BIM与专家视角 | 毛志兵:建立智慧设计集成平台,形成新型“互联网+”设计模式

一、什么是新型建造方式设计

新型建造方式设计应符合时代的要求,在建筑绿色化、建筑工业化、建筑智能化等重点领域突破以专业条块分割拼接的设计模式,全面推广应用以绿色、智能、协同为特征的先进设计技术。加强设计领域共性关键技术研发,建立智慧设计集成平台,形成新型“互联网+”设计模式。

新型建造方式要求建筑设计中采用绿色、节能的理念,通过被动式等建筑节能设计技术的应用和对可持续建筑材料的使用,降低环境压力,节省大量的资源。运用低碳节能技术措施达到低能耗,减少污染,实现可持续性发展的建筑设计目标。在深入研究风环境、室内热工环境和人体工程学的基础上,梳理出人体对环境生理、心理的反映,创造健康舒适而高效的室内环境,设计构建健康建筑,如图4.2所示。

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4.2 绿色建筑设计趋势

在智慧设计方面应建立基于BIM的虚拟设计运营系统和设计方案大数据管理信息系统,基于人工智能技术实现设计方案创建、对比分析和优化,实现异构数据和多种采集方式的工程勘察信息集成应用,实现基于BIM、GIS和虚拟现实技术的精准数值模拟、空间分析、可视化表达和协同设计,大幅提升企业设计水平和管理水平,如图4.3所示。

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4.3 基于gis系统的三维电子沙盘

实现工业化建造方式的发展,需要从设计环节开始。目前,国内相关技术标准正在进一步完善。2015年6月,住房城乡建设部委托中国建筑标准设计研究院完成的我国首个建筑产业现代化国家建筑标准设计体系出台,意味着我国推行产业化建筑首次有了国家标准设计体系。2016年1月,住房城乡建设部住宅产业化促进中心主要负

建筑工业化是我国建筑行业的一次深刻革命,是建筑行业发展必然趋势之一。与欧美、日本等发达国家相比,我国建筑工业化发展仍然处于初级阶段,面临管理体制滞后、技术体系不完善和建造成本高企等不利局面。在不断完善技术体系、建设建筑工业化推进激励机制的同时,要重点推行设计、施工、管理一体化,从项目策划、规划设计、建筑设计、生产加工、运输施工、设备设施安装、装饰装修及运营管理全过程统筹协调,形成完整的一体化运营模式,如图4.4所示。

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4.4 深化设计——品类型

目前,建筑工业化在我国正处在大力推广阶段。近几年,因为节能环保要求不断提高,劳装配化施工动力成本不断增加,建筑工业化的研究和运用也越来越多。目前,大力推广装配式建筑,是实现建筑工业化的有效手段。大力发展钢结构、预制混凝土和现代木结构建筑是装配式未来发展的方向。在建筑设计、抗震设计、构件制作工艺与施工等方面与上世纪传统的装配式建筑有了较大差别,也取得了较大发展。但因为产业的不完善,在应用过程中产生了一些问题,如大部分开发商对装配式建筑的特点了解较少、较多设计院缺乏装配式建筑的设计经验、结构设计与构件生产施工及厂家脱节;另外国内进行装配式结构的住宅,基本上都是遵从从设计到拆分,再到加工制作的过程,每一个预制构件都是为本项目量身定制,这就造成了预制构件厂模具成本的极大增加,造成装配式建筑的成本居高不下。现阶段常规的设计模式往往是设计单位、咨询单位、构件厂家等联合设计。

二、新型建造方式设计的品质要求

新型建造方式中的绿色设计可以全面把握项目的时间和成本,其目标是在安全健康舒适的条件下,使建筑全生命周期内能耗最小,以建筑美学、建筑功能、环境设计等系统设计的合力形成绿色建筑。绿色设计应采用整体性设计方法,是指从项目策划阶段开始,就组建绿色建造专业团队,并投入到项目中,依靠多种专业之间的协作配合,通过不同专业对项目的认识和理解,全面认识项目,共同完成项目设计的方法。整体性设计方法是绿色建筑根本性的方法,与传统建筑设计方法比较,其在项目实施的整个过程中,采用不断迭代、循环反馈的思维方式,在明确最终设计目标后,从建筑的整个生命周期的视野高度,进行整体性设计。

