楊 謙 艾 旭 張 沂 李 洋 劉 洋 楊思忠

(1.北京市住宅產(chǎn)業(yè)化集團(tuán)股份有限公司，北京 100073； 2.承德綠建建筑材料有限公司，承德 067000)

引言

傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)等階段均以二維圖紙為傳遞媒介，處理圖紙需要消耗設(shè)計(jì)人員大部分的精力，此過(guò)程容易出現(xiàn)信息不明等問題，造成設(shè)計(jì)失誤[1]。而隨著ERP與MES等信息化系統(tǒng)在預(yù)制構(gòu)件廠的投入使用，迫切的需要建立基于BIM的預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)解決方案，從而為預(yù)制構(gòu)件廠實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0奠定基礎(chǔ)。

目前，國(guó)內(nèi)外也有一批裝配式深化設(shè)計(jì)軟件，比如Tekla、Planbar、ProStructure、PKPM-PC、YJK-AMCS等軟件，但這些軟件普遍存在售價(jià)高昂、編輯功能不靈活等問題。相對(duì)比之下，Revit以其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)交互、信息管理、協(xié)同工作等功能成為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上使用最多、普及最廣的BIM軟件。Revit提供了API，通過(guò)調(diào)用，開發(fā)者可以根據(jù)自己的需要對(duì)Revit的功能用途進(jìn)行擴(kuò)展。因此，基于Revit的二次開發(fā)，成為滿足國(guó)內(nèi)BIM應(yīng)用的最好選擇之一。[2]

本文基于一種新型剪力墻構(gòu)件——縱肋疊合剪力墻，通過(guò)分析BIM技術(shù)的應(yīng)用，探討了在工程實(shí)際中的實(shí)施方案，并從軟件在工程實(shí)際中的運(yùn)用出發(fā)，探討了二次開發(fā)技術(shù)：提升軟件的效率，擴(kuò)展軟件的功能，解決軟件本地化應(yīng)用問題，推動(dòng)裝配式建筑的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的深入結(jié)合。

1 墻板建模方法分析

在裝配式預(yù)制構(gòu)件的鋼筋深化中，鋼筋建模是困擾設(shè)計(jì)師進(jìn)行裝配式建筑構(gòu)件深化設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)，主要原因有以下幾點(diǎn)：軟件操作困難、鋼筋形式復(fù)雜、工作量大、軟件功能欠缺。[3]

目前，在Revit軟件中建立預(yù)制構(gòu)件模型主要有兩種方法：鋼筋族[3-8]和構(gòu)件族[9]。鋼筋族法是指在項(xiàng)目文件中使用自定義族或系統(tǒng)族繪制或組裝成預(yù)制構(gòu)件模型，其中鋼筋部分是使用Revit的鋼筋族繪制完成。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)件模型繪制靈活，可以隨時(shí)方便的修改構(gòu)件，并且可以對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)注出圖。缺點(diǎn)是Revit的鋼筋族限制較多，稍微復(fù)雜的空間彎折鋼筋就無(wú)法創(chuàng)建，并且鋼筋族在使用的時(shí)候也非常繁瑣，效率比較低； 構(gòu)件族法是將整個(gè)預(yù)制構(gòu)件包括混凝土、鋼筋、預(yù)留預(yù)埋等整個(gè)構(gòu)件做成族，根據(jù)需求的不同，構(gòu)件族可以是參數(shù)化的也可以是非參數(shù)化的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是便于將預(yù)制構(gòu)件整理成構(gòu)件庫(kù)，易于對(duì)構(gòu)件進(jìn)行復(fù)用。缺點(diǎn)是在項(xiàng)目文件中，無(wú)法對(duì)預(yù)制構(gòu)件族中的鋼筋和埋件標(biāo)注，即無(wú)法對(duì)預(yù)制構(gòu)件標(biāo)注出圖。

因此為滿足工程實(shí)際應(yīng)用需求，提出一種新的建模方法——組合族法，即在項(xiàng)目文件中使用多種族組裝成預(yù)制構(gòu)件模型，其中鋼筋部分使用可載入族繪制。該方法能有效的適應(yīng)預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)全流程中各個(gè)階段對(duì)模型的使用要求，并且預(yù)制模型可以隨著深化設(shè)計(jì)的進(jìn)行同步深化、應(yīng)用。

2 縱肋疊合剪力墻設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

裝配整體式縱肋疊合剪力墻結(jié)構(gòu)是北京市住宅產(chǎn)業(yè)化集團(tuán)聯(lián)合承德綠建、中國(guó)建研院等單位共同研發(fā)的一種新型裝配整體式縱肋剪力墻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件采用具有專利技術(shù)的新型預(yù)制剪力墻墻板，水平預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)體系采用的產(chǎn)品相同。

