基于BIM的新型装配式框架结构建筑部品构件库研究.docx
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基于BIM的新型装配式框架结构建筑部品构件库研究
一、基本情况
项目
名称
基于BIM的新型装配式框架结构建筑部品构件库研究
所属
学科
学科一级门：
土木工程
学科二级类：
工程管理
申请
金额
10000元
起止年月
2020年4月至2021年4月
负责人
姓名
性别
学号
联系
电话
指导
教师
联系
电话
负责人曾经参与科研的情况
指导教师承担科研课题情况
指导教师对本项目的支持情况
项
目
组
主
要
成
员
姓名
学号
专业班级
所在学院
项目中的分工
土木工程
理论研究，调研，软件开发
土木工程
文献检索，调研，建模
二、立项依据（可加页）
（一）
项目简介
当前国家新型城镇和美丽乡村等绿色建设发展迅猛，装配式建筑市场巨大。
但是我国现有的装配式建筑结构体系不完整且抗震性能差、装配率很低、施工工艺与设备落后，严重阻碍我国建筑产业的发展。
为了提高建筑行业的技术水平以适应产业化生产方式的要求，按照标准化、通用化、装配化、集成化的技术路线，本项目拟开展新型装配式混凝土框架结构建筑体系的部品构件库研发工作，建立基于BIM的新型装配式混凝土框架结构建筑体系的集成化部品构件库。
（二）研究目的
近年来我国装配式建筑发展迅猛，国内多省份和国家层面也有预制装配结构等少数可供参考的技术规范。
目前国内的预制装配框架结构体系一般是在国外现有体系的基础上进行一定程度的优化，但装配式建筑的建造模式仍为“设计-拆分-生产-施工”。
先由设计单位进行初步设计得到设计图纸，但是设计单位仍是按照传统现浇混凝土施工工艺进行的初步设计，再由具有相关能力的企业或单位依据初步设计得到的设计图纸把传统建筑进行部品构件拆分、深化设计得到装配式部品和构件，然后进行下一步的生产、施工，把原先并不是按照装配式建筑特点设计的建筑硬拆为装配式建筑。
这种由“构件拆分”主导的装配式建筑建造模式存在设计、生产效率低，构件设计的项目间转移性差，PC构件模具复用率低，建造成本高，装配率低等问题，严重阻碍了装配式建筑的推广。
装配式建筑如何在整合各专业技术优势的基础上实现项目整体的集成化设计是装配式混凝土框架结构建筑需面对的重要课题。
部品构件库的需求
部品构件是装配式建筑的基本单元，由工厂生产或现场预先生产制作完成，是构成建筑结构系统的结构构件及外围护系统、设备与管线系统、内装系统的建筑单项产品，或复合产品组装而成的功能单元的统称。
部品构件库具有重大的意义和价值，具体表现：
（1）部品构件是装配式建筑预制构件和BIM模型形成的基本单元，实现部品构件库的模数化、标准化、集成化与通用化是装配式建筑发展的基础，部品构件库的模数化和标准化将极大程度上节省设计的时间，同时有利于装配式建筑预制构件的工业化生产。
另外，基于部品构件信息量大、种类繁多、来源广，构件库的集成化减少了信息的遗失，有利于全生命周期信息的输入和调用，提高生产施工效率和质量,便于预制构件厂的流水线施工。
部品构件库的通用化可以使构件满足装配式建筑设计的多样化组合，以及各类装配式建筑丰富的功能需求。
除了形成起初包含标准化、通用化部品构件的预制构件库外，随着装配式建筑的发展，当构件库中的部品构件无法满足装配式建筑的标准化设计时，还需要完善构件库的新构件入库机制，以实现构件库后期的扩充和完善。
成熟、完善的装配式建筑部品构件库对于推进国家装配式建筑的工业化发展意义重大。
（2）基于装配式建筑的部品构件库，进行装配式建筑标准化设计，可以有效减少设计阶段投入的人力和时间，提高装配式建筑设计、生产效率，从源头上节省约了装配式建筑的成本。
本项目希望通过对新型装配式框架结构建筑体系的研究，建立通用性、可拓展性强的标准化户型，基于标准化户型，研究装配式建筑的标准化设计，再利用BIM技术结合云技术和RFID技术，建立基于BIM的新型装配式框架结构建筑部品构件库，为我国装配式建筑的推广和装配式建筑工业化的推进贡献力量。
（三）研究内容
1.研究新型装配式框架结构建筑体系，建立标准化户型
1.1研究分析装配式建筑技术标准，调研用户需求
研究分析相关装配式建筑技术标准，了解相关行业技术规范和政策法规。
对用户需求展开调研分析，收集用户需求信息，为建立标准化户型的研究提供数据支持。
1.2研究新型装配式框架结构建筑体系
