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建筑技術(shù)丨裝配式木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期構(gòu)件分類編碼與數(shù)據(jù)協(xié)同研究

目前，裝配式建筑與BIM技術(shù)領(lǐng)域已取得了可觀的理論與實踐成果，但也存在一些方向性問題亟待解決。例如設(shè)計階段，從業(yè)人員普遍采用施工圖拆分的方法進行預制構(gòu)件的深化設(shè)計，缺乏正向設(shè)計方法的引導，導致構(gòu)件種類、數(shù)量繁多，不但增加了裝配難度，還使得成本陡升；缺乏正確的BIM應(yīng)用理念，存在重復建模，模型數(shù)據(jù)信息無法從設(shè)計階段貫穿至后續(xù)階段，使BIM技術(shù)的應(yīng)用價值大打折扣。因此，從源頭建立科學的裝配式建筑認知體系與BIM數(shù)據(jù)協(xié)同理念是解決問題的關(guān)鍵。

1??建筑的物質(zhì)構(gòu)成

“構(gòu)件”是建筑物質(zhì)構(gòu)成的基本元素，是第一性的，也是可見可操控的。在此基礎(chǔ)上，建筑設(shè)計有了根基和依據(jù)，是理性、可預測、可量化的。多樣性的建筑空間、建筑性能、建筑功能和建筑風格體現(xiàn)在對構(gòu)件組合方式的變化和對構(gòu)件文化屬性的添加上，而對建筑設(shè)計的把控可被轉(zhuǎn)換、分解和量化為對構(gòu)件組合變化的論證和對構(gòu)件屬性添加的推算。不同于傳統(tǒng)建筑設(shè)計注重建筑平面、立面、剖面設(shè)計，基于構(gòu)件分類組合的建筑設(shè)計是聚焦以構(gòu)件為單位進行建筑設(shè)計，其設(shè)計方法為與BIM軟件結(jié)合應(yīng)用提供了必要性和便利性。

2??構(gòu)件分類與分件體系

2.1??構(gòu)件分類

構(gòu)件分類設(shè)計方法是以“構(gòu)件法建筑設(shè)計”為基礎(chǔ)，對組成建筑的基本元素（構(gòu)件）根據(jù)其裝配特性和功能特征進行分類，根據(jù)構(gòu)件的基本功能特征分為結(jié)構(gòu)構(gòu)件組、圍護構(gòu)件組、裝飾構(gòu)件組、性能構(gòu)件組、環(huán)境構(gòu)件組等。

各構(gòu)件組，互不交叉，相互獨立可減少連接節(jié)點，提高建筑的可靠性；構(gòu)件功能獨立也可保證其功能長久可靠。構(gòu)件分類具有以下實際意義。

（1）適配協(xié)同設(shè)計，對項目的建筑構(gòu)件進行統(tǒng)籌設(shè)計與研發(fā)，設(shè)計團隊相互協(xié)調(diào)，清楚地劃分協(xié)同設(shè)計的工作界面，可實現(xiàn)同步推進，高效率地完成協(xié)同設(shè)計工作。

（2）奠定編碼基礎(chǔ)，以構(gòu)件作為最基本要素，形成層級明晰的裝配式建筑構(gòu)件分類表，這是對構(gòu)件編碼，實現(xiàn)追蹤、定位、管理的基礎(chǔ)。

（3）便于統(tǒng)計管理，構(gòu)件分類方法與BIM項目管理模式相契合，便于精確地進行物料、工程量、成本及碳排放量等方面的統(tǒng)計管理。

2.2??構(gòu)件分件

構(gòu)件分件的基礎(chǔ)是三級裝配理論，根據(jù)構(gòu)件裝配信息進行分類，按不同的構(gòu)件加工和裝配位置分為三級，完成構(gòu)件特性和建造邏輯分類：一級構(gòu)件為小構(gòu)件，在工廠生產(chǎn)裝配，以減少現(xiàn)場工作量；二級和三級構(gòu)件均為大構(gòu)件，在工地工廠和工位完成裝配，以減少高空作業(yè)量，有利于現(xiàn)場作業(yè)安全，同時還可提高現(xiàn)場建造裝備和工具使用效率。構(gòu)件分件具有的意義如下。

2.2.1??提高建造效率

盡可能將構(gòu)件在工廠與工地工廠內(nèi)進行組裝，以減小對施工現(xiàn)場的建造裝備與工具的依賴程度，進而提升建造效率。

2.2.2??提高建造安全性

將大量構(gòu)件在工廠或工地工廠完成組裝，可減少高空作業(yè)量，從而減少施工現(xiàn)場安全隱患，有利于建造安全。

2.3??裝配式木結(jié)構(gòu)構(gòu)件分類系統(tǒng)

