卞 祝，楊富蓮，歐軍珺，葛清蘊(yùn)，涂勁松，黎德光

(1.皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安 243000；2.江蘇省建筑園林設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 210019)

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，裝配式建筑以其節(jié)能、環(huán)保、適應(yīng)工業(yè)化的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為主要發(fā)展方向，在全國(guó)范圍內(nèi)逐步廣泛應(yīng)用[1]。國(guó)家2017年發(fā)布的《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》中提出，到2020年實(shí)現(xiàn)裝配式建筑全面發(fā)展。裝配式建筑是指在工廠加工制作好建筑的部分或全部構(gòu)件和配件(樓梯、樓板、墻板等)，通過可靠連接在現(xiàn)場(chǎng)裝配安裝而成的建筑。采用裝配式建筑可減少傳統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)腳手架、模板搭設(shè)等環(huán)節(jié)，減少現(xiàn)場(chǎng)澆筑養(yǎng)護(hù)受環(huán)境影響大等情況，解決人口下降勞動(dòng)力不足等問題。但基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，裝配式建筑的發(fā)展遇到一些問題：傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)時(shí)很難規(guī)避預(yù)制構(gòu)件在施工安裝中遇到的如節(jié)點(diǎn)連接、鋼筋碰撞等問題，施工中發(fā)現(xiàn)問題后反饋溝通環(huán)節(jié)多、不及時(shí)，各專業(yè)各環(huán)節(jié)協(xié)同性差，導(dǎo)致施工效率低，大量預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)運(yùn)輸和堆放養(yǎng)護(hù)的管理成本高，造價(jià)不低反升，裝配式建筑優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮[2-4]。

BIM技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化、多方案對(duì)比優(yōu)選以及多專業(yè)共享信息協(xié)同設(shè)計(jì)，從根本上打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工方法對(duì)裝配式建筑發(fā)展的局限，做到施工前調(diào)整優(yōu)化，極大地推動(dòng)了裝配式建筑的發(fā)展[5-7]。有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)標(biāo)圖集、各地方標(biāo)準(zhǔn)圖集也都相應(yīng)編制出版以保障并促進(jìn)裝配式建筑的規(guī)范發(fā)展[8-10]。

PKPM-BIM是在PKPM設(shè)計(jì)軟件基礎(chǔ)上升級(jí)的三維可視化數(shù)字平臺(tái)[7]，本文以裝配整體式剪力墻公寓樓為例，闡述基于PKPM-BIM軟件平臺(tái)進(jìn)行裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與深化拆分等問題。

1 PKPM-BIM軟件裝配式建筑設(shè)計(jì)模塊簡(jiǎn)介

為適應(yīng)裝配式設(shè)計(jì)要求，PKPM編制的裝配式建筑設(shè)計(jì)軟件PKPM-PC功能模塊主要包括：構(gòu)件庫管理，裝配式方案，裝配式深化設(shè)計(jì)，構(gòu)件加工圖，導(dǎo)出加工數(shù)據(jù)[11]?；谲浖难b配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括兩大設(shè)計(jì)內(nèi)容：第一部分，結(jié)構(gòu)模型建立，預(yù)制構(gòu)件指定，接力PKPM完成裝配式模型結(jié)構(gòu)計(jì)算并生成相關(guān)配筋圖等結(jié)果；第二部分，精細(xì)化設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)回PBIM完成裝配式深化設(shè)計(jì)，包括三維深化拆分與預(yù)拼裝、碰撞檢查、預(yù)制率統(tǒng)計(jì)、構(gòu)件加工詳圖、材料統(tǒng)計(jì)、BIM數(shù)據(jù)接力到生產(chǎn)加工設(shè)備等。

2 PKPM-BIM軟件在裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 工程概況

本工程為黃山市某公寓樓，地上15層，丙類建筑，抗震設(shè)防烈度為6度，地震分組第一組，采用裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)四級(jí)。

2.2 結(jié)構(gòu)建模

本工程在PKPM-BIM軟件啟動(dòng)環(huán)境為“裝配式設(shè)計(jì)”模塊中進(jìn)行設(shè)計(jì)，裝配式結(jié)構(gòu)模型建立方式有三種，一種是交互建模，先建立傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)再拆分構(gòu)件，二是導(dǎo)入PM模型，三是接力建筑模型再轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)模型。本工程運(yùn)用PKPM-BIM軟件協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，接力“.PBIMS”格式建筑模型文件，運(yùn)用建筑轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)功能，進(jìn)入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工程整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)模型