如圖1所示，縱肋剪力墻墻板是一種由兩側(cè)混凝土板及連接兩側(cè)混凝土板的縱肋組成的特制空腔型預(yù)制構(gòu)件，主要用于裝配式建筑的內(nèi)墻； 墻板外側(cè)可設(shè)置外葉板及保溫板，可用于非夾心保溫外墻及夾心保溫外墻?？涨患瓤梢灾苯由舷仑炌?，也可以只設(shè)置在墻板下部鋼筋連接區(qū)域，通過(guò)設(shè)置在墻板上部的澆筑孔實(shí)現(xiàn)貫通。特殊的墻板生產(chǎn)技術(shù)確保兩側(cè)混凝土板內(nèi)的鋼筋在空腔內(nèi)部外露，通過(guò)現(xiàn)澆混凝土與插入空腔的下層墻板縱向鋼筋形成直接搭接連接。

圖1 縱肋剪力墻墻板示意圖

該體系預(yù)制墻板采用縱向受力鋼筋空腔內(nèi)搭接連接、空腔成型精確建造、結(jié)構(gòu)保溫裝飾一體化生產(chǎn)等技術(shù)，優(yōu)勢(shì)顯著：

1)避免了套筒灌漿連接產(chǎn)生的施工不便、檢測(cè)困難等問題；

2)形成了大尺寸預(yù)制墻板，降低了墻板接縫數(shù)量和吊運(yùn)、安裝頻次，有效提高了施工效率；

3)實(shí)現(xiàn)了預(yù)制外墻板裝飾、保溫與結(jié)構(gòu)同壽命，有效降低了維護(hù)成本；

4)體系整體性能良好，適用于80m以下高層建筑，有效解決鋼筋間接搭接連接結(jié)構(gòu)體系使用高度受限的問題；

5)體系經(jīng)濟(jì)效益良好，具有工廠投資少，轉(zhuǎn)產(chǎn)快等特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)算，主體結(jié)構(gòu)施工綜合成本可降低100元/m2以上。

2.1 混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

圖2 墻板類型示意圖

縱肋剪力墻墻板的混凝土部分主要由外葉板、保溫板、內(nèi)葉板和空腔等組成。按外葉板、保溫板的有無(wú)，可將墻板分為內(nèi)墻、外墻、夾心保溫外墻三種類型； 按橫截面形狀可將墻板分為I型墻板、L型墻板、T型墻板三種類型，如圖2所示?？涨豢筛鶕?jù)形狀及功能分為貫通空腔、底部空腔、邊空腔三種類型，如圖3所示。其中貫通空腔橫截面積大、體積大，減重效果好，混凝土澆筑便捷，相對(duì)應(yīng)的縱肋部分體積小，預(yù)留預(yù)埋布置較為困難； 底部空腔的底部橫截面與貫通空腔相似，上部為一直徑80mm的灌漿孔，灌漿孔頂部設(shè)置下料凹槽，因此底部空腔體積較小，減重效果較差，相應(yīng)的縱肋體積較大，預(yù)留預(yù)埋布置較為方便； 邊空腔是上述兩種空腔的補(bǔ)充，僅在墻板無(wú)法完全由貫通空腔與底部空腔排布時(shí)使用。

圖3 空腔示意圖

2.2 鋼筋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)位置，將鋼筋分為連梁、邊緣構(gòu)件、剪力墻、填充墻、窗下墻等區(qū)域。其中連梁、填充墻和窗下墻的配筋方式與傳統(tǒng)套筒灌漿剪力墻構(gòu)件配筋方式基本一致。邊緣構(gòu)件與剪力墻部分鋼筋主要做了以下修改：

1)豎向連接鋼筋上下皆采用環(huán)錨形式以減少鋼筋搭接長(zhǎng)度，同時(shí)剪力墻部分豎向連接鋼筋采用雙層Ф10@300，以減少豎向連接鋼筋數(shù)量；

2)在墻板底部鋼筋連接區(qū)域，增設(shè)豎向非連接鋼筋，用于設(shè)置拉筋。

3 配筋軟件開發(fā)

本文基于Revit API接口，對(duì)Revit軟件進(jìn)行二次開發(fā)[10]，實(shí)現(xiàn)了縱肋剪力墻墻板構(gòu)件中連梁、邊緣構(gòu)件、剪力墻、窗下墻、填充墻鋼筋的快速交互式創(chuàng)建，軟件界面如圖4所示。

圖4 縱肋剪力墻配筋軟件界面

為了使配筋程序能夠快速開發(fā)、易于擴(kuò)展、可靠運(yùn)行，使用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法進(jìn)行軟件開發(fā)，并且在鋼筋類內(nèi)部使用模板模式等設(shè)計(jì)模式進(jìn)行代碼編寫，軟件類圖如圖5所示。