将装配式建筑建造由“构件拆分”的工作思路转换为“构件组合”，改变现有的装配式框架结构建筑的建造模式，对标准化模块进行灵活组合，将模块组合无限生长，避免导致装配式建筑设计方案较为复杂繁琐，提升构件的实用性，形成新型装配式框架结构建筑体系，按照模数统一、模块协同、少规格、多组合，各专业一体化考虑的原则对装配式框架结构建筑进行标准化设计。
1.3建立标准化户型
1.3.1平面标准化设计
充分研究装配式框架结构建筑的平面规则，确定构成建筑的平面基本形状。
确定平面形体中的固定尺寸和可协调尺寸以及共用边界，形成接口通用的平面模块组合，实现平面组合基于通用接口和协同边界的无限生长，以实现平面设计的标准化以及多样化。
1.3.2立面标准化设计
对户型的立面模块进行模数化、标准化设计。
确定立面相关的固定参数和可协调模数，建立标准化立面部品构件，通过不同立面部件以及装饰构件的灵活组合和拓展，实现标准化、多样化的立面设计。
结合平面标准化的设计，建立起通用性较强、可拓展性较强的标准化户型。
2.形成模数化、标准化部品构件库
2.1设计方法研究
从满足新型装配式框架结构建筑的设计、生产、施工、运维等不同阶段用户对部品构件库的使用要求、储存要求、管理要求和便捷、高效等方面着手，基于实用性、开放性、集成性、先进性、统一性的基本原则，对新型装配式框架结构建筑的部品构件库设计方法展开研究。
2.2构件拆分
基于新型装配式框架结构建筑标准化户型的研究，对标准化户型的基本构件和部品进行拆分、深化设计。
装配式建筑构造复杂，其部件种类繁多，需要遵循模数协调原则，针对标准化户型的客厅、餐厅、阳台、洗手间等基本功能单元，充分考虑各部件之间的模数协调关系，在户型的总体设计下进行构件尺寸协调归并和部品构件的深入优化设计，实现构件的通用化、集成化设计，尽可能减少构配件的类型，便于PC构件制造厂进行模数化、标准化生产，增强构件模具的复用性。
2.3部品构件分类、编码
对部品构件进行分类是建立部品构件库对部品构件实现有序储存和快速调用的基础。
研究相关构件分类标准和规范，依据构件的功能、名称、材料、特点等对装配式建筑部品构件进行分类。
然而参与装配式建筑不同阶段的用户对部品构件库的需求是不同的，他们对构件分类的要求也有差异，因此构件库需要考虑面向不同阶段用户进行不同的分类（见图1）。
构件编码是计算机对部品构件识别和处理的基础，基于对部品构件的特征及属性分类后，通过代码对其分类信息分别表示，实现构件从构件库外到构件库内的转化，实现对特定构件的唯一表达，类似于部品构件的“身份证号”。
编码是构件库对构件模型识别及处理的基础，是部品构件库实现信息化的重要载体，也是实现装配式建筑全寿命周期信息一体化管理的重要标识。
图1构件库需求-功能分析图
3.建立参数化部品构件库
3.1基于BIM平台建立参数化部品构件库
参数化设计是BIM技术的核心特征之一。
利用BIM软件的参数化规则体系可以对部品构件进行参数化模型创建，Revit是BIM中运用范围较广的一款软件，“族”是Revit软件的重要理念，族库中包含了墙、柱、梁等建筑的基本组成要素样板，可以极大提高建模效率，并且可以实现对样板的几何信息和非几何信息的集成。
因此，装配式建筑部品构件参数化模型的建立可以以Revit中“族”的理念为理论基础和技术参考。
而且Navisworks软件可以对建筑结构进行仿真模拟以及碰撞检查，进一步对装配式建筑的部品构件进行深化设计。
BIM技术进入装配式建筑部品构件库，推动了部品构件库的参数化，减少了建模工作的繁冗，提高了建模效率以及部品构件库的实用性，使部品构件库的信息集成化得以实现，可以面向装配式建筑的全寿命周期适用。
3.2云构件库
充分利用“云”技术，通过云数据库储存管理构件实体、内部属性等结构化数据，形成云构建库与建模平台交互系统，有利于装配式建筑部品构件库的集成化和信息共享，方便构件库的数据储存、调用以及实时更新，有利于基于BIM的新型装配式框架结构建筑的部品构件库在装配式建筑的全寿命周期一体化管理中更好地发挥作用。
3.3构件库管理
在装配式建筑部品构件库的建立过程中，引入RFID技术，作为部品构件的信息载体，始终贯穿装配式建筑的全寿命周期过程。
结合BIM技术、云技术以及RFID技术，对构件入库、储存、调用、检索、增减、更新和复用以及工程项目的权限管理，工程项目信息的保存和调用等构件库的管理过程进行深入研究和开发。
（四）国、内外研究现状和发展动态
1.国内外研究现状
1.1国内外装配式建筑现状
装配式建筑因具有构件集中预制生产、结构性能好、人工消耗少、资源浪费少、对环境污染小等优点得到迅速发展。