以“構(gòu)件法”建筑設(shè)計思想為基礎(chǔ)，根據(jù)構(gòu)件分類與構(gòu)件分件的設(shè)計原則，將預制構(gòu)件分為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)件、外圍護系統(tǒng)構(gòu)件及內(nèi)裝系統(tǒng)構(gòu)件，據(jù)此總結(jié)出裝配式木結(jié)構(gòu)構(gòu)件分類表（表1）。

表1??裝配式木結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)分類表

3??裝配式建筑全生命周期階段劃分

建筑全生命周期的概念是從其他產(chǎn)品制造行業(yè)借鑒而來的，對于傳統(tǒng)建筑行業(yè)而言，可劃分為規(guī)劃、設(shè)計、施工及運營階段。這種全生命周期的劃分原則與裝配式建筑領(lǐng)域并不適應(yīng)，沒有突出工廠化生產(chǎn)這一裝配式建筑的顯著特征。

因此，在裝配式建筑行業(yè)內(nèi)，通常將全生命周期劃分為規(guī)劃設(shè)計階段、構(gòu)件生產(chǎn)階段、裝配施工階段及運營維護階段。

但是在對裝配式建筑更深入研究與探索過程中發(fā)現(xiàn)，上述劃分理論太過泛泛，不夠精細，裝配式建筑就是要對全過程各階段進行有效的、精確的信息化管理，從這一角度出發(fā)，本團隊對裝配式建筑全生命周期的概念劃分又有了新的認識，將其定義為設(shè)計階段、生產(chǎn)階段、轉(zhuǎn)運階段、裝配階段、運維階段、改造再利用階段以及拆除再利用階段（圖1）。

圖1??裝配式建筑全生命周期階段劃分

3.1??設(shè)計階段

設(shè)計階段包括規(guī)劃設(shè)計、建筑設(shè)計、空間設(shè)計、構(gòu)件設(shè)計及模擬設(shè)計。規(guī)劃設(shè)計、建筑設(shè)計與空間設(shè)計基本遵循傳統(tǒng)建筑設(shè)計流程，構(gòu)件設(shè)計則突出了裝配式建筑領(lǐng)域的特點，圍繞“構(gòu)件”這一基本單元進行分類組合設(shè)計，從結(jié)構(gòu)構(gòu)件、外圍護構(gòu)件、設(shè)備構(gòu)件及內(nèi)分隔構(gòu)件系統(tǒng)的角度，強化構(gòu)件設(shè)計邏輯，梳理構(gòu)件關(guān)系，為提高裝配式建筑建造效率與裝配質(zhì)量奠定基礎(chǔ)，以保障裝配式建筑項目的順利實施。

3.2??生產(chǎn)階段

工廠化生產(chǎn)是裝配式建筑的顯著特征，與傳統(tǒng)建筑建造方式相比，工廠化生產(chǎn)更為低碳、節(jié)能環(huán)保。

其生產(chǎn)方式與生產(chǎn)工序雖有差異，但從宏觀角度分析，總體上可分為物料準備、生產(chǎn)加工、成品保護以及工廠堆場等子階段。

3.3??轉(zhuǎn)運階段

預制構(gòu)件生產(chǎn)完成后，在進入施工現(xiàn)場裝配施工前，需將構(gòu)件轉(zhuǎn)運至施工現(xiàn)場的堆場，這一階段是構(gòu)件全生命周期管理與質(zhì)量追溯不可或缺的一環(huán)。根據(jù)時間順序，轉(zhuǎn)運階段依次包括構(gòu)件裝車、構(gòu)件運輸以及構(gòu)件入場等階段，當前行業(yè)內(nèi)通常利用二維碼或RFID技術(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)運階段的過程管理。

3.4??裝配階段

裝配式建筑施工階段有別于傳統(tǒng)施工模式，尤其是現(xiàn)澆方式。由于構(gòu)件均在工廠預先加工制成再運至現(xiàn)場，因此裝配施工前需進行構(gòu)件質(zhì)量檢驗，經(jīng)檢驗合格后再借助機械設(shè)備進行吊裝，裝配完成后由相關(guān)人員進行構(gòu)件檢測，主要是連接節(jié)點的檢測，最后由監(jiān)管部門組織工程驗收。因此，裝配式構(gòu)件裝配施工階段包括構(gòu)件檢驗、吊裝、檢測以及驗收等子階段。

3.5??運維階段

進入運維階段就表示裝配式建筑正式投入使用，運維階段要滿足資產(chǎn)管理、安防管理、物業(yè)管理、能耗管理、消防疏散等具體運維需求，對建筑構(gòu)件而言，其使命遠未結(jié)束，針對構(gòu)件的檢測、維護及更換則相對更為重要。運維階段通常包括日常維護、檢修報備及更新替換等內(nèi)容。