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

對(duì)于裝配式建筑，先指定預(yù)制構(gòu)件屬性再接力PKPM進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，預(yù)制構(gòu)件可從標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫中選擇指定，滿足裝配式建筑模數(shù)化的要求，類型包括疊合板、預(yù)制剪力墻、預(yù)制外墻板、預(yù)制樓梯、疊合陽臺(tái)、預(yù)制陽臺(tái)和預(yù)制空調(diào)板等。

將模型導(dǎo)入PM進(jìn)行整體計(jì)算，與傳統(tǒng)PKPM計(jì)算相同，根據(jù)建筑做法和結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行荷載布置，SATWE前處理參數(shù)定義包括設(shè)置總信息、地震信息、風(fēng)荷載信息等參數(shù)，計(jì)算得出各輸出文件，查看剛度比、剪重比、周期比等主要整體計(jì)算指標(biāo)是否滿足要求并調(diào)整。

整體計(jì)算結(jié)果滿足要求后，將模型導(dǎo)回PBIM，設(shè)置高強(qiáng)度大直徑鋼筋后軟件自動(dòng)配筋。圖2所示為計(jì)算輸出的一層梁超筋超限信息，通過增加疊合梁截面高度解決，對(duì)于超筋的墻通過增加墻長(zhǎng)度來消除。

圖2 一層梁超筋超限信息

2.4 深化設(shè)計(jì)

要發(fā)揮裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵是通過PBIM軟件完成對(duì)裝配式預(yù)制構(gòu)件的深化拆分并進(jìn)行碰撞檢查，做到施工前調(diào)整。同時(shí)軟件輸出詳細(xì)施工圖和加工詳圖，預(yù)制構(gòu)件模型數(shù)據(jù)可直接接力工廠加工生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)及數(shù)控加工設(shè)備，進(jìn)行鋼筋分類和機(jī)械加工、構(gòu)件邊模自動(dòng)擺放、管線開孔信息的自動(dòng)化畫線定位、澆筑混凝土量的自動(dòng)計(jì)算與智能化澆筑，達(dá)到無紙化加工，避免人工二次錄入可能帶來的錯(cuò)誤，提高生產(chǎn)效率。

2.4.1 深化拆分

拆分構(gòu)件主要包括預(yù)制板、預(yù)制梁和預(yù)制墻，拆分方案以標(biāo)準(zhǔn)層為例。結(jié)合規(guī)范《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(J/T51231—2016)和《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ1—2014)的規(guī)定給出關(guān)鍵構(gòu)件的尺寸和拆分做法[8-9]。其中底部加強(qiáng)層的豎向承重構(gòu)件采用現(xiàn)澆，頂層水平構(gòu)件現(xiàn)澆。

對(duì)于預(yù)制板，如圖3(a)，主要考慮板的類型和尺寸，通過方案對(duì)比選擇造價(jià)低、吊裝次數(shù)少的方案：采用有倒角帶有135 ℃彎鉤鋼筋端頭的雙向板，等分方式排布，后澆帶連接，后澆帶取300 mm。對(duì)于130 mm厚的預(yù)制板，統(tǒng)一為60 mm現(xiàn)澆加70 mm預(yù)制桁架鋼筋，距板邊200 mm，桁架鋼筋間距500 mm?？刂瓢遄畲髮挾仍?400 mm，長(zhǎng)度不超過4800 mm。另外進(jìn)行了空調(diào)板和陽臺(tái)板的拆分。如圖3(b)所示，對(duì)于預(yù)制梁，主要考慮梁的類型和現(xiàn)澆高度，經(jīng)過方案對(duì)比選擇對(duì)無主次梁搭接、與剪力墻在平面內(nèi)搭接的梁進(jìn)行拆分，施工難度低、進(jìn)度快，但水平裝配率較低，最終采用矩形截面預(yù)制梁，箍筋選組合封閉箍，梁的現(xiàn)澆層=150 mm板厚+10 mm縫寬=160 mm，錨固板錨固。結(jié)合施工安裝順序，將先吊裝梁的底筋設(shè)置在后吊裝梁底筋的下部。

圖3 預(yù)制構(gòu)件

預(yù)制墻如圖3(c)所示，包括預(yù)制外墻和內(nèi)墻，主要考慮控制墻的尺寸、重量和規(guī)格種類，選擇全灌漿套筒連接，上側(cè)直錨，下側(cè)全套筒灌漿，接頭套筒處保護(hù)層厚度為25 mm，避免滑絲。綜合考慮吊裝、運(yùn)輸及施工難易程度要求，將預(yù)制墻長(zhǎng)度控制4000 mm左右，重量控制在5 t以下，將拆分后長(zhǎng)度相近的墻合并成同規(guī)格預(yù)制墻，內(nèi)墻通過調(diào)節(jié)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)尺寸控制墻種類，減少規(guī)格、降低成本。進(jìn)行了連梁掛板和隔墻的拆分。

