肖龍榮 周文勇 高金賀

(東華理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

1 概述

裝配式建筑主要是對(duì)建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)制選擇，并按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行裝配的一種新型建筑形式。其具有施工便捷、成本低、安全系數(shù)高的特點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)代化城市建設(shè)的基本要求[1]。美國(guó)、德國(guó)于20世紀(jì)70年代出臺(tái)了相關(guān)法案及規(guī)范開(kāi)展裝配式結(jié)構(gòu)的研究與實(shí)踐。我國(guó)于2016年也相繼提出了裝配式結(jié)構(gòu)的未來(lái)發(fā)展規(guī)劃，裝配式建筑結(jié)構(gòu)將成為未來(lái)建筑領(lǐng)域的主流思想。但目前，裝配式結(jié)構(gòu)仍面臨建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系及產(chǎn)業(yè)鏈不完善、專(zhuān)業(yè)型人才缺乏、施工技術(shù)要求高等問(wèn)題[2]。

另一方面，建筑信息模型技術(shù)(BIM技術(shù))匯集了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、碰撞檢測(cè)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、維護(hù)信息、運(yùn)營(yíng)信息等多方面的信息。因此，BIM技術(shù)在整個(gè)項(xiàng)目周期中表現(xiàn)出可視性、模擬性、關(guān)聯(lián)性、協(xié)調(diào)性，優(yōu)化性以及系統(tǒng)化管理六大特點(diǎn)。國(guó)外建筑工程中BIM技術(shù)的應(yīng)用較國(guó)內(nèi)成熟，制定了一些BIM技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章。我國(guó)的BIM技術(shù)應(yīng)用剛剛起步，目前僅有少數(shù)大型項(xiàng)目采用了BIM技術(shù)，BIM技術(shù)人才奇缺，BIM技術(shù)應(yīng)用鏈條尚未打通，并未大范圍推廣使用[3]。

綜合上述兩大建筑領(lǐng)域的新技術(shù)與新思想，裝配式建筑結(jié)構(gòu)的信息化技術(shù)模型在我國(guó)現(xiàn)階段的工程領(lǐng)域中，還存在著應(yīng)用實(shí)例較少、設(shè)計(jì)流程碎片化、應(yīng)用效果不突出等問(wèn)題[4]。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的宿舍樓采用裝配式建筑結(jié)構(gòu)理念，運(yùn)用PKPM-BIM軟件進(jìn)行裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。其設(shè)計(jì)流程與方法有助于擴(kuò)展裝配式建筑結(jié)構(gòu)的信息化技術(shù)實(shí)例應(yīng)用，適應(yīng)我國(guó)裝配式建筑結(jié)構(gòu)的未來(lái)發(fā)展規(guī)劃。

2 工程項(xiàng)目概論

本工程為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的宿舍樓，位于江西省井岡山市?？拐鹪O(shè)防烈度為6度，場(chǎng)地類(lèi)別為I0類(lèi)，粗糙程度為C類(lèi)。本宿舍樓為鋼筋混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，共有7個(gè)自然層，總高25.7 m，占地面積1 141.92 m2。單體裝配率要求不小于50%，樓板為桁架疊合板、預(yù)制柱、疊合梁、裝配式內(nèi)墻。

3 基于PKPM-BIM軟件平臺(tái)的裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

為實(shí)現(xiàn)本工程項(xiàng)目裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念以及采用BIM信息化設(shè)計(jì)模式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程如圖1所示。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，裝配式結(jié)構(gòu)理念體現(xiàn)在方案設(shè)計(jì)中對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行指定。BIM信息化模型體現(xiàn)在基于參數(shù)信息的整體分析、構(gòu)件設(shè)計(jì)及深化設(shè)計(jì)。

3.2 信息模型的創(chuàng)建

本項(xiàng)目在裝配式建筑設(shè)計(jì)前期將預(yù)制構(gòu)件的幾何尺寸及內(nèi)部鋼筋的直徑、長(zhǎng)度以及鋼筋保護(hù)層厚度、地震信息、調(diào)整信息等能全面反映與建筑參數(shù)相關(guān)的信息輸入到PKPM-BIM軟件中，利用BIM技術(shù)平臺(tái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理，形成標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)模型，通過(guò)專(zhuān)業(yè)化的信息輸入達(dá)到精準(zhǔn)高效的建筑模型輸出效果。