整体性设计方法要求在项目的初始阶段或策划阶段,就需由尽量多的团队成员参加,协作配合,实现对项目的整体性设计。整体性设计过程中,建筑师的角色很重要,建筑师不仅要与业主频繁接触,同时也要与其他专业人员不断交流,建筑师不仅顾及业主的思想和要求,还是一个专业团队的领导核心。经验丰富的绿色建筑结构、给排水、暖通、电气等专业工程师在项目初期,就已经进入角色,通过与业主的沟通,各专业工程师可以了解业主的要求,同时各专业工程师将最新的理念和适宜的技术灌输给业主,业主在全面了解各专业的信息背景下,可以对项目作出更好的决策,避免设计后期出现的大量变更。各专业工程师通过合作、分享各自对项目的理解和认识,使项目设计高效,建造成本合理。如图4.5所示。

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4.5 整体性绿色设计结构图

绿色设计与传统设计的区别如表4.1所示。

4.1 绿色设计与传统设计的区别

编号

绿色设计

传统设计

1

项目决策不是来自业主和建筑师,而是整个团队

项目决策主要由业主和建筑师决定

2

项目开始阶段,专业团队就已经建立,各专业人员在项目开始阶段就进行配合和交流

项目开始阶段,各专业工程师没有机会配合和交流

3

项目的目标和结果由团队在初步设计阶段就已经确定,团队的每个人都是项目目标的创建者

项目的目标和结果一般只是在业主和建筑师之间拟定

4

项目从开始到施工结束以及最后的运营,都是以一种迭代和反复的过程进行

项目从开始到结束都是以一种单向的、顺序式的线性方式进行。

5

团队的各专业工程师是在项目的最初阶段就进入到项目中

各专业工程师只有在必要的情况下才进入到项目中。

6

项目的发展环节不是独立的,而是整体性的、开放的,每一步都是各专业间相互交流和合作过程。这种方式鼓励创造型的内部行为

项目的发展环节是相当独立的,减少了专业间相互交流和合作过程。这种方式不鼓励创造型的内部行为

7

整体性设计方法为项目的设计、发展和结果最优化创造的客观条件

项目的设计、发展和结果的最优化受到了限制

8

整体性设计方法按绿色建筑的目标完成,因此关注的是项目全寿命周期内的成本最低,而不是传统建筑设计方法注重前期成本

传统建筑设计方法注重前期成本,对运行成本和建筑寿命周期内的能耗很少关注

9

项目在施工完成时,并不意味着项目结束,而是要在投入运营后,并获得满意效果

项目在施工完成时,便宣告结束

10

项目在开始时就确定了合理的绿色建筑目标,因此不会出现后期意外的增量成本增加

在设计中后期增加绿色建筑性能时,受约束因素大,有些目标无法实现,有些目标带来很大增量成本,设计时间也会大大增加。

基于人工智能和BIM技术,研究设计方案自动创建、对比分析和优化技术。基于BIM、GIS和虚拟现实技术,研究设计方案的精准数值模拟、空间模拟和真实感知技术。基于BIM技术,研究设计方案大数据系统、勘察设计知识数据库和设计运营管理系统的系统集成技术,全面改进勘察设计信息资源的获取和表达方式,充分挖掘和利用设计知识,实现设计装配式建筑知识的共享。

目前国内设计院进行普通民用工程设计时,往往只是由各个专业根据设计规范和建筑的功能需求对本专业整体状况和系统组成进行说明性设计,很少会具体到材料设备的精确选型和施工工艺细节描述,导致设计图纸较为粗放,错漏碰缺和不明确、不细致的内容较多。而建筑企业如果直接将这种设计成果用于工程采购和现场施工,往往会造成材料浪费、质量失控、工程返工等多种不良后果,精益建造更是无从谈起。因此,要真正实现建筑工程建造品质提升,就必须在传统的施工图设计和工程采购、现场施工环节中,增加一项精细化设计工作来对传统施工图设计进行持续改进,解决原设计的错漏碰缺和不明确、不细致的问题,并将各专业进行有机整合,使工程采购和现场施工能够有一个准确精细的管理依据。如图4.6所示。