日本借助保障性住房通过立法确定了装配式建筑的地位，并通过设置行业标准，推行建筑构件化和标准化，提高了设计速度和质量；美国的装配式建筑市场化程度较高，标准规范齐全，将设计构件市场化，用户可以通过产品目录，在市场上购买到对应的构件产品，可以实现成本控制和装配式建筑的多样化发展；德国装配式建筑质量的提高得益于其的精细化设计和机械化生产[1]。
丹麦在遵循一定标准的基础上实现了装配式建筑的模数化，丹麦的标准也已成为国际标准化组织150模数协调标准的基础[2]。
近几年，我国正在积极探索发展装配式建筑，但由于起步较晚，行业标准不完善，以及一些技术因素的限制，装配式建筑在实践过程存在一些突出的问题，我国现有的装配式建筑结构体系不完整且抗震性能差、装配率很低、施工工艺与设备落后，全寿命周期一体化管理不足等问题严重阻碍我国建筑产业的工业化进程。
目前，国内装配式建筑仍按照“设计-拆分-制造-安装”的模式建造，这种由设计主导的装配式建筑建造模式其主要缺点在于一个项目的部品部件和构件往往只能在该项目应用，难以实现构件数据在不同项目间的传递，构件模具的复用性较低，导致装配式建筑的设计、生产效率低下，建造成本增加。
1.2装配式建筑部品构件库研究现状
部品构件是装配式建筑的基本单元，是构成装配式建筑的独立组成部分，也是技术应用的载体。
部品构件库是装配式建筑的PC构件、预制构件节点及其配套设备的集合，主要包含装配式建筑在设计过程中形成的结构构件、节点、外墙、阳台、模板等具有企业特点的部品部件，其符合装配式建筑的设计习惯和特点，满足通用的数据类型[3]。
标准化设计是建筑工业化的核心，是实现装配式建筑品质提升、效率效益提高、成本节省和工期节约的重要方法和措施，有利于将建筑业各个分散的环节整合为一个整体[4]。
而装配式建筑标准化设计的关键又在于部品构件库的建立及其标准化，装配式建筑由“构件拆分”转变为“构件组合”的工作思路需要有强大的部品构件库作为设计支撑。
而建立基于BIM的新型装配式建筑的部品构件库则是解决不同项目间构件传递及设计需求的有效方式。
目前针对基于BIM的装配式建筑部品构件库的建立方法研究较少，构件库体系尚不完善，尚未建立起基于BIM的装配式建筑部品构件库。
张宇[5]从分类标准、命名规则、建模流程及管理平台等角度对施工阶段BIM构件库的建立方法进行了阐述;韩俊[6]对装配式参数化构件进行了研究，从入库原则、构件分类、管理等角度阐述了构件库的建立方法。
邱灿盛[7]从分类标准、管理架构、数据流通等角度阐述了企业级BIM构件库建立的方法;任志涛等[8]结合BIM技术与集成管理理论，建立了装配式建筑项目集成管理模型。
佘长岗等[9]从管理的角度对BIM构件库的激励机制进行了研究;Nour[10]等人设计了IFC标准下的BIM模型数据库，可以提高项目参与人员与材料供应商的沟通效率，减少信息丢失等。
Almaimani等[11]针对伊斯兰风格的建筑形式复杂，信息量大的特点，提出基于BIM建立伊斯兰风格的建筑构件库。
1.3总结
我国现阶段装配式建筑发展水平不高，装配式建筑构件库只是停留在展示层面上，忽视了装配式建筑部品构件库的实用价值，构件库没有与BIM软件实现联通，阻碍了构件在不同项目间的传递，减少了同类构件配套设备的重复利用，还没有建立起基于BIM的装配式建筑部品构件库。
企业不够重视装配式建筑集成化设计，还没有实现装配式建筑标准化设计，导致装配式建筑效率效益低、建造成本增加、工期延长等，阻碍了装配式建筑的推广。
2.发展动态
2.1装配式建筑设计标准化
在大样本数据的统计与优化下，建立在批量化、规模化的标准装配式建筑部品构件的基础上，装配式建筑设计趋于标准化。
按照“少规格、多组合”的设计思路，对装配式建筑进行标准化设计。
在建立标准化户型的基础上，进行无限拓展，形成形式多样的建筑产品。
2.2建立基于BIM的新型装配式框架结构建筑的部品构件库
建立基于BIM的新型装配式框架结构建筑的部品构件库是实现装配式建筑设计标准化和建筑产业化的核心关键。
建立一种适用的集成化的部品构件库有利于装配式建筑实现统一化、通用化、组合化、模块化，便于装配式建筑的推广应用。
参考文献
[1]张德海，陈娜，韩进宇．基于BIM的模块化设计方法在装配式建筑中的应用[J]．土木建筑工程信息技术，2014，6（6）：
81-85．
[2]YanYan,WeiXianzhong.ResearchandApplicationofBIMTechnologyintheDesignofPrefabricatedandAssembledConcreteStructures[J].Agrofoodindustryhi-tech,2017
（1）:
542-546.
