型库。设计师要保证户型内各功能的合理划分、结构的合理布置以及水电暖等设备的合理安装。
图1 户型模型
4.2 户型的平面组合
户型间设计主要是考虑户型与户型组合形成建筑单元时的连接问题。户型内设计完成了内部功能空间的划分，户型之间组合才能形成完整的建筑模型。户型在连接时需要考虑墙、柱的重合问题，所以前期通用功能模块的设计为户型间的组合提供了基础。户型与户型之间组合方式有连接组合和重合组合，在建筑、结构方面的组合主要是重合组合，其他设备主要是连接组合。建筑、构造户型中主要相互重合的组成部分为内墙、内外隔墙、柱子及剪力墙。解决这种户型重合的主要途径之一就是：尽量删除与其他重合的部位构件，保留其中比较长的一个（如图2）。
图2 户型的组合
4.3 标准层的创建
楼层的标准层不仅包括户型之间的组合，还包括交通模块与户型的组合。一个完整的房屋标准层应该是由户型、楼梯、电梯、前室、走廊、电梯井等组成，还有一些不符合标准的结构。在建筑设计中，不仅需要有一些标准化的功能模块，还要配备一些不符合标准要求的构造。只有将这些层次组合在一起，才能建立一个完整的房屋标准层（如图3）。
图3 标准层设计
标准层设计时，户型通常对称布置。户型对称设计，使得结构柱网更规整，规则性的柱网设计就是我们应该尽量去实现的一种安全稳态。在建筑设计时，先完成标准层的设置，其他的楼层可根据标准层进行简单的变化。
4.4 整体建筑的协同设计
整体建筑的协同设计是将建筑的首层、标准层等其他部分组合起来，使得各楼层形成一个整体楼层。同时，在连接各部分楼层时，要保证建筑、结构等各专业整体的协调性。建筑的整体协同设计包括各专业内的协同性以及专业间的协同性。专业内的协同性要依据建筑相关标准、规范进行合理的设计，专业间的协同性要避免建筑、结构等不同专业设计时发生碰撞。
建筑的协同设计有利于各专业技术人员之间的信息交流，减少了建筑设计中可能出现的各种问题。加强了建筑过程信息化的共享，避免了可能出现建筑过程信息化的孤岛，加强了从技术研究产品开发过程到产品设计、制造、物流、装配，以及对建筑信息化工程技术工作进行了全整个流程的互联贯通，提供了一个完整的建筑过程工业信息系统和一个建筑过程工业整体性信息解决问题方案。
本文通过对基于BIM的建筑模块化设计在建筑装配式钢结构住宅中的实际使用进行分析，可以了解和得出BIM模块化技术的实际使用情况，这将更好地促进了建筑装配式的钢结构住宅和建筑工业化的完美融合，能够合理地推动建筑物和住宅的有效转型以及经济社会发展，并且更好地帮助企业和社会进行节能低碳减排，获得了技术创新，同时也帮助了企业为自己开拓市场，继而加速了中国房地产行业整体发展速度，同时也促进了我国建筑行业的健康可持续发展。
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