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4.6 预制构件内部的碰撞检查

三、新型建造方式设计的安全要求

新型建造方式要求设计考虑生产及施工环节的安全要素,除了对设计本身的安全性负责,设计还应考虑构件及部品生产、运输及安装过程中涉及到的安全问题,例如预制构件的重量、预制构件吊点的设置及验算、预制构件措施埋件的验算等。如图4.7,图4.8所示。

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4.7 独立支撑及铝梁支设

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4.8 大型预制构件吊装

四、新型建造方式设计的节能环保要求

新型建造方式的设计具有减少资源浪费,减少环境污染的优势。新型建造方式要求建筑设计中采用绿色、节能的理念,通过围护结构节能技术的应用和对可持续建筑材料的使用,降低环境压力,节省大量的资源,包括使用可循环材料、可降解材料,使用绿色建筑材料替代自然资源耗竭型材料,减少对于自然资源的消耗。运用低碳节能技术措施达到低能耗,减少污染,实现可持续性发展的目标;在深入研究风环境、室内热工环境和人体工程学的基础上,梳理出人体对环境生理、心理的反映,创造健康舒适而高效的室内环境;考虑使用可再生能源为建筑提供能源的需求。

绿色设计一般有两大思路,一是在现有系统的基础上改进,也就是在现有产业结构不变的前提下,提供资源和能源的使用效率,比如使用更加环保的材料,通过模块化设计使易损部件容易更换来延长使用寿命,使用更加清洁的能源、节能的产品等。另一种思路,是在系统层面重新设计整个系统。例如用产品服务系统模式的汽车分时租赁系统,实现生产和消费零距离的都市农业系统,采用光导纤维的自然光照明系统等,如图4.9所示。前者使用的往往是渐进式创新,而后者往往需要用到突破式创新。

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4.9 光导纤维自然采光照明

在绿色设计由浅入深的过程中,系统层面的“突破式创新”对于破解现在发展模式和环境紧张关系具有特别重要的意义,特别是那些能够通过循环设计理念实现突破性改变的新系统,包括零消耗、零排放、正生态的住房、交通、制造、流通、销售、能源系统等。

根据项目的目标要求,采用合理的绿色设计技术,在保证项目达到绿色标识目标要求的同时,即可合理控制因此而带来的初投资成本增加,又能确保建筑在全生命周期内对资源利用的高效化和能耗运行的最低化。根据《绿色建筑评价标准》GB/T50378,绿色设计技术主要包括节地与室外环境、节能技术、节水技术、节材技术以及室内环境质量等五个方面。

1.节地与室外环境

(1)住宅公共服务按规划配建,合理采用综合建筑并与周边地区共享;

(2)充分利用尚可使用的旧建筑;

(3)场地环境噪声符合现行国家标准《城市区域环境噪声标准》GB3096的规定;

(4)控制住区室外日平均热岛强度;

(5)建筑总平面设计有利于冬季日照并避开冬季主导风向,夏季利于自然通风;

(6)根据当地气候条件和植物自然分布特点,栽植多种类型植物,乔、灌、草结合构成多层次的植物群落;

(7)设置方便居民充分利用公共交通网络;

(8)非机动车道路、地面停车场和其他硬质铺地采用透水地面,并利用园林绿化提供遮荫、覆绿;

(9)合理开发利用地下空间;

(10)合理选用废弃场地进行建设。对已被污染的废弃地,进行处理并达到相关标准;

(11)合理采用屋顶绿化、垂直绿化等方式。

2.节能技术

(1)利用场地自然条件,合理设计建筑体形、朝向、楼距和窗墙面积比,使居住建筑获得良好的日照、通风及采光,并根据需要设遮阳设施;

(2)保证建筑外窗及幕墙可开启比例;