[3]曾启,李新伟,郑声波.基于BIM的装配式建筑构件库建立方法研究[J].施工技术,2019,48（22）:
19-22.
[4]叶浩文,樊则森,周冲,刘程炜.装配式建筑标准化设计方法工程应用研究[J].山东:
山东建筑大学学报,2018,33（06）:
69-74,84.
[5]朱晓华，高敏杰．中美屋面系统抗风揭对比试验及结果分析［J］．中国建筑防水，2011（19）:
6-12，23．
[6]沈凤云，王颖，魏小东，等．北京射击馆多功能复杂建筑造型金属屋面施工技术［J］．施工技术，2009，38
（2）:
7-12．
[7]黄唯，吴耀华．金属屋面在我国工程应用中存在的主要问题及分析［J］．工业建筑，2013，43（6）:
150-156．
[8]任志涛，郭林林，郝文静．基于BIM的装配式建筑项目集成管理模型研究［J］．建筑经济，2018，39（9）:
27-30．
[9]孙成疆．直立锁缝金属屋面系统在模拟极端暴风工况下抗风揭能力测试和分析［J］．建筑结构，2011，41（S1）:
1438-1442．
[10]NourM.Adynamicopenaccessconstructionproductdataplatform[J].AutomationinConstruction.2010,19（4）:
407-418.
[11]AlmaimaniAK，NawariNO．BIM-Drivencomponentsli-braryforIslamicFacilities（BIM－IF）［J］．VisualizationinEngineering，2017，5
（1）:
1-11.
（五）创新点与项目特色
1.建立新型装配式框架结构建筑体系
项目以一种新型装配式框架结构为研究对象，针对新型装配式框架结构建筑的结构形式，先建立标准化户型体系，基于对标准化户型的研究，对装配式建筑部品构件进行模数化和标准化设计，再根据标准化的部品构件对装配式建筑进行组装设计。
装配式建筑建造模式由以前的“构件拆分”转变为“构件组合”，改变了现有的把本不是装配式设计的建筑强行拆为装配式建筑的现状，有利于装配式建筑的标准化设计，提高装配式建筑的装配率，从设计源头上实现装配式建筑的成本节约以及高效生产。
所研发的新型装配式混凝土框架结构建筑技术体系与传统装配式混凝土框架结构建筑技术体系相比可降低成本10%以上，结构装配率提高至80%以上，建筑装配率提高至70%以上，具有明显的社会效益和经济效益。
2.基于新型装配式混凝土框架结构体系建立的集成化部品构件库
基于标准户型的研究，对标准户型的部品构件拆分、归类整理、分类与编码，形成模数化与标准化部品构件库。
根据构件种类特点，通过部品构件的参数化BIM设计、BIM虚拟试验与信息化集成分析，结合云技术和RFID技术建立基于参数化设计的集成化部品构件库。
有利于实现装配式建筑的标准化设计，提高设计、生产效率，提高装配式建筑的装配率和构件模具的复用率，降低了装配式建筑建造成本，有利于装配式建筑的推广。
（六）技术路线、拟解决的问题及预期成果
1.技术路线
1.1建立新型装配式框架结构建筑体系。
1.2通过平面标准化设计和立面标准化设计建立标准化户型。
1.3经过设计方法研究、构建拆分、部品构件分类、编码来建立标准化部品构件库。
1.4运用BIM技术、云技术和RFID技术建立参数化部品构件库。
图2技术路线图
2.拟解决的问题
建立基于BIM的新型装配式框架结构建筑体系的参数化部品构件库。
通过对新型装配式框架结构建筑体系的研究，根据“少规格，多组合”的原则，摒弃原有的“设计-拆分-制造-安装”的装配式建筑建造模式，把装配式建筑的工作思路由“构件拆分”转化为“构件组装”。
在此基础上，建立通用性广、可扩展性强，便于自由组合的标准化户型，有利于实现新型配式框架结构建筑的标准化设计。
基于新型装配式框架结构建筑的标准化设计，形成模数化、标准化部品构件库。
再通过BIM技术以及结合云技术和RFID技术，建立基于BIM的新型装配式框架结构建筑体系的参数化部品构件库。