3.3 裝配式構(gòu)件的指定

本項(xiàng)目首層全部采用現(xiàn)澆，以加強(qiáng)整體可靠性，其他層的梁構(gòu)件都進(jìn)行預(yù)制梁指定。梁構(gòu)件以疊合梁方式預(yù)制，預(yù)留一定高度的現(xiàn)澆層與樓板現(xiàn)澆，增強(qiáng)整體性，如圖2所示。對(duì)于板構(gòu)件，除衛(wèi)生間樓板以外，其余板構(gòu)件均進(jìn)行預(yù)制指定。板構(gòu)件的預(yù)制方式與梁構(gòu)件類(lèi)似，其中預(yù)制層為60 mm厚，現(xiàn)澆層為70 mm厚，如圖3所示。對(duì)于柱構(gòu)件，除邊柱外的其余柱構(gòu)件均進(jìn)行預(yù)制指定，如圖4所示。內(nèi)墻全部進(jìn)行預(yù)制指定，如圖5所示。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)層裝配式構(gòu)件的拆分及方案整合

在完成裝配式構(gòu)件指定后，應(yīng)用PKPM-BIM軟件對(duì)梁、板、柱構(gòu)件進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件拆分。

本項(xiàng)目中，梁構(gòu)件的拆分采用矩形截面和凹口截面兩種截面形式。其中，主梁采用凹口截面，凹槽深度為50 mm，有利于板構(gòu)件的預(yù)制層和預(yù)制梁的組裝，便于施工，如圖6所示；在有次梁搭接處的預(yù)制梁上設(shè)置牛擔(dān)板，其可靠性更高，應(yīng)用較多，如圖7所示；在外邊梁上采用翻邊，翻邊高度為220 mm，其作用是可免去支模過(guò)程，如圖8所示。對(duì)于次梁，采用矩形截面，不對(duì)截面進(jìn)行任何處理，只設(shè)置抗剪鍵槽，如圖9所示。

對(duì)于板構(gòu)件的拆分，本項(xiàng)目均按雙向板拆分。以本項(xiàng)目的第2自然層板構(gòu)件拆分為例，宿舍房間和陽(yáng)臺(tái)的板構(gòu)件均采用等分的方式拆分，拆分出若干塊寬度相同的預(yù)制板，如圖10，圖11所示；走廊上的板構(gòu)件采用模數(shù)化的方式拆分，拆分出1塊1 650 mm和4塊1 200 mm的預(yù)制板，具體如圖12所示。通過(guò)這種拆分方式，實(shí)現(xiàn)了本項(xiàng)目裝配式建筑少規(guī)格、多組合的設(shè)計(jì)要求。

在本項(xiàng)目中，柱構(gòu)件設(shè)置矩形抗剪鍵槽，增強(qiáng)抗剪能力，鍵槽寬度為150 mm，長(zhǎng)度為200 mm，深度為3 mm，內(nèi)縮尺寸為0 mm，鍵槽坡高為10 mm。預(yù)制柱留有700 mm厚的現(xiàn)澆層，便于節(jié)點(diǎn)連接，增加節(jié)點(diǎn)的可靠性，如圖13所示。

在完成所有預(yù)制構(gòu)件的拆分后，利用PKPM-BIM軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)層復(fù)制、樓層組裝，最終拼接成整體框架。

3.5 信息模型的整體分析及裝配率統(tǒng)計(jì)

為考察本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性，進(jìn)行了信息模型的整體分析。分析采用了PKPM-BIM設(shè)計(jì)軟件中SATWE計(jì)算分析，主要從自振周期、振型曲線、地震力、位移角、軸壓比、剛度比等指標(biāo)進(jìn)行考察，部分評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。同時(shí)，依據(jù)分析結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的信息模型進(jìn)行再優(yōu)化。

表1 信息模型評(píng)價(jià)指標(biāo)匯總表

為滿足國(guó)標(biāo)裝配率建筑標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目對(duì)建筑的主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻采用裝配式建筑理念。根據(jù)裝配率計(jì)算公式得出本項(xiàng)目的裝配率為60%，屬于A級(jí)裝配式建筑。本項(xiàng)目的裝配率計(jì)算匯總表如表2所示。