(3)建筑外窗的气密性不低于现行国家标准《建筑外窗气密性能分级及检测方法》GB/T7107和《建筑幕墙物理性能分级》GB/T15225的要求;

(4)当采用集中空调系统时,应选用能效比高的设备;

(5)根据当地气候和自然资源条件,充分利用太阳能、地热能等可再生能源;

(6)合理采用蓄冷蓄热技术;

(7)采用分布式热电冷联供技术,提高能源的综合利用率;

(8)设有集中空调的建筑,设置能量回收装置;

(9)全空气空调系统采取可实现全新风运行或可调新风比的措施;

(10)建筑物处于部分冷热负荷时或部分空间使用时,采取有效措施节约通风空调系统能耗;

(11)选用余热或废热利用等方式提供建筑所需蒸汽或生活热水;

(12)公共场所和部位的照明采用高效光源、高效灯具和低损耗镇流器等附件,并采取其它节能控制措施,在有自然采光的区域设智能型节能控制装置;

(13)各房间或场所的照明功率密度值不高于现行国家标准《建筑照明设计标准》GB 50034规定的目标值;

(14)改建和扩建的公共建筑,冷热源、输配系统和照明等各部分能耗进行独立分项计量。

3.节水技术

(1)合理规划地表与屋面雨水径流途径,降低地表径流,采用多种渗透措施增加雨水渗透量;

(2)绿化用水、洗车用水等非饮用用水采用再生水和(或)雨水等非传统水源;

(3)绿化灌溉采用喷灌、微灌等高效节水灌溉方式;

(4)非饮用水采用再生水时,优先利用附近集中再生水厂的再生水;附近没有集中再生水厂时,通过技术经济比较,合理选择其他再生水水源和处理技术;

(5)降雨量大的缺水地区,通过技术经济比较,合理确定雨水集蓄及利用方案;

(6)按用途设置用水计量水表。

4.节材技术

(1)优先选用本地的建筑材料;

(2)现浇混凝土采用预拌混凝土,建筑砂浆采用预拌砂浆;

(3)建筑结构材料合理采用高性能混凝土、高强度钢;

(4)将建筑施工、旧建筑拆除和场地清理时产生的固体废弃物分类处理和回收利用;

(5)在建筑设计选材时考虑使用材料的可再循环使用性能;

(6)土建与装修工程一体化设计施工,不破坏和拆除已有的建筑构件及设施;

(7)在保证性能的前提下,使用以废弃物为原料生产的建筑材料;

(8)采用资源消耗和环境影响小的建筑结构体系;

(9)办公、商场类建筑可变换功能的室内空间采用灵活隔断,减少重新装修时的材料浪费和垃圾产生。

5.室内环境质量

(1)建筑设计和构造设计有促进自然通风的措施;

(2)室内采用调节方便、可提高人员舒适性的空调末端;

(3)宾馆类建筑围护结构构件隔声性能满足现行国家标准《民用建筑隔声设计规范》GBJ 118中的要求;

(4)建筑平面布局和空间功能安排合理,减少相邻空间的噪声干扰以及外界噪声对室内的影响;

(5)办公、宾馆类建筑主要功能空间室内采光系数应满足现行国家标准《建筑采光设计标准》GB 50033的要求;

(6)建筑入口和主要活动空间设有无障碍设施满足《无障碍设计规范》GB 50763—2012的要求;

(7)建筑外窗采用有效的外遮阳,改善室内热环境;

(8)设置室内空气质量监控系统,保证健康舒适的室内环境;

(9)采用合理措施改善室内或地下空间的自然采光效果。

五、新型建造方式设计的效率要求

新型建造方式对于设计提出了更高的要求,在设计质量、进度、成本方面均有别于传统设计。

建筑信息化模型技术(BIM)的应用使得绿色设计的团队得以进行协同设计,大大提高了绿色设计的普及,使得施工图“错、碰、漏”迅速减少,为绿色施工提供了很大的方便性。

施工图绿色设计要求进行建筑自然采光、自然通风、日照、气流、能耗的性能化模拟分析,使得建筑构造更精细,同时,绿色专项技术及智能化还处在发展阶段,研发企业创新产品和技术不断涌现,这就使得绿色设计人员不断学习新科技、新标准,花费更多的时间和精力进行绿色设计,不断在实践中总结经验教训,提高绿色设计水平。