有利于装配式部品构件库的实时动态管理及信息共享，增强部品构件库的实用性，实现部品构件库面向装配式建筑的全生命周期管理。
3.预期成果
项目成果主要以研究报告、学术论文、学位论文和专利的形式展现。
3.1研究报告
通过本项目的研究，提交高质量的研究结题报告1份。
3.2学术论文
通过本项目的研究，拟公开发表论文1~2篇。
3.3学位论文
通过本项目的开展，对申请人学士学位论文提供研究素材。
3.4软件著作权申请
本项目将建立基于BIM的新型装配式混凝土框架结构建筑体系的集成化部品构件库，申请部品构件库软件著作权1项以上。
（七）项目研究进度安排
2020年4月——2020年6月
课题研究准备阶段。
调研，进一步分析国内外相关研究成果，充分掌握世界各国对该领域的研究热点，制定详细的课题研究实施方案。
2020年7月——2020年9月
进一步研究新型装配式框架结构建筑体系，建立标准化户型。
2020年10月——2020年12月
研究形成模数化、标准化部品构件库。
2021年1月——2021年4月
建立参数化部品构件库。
（八）已有基础
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
1）周锐参加过混凝土设计大赛，有一定知识积累；自学掌握了BIM的Revit、项目管理、BIM-5D、BIM施工现场三维场地布置等软件，参加了BIM-CIM创新大赛，具有一定BIM基础。
正在学习Navisworks，TEKLA等软件。
2）梁正雄自学掌握了BIM的Revit、Arcgis-pro软件，参加了BIM-CIM创新大赛，具有一定BIM基础。
正在学习Navisworks、Revit-API。
3）李卓已学习掌握Pr、CAD软件，正在学习Revit、Matlab软件。
4）三人均参加过C++实践，有一定编程基础；有丰富的社会实践经验，具有一定的实地调研能力。
2.已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
已具备的条件：
本项目依托于浙江大学浙江省装配式建筑工程技术研究中心和浙江省首家装配式建筑产业化研发型基地，目前中心和基地研发了装配式混凝土结构（包括剪力墙与框架）和装配式钢结构（框架与框架-剪力墙）等两大类装配式建筑技术体系，相关研究成果已荣获国家技术发明二等奖1项，国家科技进步二等奖2项，主参编相关技术标准7部，在新型装配式建筑技术方面授权国家专利50余项，土木工程领域年科研经费近1亿元，设计费、检测费超2亿元。
尚缺少的条件：
构件库自主开发经验不足。
解决方法：
自主学习相关知识；积极和导师交流学习、寻求相关技术上的帮补；项目成员正积极学习、探索相关软件。
三、经费预算
开支科目
预算经费
（元）
主要用途
阶段下达经费计划（元）
前半阶段
后半阶段
预算经费总额
10000
6100
3900
1.业务费
9000
5500
3500
（1）计算、分析、测试费
5000
建模，软件开发
2500
2500
（2）能源动力费
（3）会议、差旅费
2000
调研
2000
（4）文献检索费
1000
理论研究
500
500
（5）论文出版费
500
500
2.仪器设备购置费
3.实验装置试制费
4.材料费
1000
资料，打印
600
400
学校批准经费
四、指导教师意见
项目申请书条理清楚、切实可行；项目依托于浙江大学浙江省装配式建筑工程技术研究中心和浙江省首家装配式建筑产业化研发型基地；项目申请人具有相关较为丰富的创新创业基础和熟练的软件技能。
望各位领导予以支持！
导师（签章）：
单智
2020年3月6日
五、院系大学生创新创业训练计划专家组意见
同意推荐。
专家组组长（签章）：
年月日
六、学校大学生创新创业训练计划专家组意见
同意推荐。
负责人（签章）：
年月日
七、大学生创新创业训练计划领导小组审批意见
负责人（签章）：
年月日
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