2.4.2 碰撞檢查

碰撞類型主要包括鋼筋與鋼筋的碰撞、鋼筋與混凝土的碰撞及混凝土間的碰撞。碰撞避讓原則為：預(yù)制構(gòu)件間鋼筋發(fā)生碰撞的，優(yōu)先調(diào)整板底筋，其次調(diào)整梁底筋，混凝土間碰撞調(diào)節(jié)構(gòu)件現(xiàn)澆高度，如圖4所示例。另外基于PKPM-BIM軟件平臺(tái)可協(xié)同建筑電氣專業(yè)進(jìn)行管線碰撞檢查和調(diào)整。

圖4 碰撞檢查及參數(shù)調(diào)整示例

根據(jù)檢查結(jié)果，依據(jù)構(gòu)件ID追蹤定位，并通過PKPM-BIM軟件三維可視化功能實(shí)現(xiàn)多角度動(dòng)態(tài)碰撞檢查，準(zhǔn)確直觀解決了裝配式建筑施工中遇到的碰撞問題，實(shí)現(xiàn)施工前調(diào)整，減小后續(xù)施工難度，提高效率。

2.4.3 結(jié)構(gòu)施工圖和工藝詳圖

圖5 預(yù)制墻、梁、板施工詳圖示例

圖6 預(yù)制墻、梁、板工藝詳圖示例

圖7 短暫工況驗(yàn)算

圖5、6所示為部分預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)施工圖和工藝詳圖，PKPM-BIM軟件自動(dòng)生成輸出全樓詳細(xì)預(yù)制構(gòu)件施工圖和預(yù)制構(gòu)件工藝詳圖，細(xì)化到每個(gè)預(yù)制構(gòu)件詳細(xì)配筋圖，保證圖紙與模型的一致性且精度高，圖紙可發(fā)布成DWG格式。預(yù)制構(gòu)件加工后再運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)編號(hào)合理堆放，做到設(shè)計(jì)、加工、施工全套系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、管理可視化、數(shù)字化。

2.5 短暫工況驗(yàn)算

短暫工況驗(yàn)算主要包括預(yù)埋件的選擇、預(yù)制構(gòu)件的吊裝和脫模。如圖7所示，對(duì)驗(yàn)算不滿足要求的外墻通過調(diào)整外葉墻板的型號(hào)來解決吊裝承載力不足、安全系數(shù)不夠的問題。對(duì)于驗(yàn)算不滿足的預(yù)制梁，增加預(yù)埋件數(shù)量以減小吊裝過程中所受彎矩，提高安全系數(shù)。

2.6 裝配率和算量統(tǒng)計(jì)

圖8 裝配率統(tǒng)計(jì)

由圖8可知軟件統(tǒng)計(jì)本工程裝配率為54%，根據(jù)規(guī)范《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51129—2017)中第3、4條[10]，裝配率達(dá)到規(guī)定的50%，可視本工程為裝配式建筑。在裝配率滿足的前提下，對(duì)模型不斷優(yōu)化，降低施工難度控制造價(jià),考慮目前國(guó)內(nèi)裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工系統(tǒng)并非相當(dāng)完善，本工程設(shè)計(jì)不追求過高裝配率。

圖9所示為軟件導(dǎo)出的材料統(tǒng)計(jì)清單和構(gòu)件清單列表部分，軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出主要構(gòu)件算量，包括預(yù)制構(gòu)件的重量、體積、所用混凝土和鋼筋用量等，為造價(jià)人員進(jìn)一步詳細(xì)統(tǒng)計(jì)算量提供可靠參考。

圖9 部分統(tǒng)計(jì)清單

3 結(jié)語

通過PKPM-BIM軟件平臺(tái)，對(duì)裝配整體式剪力墻公寓樓進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，借助BIM技術(shù)信息化優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行多方案對(duì)比優(yōu)化完成從建模、結(jié)構(gòu)計(jì)算、深化拆分設(shè)計(jì)、碰撞檢查再到施工圖和加工數(shù)據(jù)輸出，較好解決了裝配式建筑施工過程中遇到的鋼筋碰撞、節(jié)點(diǎn)連接及預(yù)制構(gòu)件多難管理等問題，達(dá)到施工前控制，裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮。實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、施工和給排水多專業(yè)在同一平臺(tái)下共享信息，按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則協(xié)同設(shè)計(jì)，提高效率，降低人材機(jī)及時(shí)間成本，節(jié)約資源，真正做到綠色發(fā)展。