3.6??改造再利用階段

裝配式建筑設(shè)計伊始，構(gòu)件分類與分件的設(shè)計方法就為后續(xù)建筑功能與性質(zhì)的變更預埋了伏筆，由于各結(jié)構(gòu)體系相互獨立、各盡其用，既要充分考慮使用壽命較長的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與壽命相對較短的外圍護系統(tǒng)、內(nèi)分隔系統(tǒng)及設(shè)備系統(tǒng)之間的連接關(guān)系，又要保證互不干擾，為改造再利用提供可能。改造再利用包括現(xiàn)存構(gòu)件檢測、改造設(shè)計及改造施工等方面的內(nèi)容。

3.7??拆除再利用階段

本階段與改造再利用階段既有類似又有區(qū)別，拆除不是目的，拆除后的再利用是裝配式建筑又一重要價值的體現(xiàn)，也是整個裝配式建筑行業(yè)較高的追求目標。

拆除后，還可以回收構(gòu)件進行2次、甚至3次、4次直至N次的利用，這也同樣要求各構(gòu)件系統(tǒng)之間要相互獨立，且連接要可逆，不僅能正著裝上去，也要反著能拆下來。拆除再利用階段包括構(gòu)件拆除與構(gòu)件再利用等工序階段。

4??構(gòu)件數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)置與編碼體系

基于構(gòu)件分類與分件設(shè)計規(guī)則前提，應(yīng)明確構(gòu)件在不同階段，對不同專業(yè)所需的數(shù)據(jù)系統(tǒng)類別，并以此制定構(gòu)件編碼規(guī)則，才能真正實現(xiàn)構(gòu)件全生命周期的信息管理，體現(xiàn)BIM技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)實價值，BIM應(yīng)用的核心在于數(shù)據(jù)信息共享與交互，而非僅是三維可視化模型。

4.1??建筑全生命周期數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)置規(guī)則

基于BIM技術(shù)的裝配式建筑全生命周期的管理是建立在數(shù)據(jù)、信息管理的基礎(chǔ)上，這就要求BIM中的“M”（即模型）要承載全流程的數(shù)據(jù)、信息等內(nèi)容，確保信息從設(shè)計階段流轉(zhuǎn)傳遞至最終的運維階段，乃至改造再利用或拆除再利用階段。為此首先要對全生命周期中所需的數(shù)據(jù)類型進行梳理與分類匯總，將構(gòu)件數(shù)據(jù)系統(tǒng)分成構(gòu)件參數(shù)、構(gòu)件屬性與構(gòu)件關(guān)系3個板塊。

4.1.1??構(gòu)件參數(shù)

本研究將構(gòu)件參數(shù)定義為構(gòu)件全生命周期中所具備的基本參數(shù)，包括編碼參數(shù)、幾何參數(shù)、物理參數(shù)、基礎(chǔ)參數(shù)及性能參數(shù)等。這些參數(shù)還會區(qū)分為實例參數(shù)與類型參數(shù)，實例參數(shù)相當于構(gòu)件個體的參數(shù)，而類型參數(shù)則是構(gòu)件個體所屬構(gòu)件大類具備的參數(shù)。

4.1.2??構(gòu)件屬性

構(gòu)件屬性主要是針對構(gòu)件在全生命周期所屬階段的具體描述及相關(guān)信息，分為計劃模擬與實際反饋兩部分，計劃模擬是指通過軟件工具對設(shè)計階段、生產(chǎn)階段、轉(zhuǎn)運階段、裝配階段、運維階段、改造再利用階段及拆除再利用階段的全生命周期的構(gòu)件狀態(tài)進行計劃模擬，為對構(gòu)件進行真實的全生命周期管理提供參考依據(jù)；實際反饋則是全生命周期管理過程中實際管理的反饋數(shù)據(jù)，有了計劃與真實的數(shù)據(jù)對比耦合，才能有助于今后進行更為精確的項目管理。

4.1.3??構(gòu)件關(guān)系

構(gòu)件關(guān)系描述的是構(gòu)件的空間關(guān)系，其所在空間性質(zhì)如防火分區(qū)、防煙分區(qū)等，空間名稱如樓梯間、門廳等，還可判斷毗鄰空間的相關(guān)信息，這有助于建筑投入使用后，在運維階段甚至是改造再利用階段及拆除再利用階段協(xié)助決策者高效地定位追蹤構(gòu)件位置，以提高決策效率，降低決策成本。

4.2??建筑全生命周期參數(shù)庫的創(chuàng)建

裝配式建筑構(gòu)件全生命周期的管理要從設(shè)計端源頭繼承數(shù)據(jù)、信息。若一味地在模型中增加參數(shù)類別與條目，將會導致信息量陡增與重復無效信息的干擾，且不同階段、不同專業(yè)對數(shù)據(jù)及信息的需求量是不同的，如何高效地獲取有效信息，過濾無效信息是利用BIM等信息化手段首要解決的問題。