表2 裝配率計(jì)算匯總表

3.6 配筋設(shè)計(jì)及深化設(shè)計(jì)調(diào)整

配筋設(shè)計(jì)流程中，為了減少鋼筋碰撞現(xiàn)象，盡量采用大直徑鋼筋進(jìn)行配筋，并采用PKPM-BIM軟件平臺(tái)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)調(diào)整。鋼筋碰撞檢查則為其最重要的一步。本項(xiàng)目應(yīng)用PKPM-BIM軟件對(duì)第2自然層進(jìn)行鋼筋碰撞檢查，共發(fā)現(xiàn)有537處鋼筋碰撞，主要分為梁構(gòu)件的箍筋與板構(gòu)件的沿跨長(zhǎng)方向鋼筋、梁構(gòu)件的底筋與柱構(gòu)件的鋼筋、梁構(gòu)件的底筋與梁構(gòu)件的底筋三類(lèi)鋼筋碰撞。在解決這三類(lèi)鋼筋碰撞之前，首先處理疊合板和疊合梁的底筋問(wèn)題，應(yīng)用PKPM-BIM軟件將疊合板的底筋進(jìn)行自動(dòng)避讓并對(duì)疊合梁采用縱筋彎折的方式進(jìn)行縱向避讓和采用預(yù)制截面內(nèi)縱筋彎折的方式進(jìn)行水平避讓。下面將以實(shí)例說(shuō)明在本項(xiàng)目中解決這三類(lèi)鋼筋碰撞的方法。

對(duì)于梁構(gòu)件的箍筋和板構(gòu)件的沿跨長(zhǎng)方向鋼筋碰撞，本項(xiàng)目采用修改板構(gòu)件沿跨長(zhǎng)方向鋼筋的排列參數(shù)，而不修改梁箍筋排列參數(shù)的方法有效的避免鋼筋碰撞，如圖14所示。對(duì)于梁構(gòu)件的底筋與柱構(gòu)件的鋼筋碰撞，本項(xiàng)目采用同時(shí)修改柱構(gòu)件的側(cè)面鋼筋和上下鋼筋參數(shù)的方法避免鋼筋碰撞，如圖15所示。對(duì)于梁構(gòu)件的底筋與梁構(gòu)件的底筋碰撞，本項(xiàng)目采用修改梁的底筋排列參數(shù)的方法進(jìn)行鋼筋避讓?zhuān)鐖D16所示。為有效的解決本項(xiàng)目鋼筋碰撞現(xiàn)象，采用如圖17所示的流程。

3.7 導(dǎo)出結(jié)構(gòu)模型及相關(guān)圖紙

基于上述步驟，為實(shí)現(xiàn)裝配式建筑一體化和精細(xì)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，本項(xiàng)目對(duì)梁板柱等預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，形成了生產(chǎn)車(chē)間所需要的材料統(tǒng)計(jì)清單。同時(shí)導(dǎo)出結(jié)構(gòu)模型相關(guān)的定位圖、模板圖、平面布置圖、節(jié)點(diǎn)大樣圖、深化設(shè)計(jì)詳圖等裝配式設(shè)計(jì)圖紙，為建筑施工人員提供施工參照。本項(xiàng)目最終結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)信息化模型如圖18所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目基于PKPM-BIM軟件平臺(tái)，對(duì)鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了裝配式設(shè)計(jì)，提出了合理的設(shè)計(jì)流程與預(yù)制構(gòu)件拆分模式。通過(guò)計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)滿足性能要求，裝配率達(dá)到了60%的A級(jí)裝配式建筑。本設(shè)計(jì)流程可為BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑設(shè)計(jì)全過(guò)程普及和推廣提供參考，共同提高設(shè)計(jì)行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用水平。

另外，本文所采用的設(shè)計(jì)理念與思路得到了東華理工大學(xué)建筑工程學(xué)院余海滔、張宇軒和北京構(gòu)力科技有限公司深圳分公司艾顯書(shū)的指導(dǎo)與幫助。