在设计质量方面,基于传统设计在现行规范基础上进行设计;结合市场需求与行业趋势判断,在新体系、新技术、新工艺方面寻求突破;面向建筑全生命期中的“设计环节”,进行“建筑、结构、设备管线、内装”各专业系统的设计与集成,同时,引入智能化系统集成与设计;设计深度要精细化,将设计思想与设计决策落实到“生产环节”与“施工环节”,设计方案、生产方案、施工方案要一脉相承的实现贯通;各专业之间的提资深度进一步加深,明确各专业设计人员的专业协同责任,进行精细化的管理。如图4.10所示。

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4.10 预制机房

在设计进度方面,分析传统设计加上专项设计后各专业分阶段性提资造成的设计周期延长,通过业务分解与重组来解决专业内关键项和专业之间的关键交叉点,实现一次设计与二次深化设计的拟合,从而有效保证设计进度。

在设计成本方面,摒弃传统设计以设计费为目的的价值取向,而是通过精细化的设计,缩减项目成本,为项目的总承包管理创造价值。

在设计体系及标准方面,通过为装配式建筑设计提供平台基础,实现在项目的设计阶段,预制构件的科学拆分、节点处理的标准化及BIM协同配合等新型建造方式关键点的顺利转变,实现设计效率的显著提升。如图4.11所示。

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4.11 基于revit软件的高效的出图模式

1.预制构件的科学拆分

建筑产业化的核心是生产工业化,生产工业化的关键是设计标准化,最核心的环节是建立一整套具有适应性的模数以及模数协调原则。设计中据此优化各功能模块的尺寸和种类,使建筑部品实现通用性和互换性,保证房屋在建设过程中,在功能、质量、技术和经济等方面获得最优的方案,促进建造方式从粗放型向集约型转变。

实现标准化的关键点则是体现在对构件的科学拆分上。预制构件科学拆分对建筑功能、建筑平立面、结构受力状况、预制构件承载能力、工程造价等都会产生影响。根据功能与受力的不同,构件主要分为垂直构件、水平构件及非受力构件。垂直构件主要是预制剪力墙等。水平构件主要包括预制楼板、预制阳台空调板、预制楼梯等。非受力构件包括PCF外墙板及丰富建筑外立面、提升建筑整体美观性的装饰构件等。

2.连接节点的处理

连接节点的设计与施工是装配式结构的重点和难点。保证连接节点的性能是保证装配式结构性能的关键。装配式结构连接节点在施工现场完成是最容易出现质量问题的环节,而连接节点的施工质量又是整个结构施工质量的核心。因此,所采用的节点形式应便于施工,并能保证施工质量和效率。

3.BIM全产业链应用

将BIM与产业化住宅体系结合,既能提升项目的精细化管理和集约化经营,又能提高资源使用效率、降低成本、提升工程设计与施工质量水平。

BIM软件可全面检测管线之间与土建之间的所有碰撞问题,并提供给各专业设计人员进行调整,理论上可消除所有管线碰撞问题。Revit MEP通过数据驱动的系统建模和设计来优化管道桥架设计,可以最大限度地减少管道桥架系统设计中管道桥架之间、管道桥架与结构构件之间的碰撞。

设计院应具备在产业化项目中进行全产业链、全生命周期的BIM应用策划能力,确定BIM信息化应用目标与各阶段BIM应用标准和移交接口,建立BIM信息化技术应用协同平台并进行维护更新,在产业化项目的前期策划阶段、设计阶段、构件生产阶段、施工阶段、拆除阶段实现全生命周期运用BIM技术,帮助业主实现对项目的质量、进度和成本的全方位、实时控制。如图4.12所示。

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4.12 BIM全生命周期运用

作者:毛志兵、李云贵、郭海山

文章来源:《建筑工程新型建造方式》,题目为编者所加

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