利用SQL查詢數(shù)據(jù)庫的形式，將設(shè)計階段、生產(chǎn)階段、轉(zhuǎn)運階段、裝配階段、運維階段、改造再利用階段及拆除再利用階段的參數(shù)、屬性及關(guān)系數(shù)據(jù)系統(tǒng)，依據(jù)需要創(chuàng)建參數(shù)庫，如工序信息庫、單位信息庫、人員信息庫、工程設(shè)備庫、材料信息庫、造價信息庫等，只需在各個不同階段實現(xiàn)靈活調(diào)用不同數(shù)據(jù)庫的參數(shù)即可（圖2）。

圖2??工序信息庫

4.3??建筑全生命周期構(gòu)件分類編碼方法

4.3.1??編碼原則

不同類型的構(gòu)件同處于一個整體系統(tǒng)中，相互之間易混淆，為進行識別需對其進行命名，并對各相關(guān)屬性信息進行準確定義。但由于相互之間存在信息的交換工作，為使信息處理和接收各方能正確理解而不產(chǎn)生誤解需進行統(tǒng)一編碼，該項工作應(yīng)在設(shè)計階段得到貫徹執(zhí)行，方能在后續(xù)生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運、裝配、改造再利用及拆除再利用各階段中發(fā)揮作用。

信息分類編碼是信息分類和信息編碼兩項相互關(guān)聯(lián)的工作。先分類后編碼，一套完善的編碼規(guī)則是實現(xiàn)信息聯(lián)動的重要手段，它需要具有唯一性、合理性、簡明性、完整性與可擴展性的特點。

4.3.2??編碼示例

基于本研究開發(fā)的南京裝配式建筑信息服務(wù)與監(jiān)管平臺所用的構(gòu)件編碼規(guī)則，對原編碼進行了優(yōu)化升級，原編碼字段為：【項目編號】–【樓棟編號】–【構(gòu)件類型編號】–【標高編號】–【軸線編號】–【位置編號】，為優(yōu)化構(gòu)件定位，尤其協(xié)助操作人員快速識別設(shè)備、內(nèi)裝等可能需要經(jīng)常更換的構(gòu)件的具體位置，提高編碼的人機可讀性，以提高運維、改造再利用以及拆除再用的效率。

將“標高編號”“軸網(wǎng)編號”“位置編號”歸于一個字段，統(tǒng)稱“位置編碼”，該段代碼是通過Revit軟件插件自動生成的，再添加一個新的字段“空間編碼”，此字段編碼為動態(tài)編碼，通過調(diào)取數(shù)據(jù)庫的動態(tài)信息自動生成。

最終形成新的編碼字段為：【項目編號】–【樓棟編號】–【構(gòu)件類型編號】–【位置編碼】–【空間編碼】，優(yōu)化后的編碼突出了唯一性、可擴展性及自動生成等特點。

以裝配式木結(jié)構(gòu)建筑中的木結(jié)構(gòu)柱為例（圖3），進行字段編碼字段釋義（表2）。

（a）

（b）

圖3??木結(jié)構(gòu)柱三維與平面示意

（a）三維圖；（b）平面圖

表2??構(gòu)件編碼字段釋義表

5??結(jié)束語

為實現(xiàn)裝配式建筑全生命周期的信息管理，應(yīng)從源頭上對建筑的構(gòu)成有深刻認知。要運用科學的裝配式設(shè)計方法，具備構(gòu)件分類與構(gòu)件分件的設(shè)計思維，理解構(gòu)件系統(tǒng)之間既相互獨立又互相聯(lián)系的邏輯關(guān)系。要明確適用于裝配式建筑精細化的全生命周期階段劃分，再對裝配式建筑全生命周期各階段所需的數(shù)據(jù)信息進行歸類與總結(jié)，創(chuàng)建參數(shù)數(shù)據(jù)庫，提高數(shù)據(jù)調(diào)取效率，最終形成構(gòu)件編碼方法，為裝配式建筑全生命周期的信息管理提供實現(xiàn)途徑。

在未來的研究與工作中，將進一步完善構(gòu)件數(shù)據(jù)系統(tǒng)分類體系，拓展參數(shù)數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化構(gòu)件編碼系統(tǒng)，以提高編碼在全生命周期各階段的適配性，與IFC標準進行匹配，開發(fā)相關(guān)階段基于MVD的數(shù)據(jù)傳遞標準，真正實現(xiàn)基于BIM的裝配式建筑全生命周期構(gòu)件數(shù)據(jù)的協(xié)同應(yīng)用與管理。

（責任編輯：何雯麗）