圖5 縱肋剪力墻配筋軟件類圖

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有深化設(shè)計(jì)軟件的鋼筋建模流程分析可發(fā)現(xiàn)，主要的鋼筋建模流程分為兩類：一類為Revit、Tekla、ProStructure這類平臺(tái)型軟件所使用的全能型鋼筋建模流程，用戶選擇好對(duì)應(yīng)的鋼筋族以后，放置到模型中，再逐個(gè)調(diào)節(jié)屬性信息以將鋼筋調(diào)整為所需的尺寸并移動(dòng)到指定的位置，最后再通過(guò)復(fù)制或者陣列功能完成最終的繪制； 另一類為PKPM-PC、YJK-AMCS這類國(guó)產(chǎn)軟件所使用的全自動(dòng)鋼筋建模流程，用戶只需要輸入鋼筋直徑和鋼筋類型，軟件就會(huì)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的鋼筋及鋼筋陣列。

然而上述兩類建模流程在實(shí)際項(xiàng)目使用中都無(wú)法滿足使用要求，第一類方法雖然能夠滿足設(shè)計(jì)師對(duì)任意形式的鋼筋的繪制需求，但是步驟過(guò)于繁瑣，效率低下又無(wú)法滿足對(duì)深化設(shè)計(jì)周期的要求； 而第二類方法雖然建模效率很高，但是對(duì)預(yù)制構(gòu)件鋼筋骨架模型過(guò)于理想化，幾乎沒有給設(shè)計(jì)師調(diào)整空間，無(wú)法滿足預(yù)制構(gòu)件鋼筋骨架多樣化的建模需求。

綜合以上兩類建模流程，本文提出了一種半自動(dòng)的鋼筋建模流程，在滿足設(shè)計(jì)師對(duì)鋼筋建模靈活性的前提下最大限度提升鋼筋建模效率，剪力墻水平筋為例的鋼筋建模流程如圖6所示。

圖6 剪力墻水平筋建模流程

以剪力墻水平筋為例，配筋程序的具體操作步驟如下：

點(diǎn)擊剪力墻水平筋命令，根據(jù)提示點(diǎn)擊墻正面為工作平面，再點(diǎn)擊如圖7所示的墻板側(cè)邊線上的起點(diǎn)和終點(diǎn)；

圖7 鋼筋起點(diǎn)終點(diǎn)示意圖

彈出剪力墻水平筋設(shè)置窗口，如圖8所示，設(shè)置好對(duì)應(yīng)參數(shù)后點(diǎn)擊確定即可創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的剪力墻水平筋，如圖9所示。

此時(shí)可以使用Revit命令對(duì)生成的鋼筋進(jìn)行修改，再點(diǎn)擊鋼筋陣列命令，選擇需要陣列的剪力墻水平筋模型，彈出鋼筋陣列設(shè)置窗口，如圖10所示，按需輸入鋼筋間距，點(diǎn)擊確定即可生成鋼筋陣列模型，如圖11所示。

圖8 剪力墻水平筋設(shè)置界面

圖9 生成的剪力墻水平筋

圖10 鋼筋陣列設(shè)置窗口

圖11 陣列后的鋼筋模型

圖12 YWQ12配筋圖及鋼筋明細(xì)表

4 工程實(shí)例

某項(xiàng)目1#住宅樓為裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，豎向構(gòu)件全部采用縱肋剪力墻，建筑總高度46.3m，地下3層地上16層，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.8m，豎向構(gòu)件范圍為4～15層。選取1#樓中的YWQ12作為案例展示，YWQ12配筋圖如圖12所示。

首先使用Revit建立墻板混凝土部分模型，包括外葉板、保溫板、內(nèi)葉板和空腔。由YWQ12配筋圖及鋼筋明細(xì)表可知，YWQ12的鋼筋骨架由4種不同規(guī)格的縱筋、4種不同規(guī)格的箍筋和1種拉筋組成。

使用“縱肋剪力墻—鋼筋”軟件“邊緣構(gòu)件—縱筋”、“邊緣構(gòu)件—空腔附加筋”和“鋼筋陣列”功能完成縱筋部分鋼筋骨架建模，使用“邊緣構(gòu)件—箍筋”和“鋼筋陣列”功能完成箍筋部分鋼筋骨架建模，使用“拉筋”功能完成拉筋部分鋼筋骨架建模。構(gòu)件模型如圖13所示。

圖13 依托本文開發(fā)軟件建立的YWQ12模型

同時(shí)基于1#住宅樓開展了對(duì)比測(cè)試工作，在相同初始條件下(混凝土模型繪制完成，鋼筋族繪制完成)，相同人員(在BIM團(tuán)隊(duì)中選取一名具有代表性的從事一年以上裝配式BIM建模工作的較為掌握Revit軟件的BIM工程師)，相同工作量(1#住宅樓17塊外墻，1塊內(nèi)墻)，相比于使用Revit手動(dòng)建模30～60分鐘/塊的建模速度，使用“縱肋剪力墻—鋼筋”軟件后可以實(shí)現(xiàn)5-15分鐘/塊的建模速度，并且模型的準(zhǔn)確性和標(biāo)準(zhǔn)化程度更高，有利于與生產(chǎn)管理系統(tǒng)對(duì)接。

5 結(jié)論

綜上所述，本系統(tǒng)在縱肋剪力墻構(gòu)件配筋標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，基于Revit二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)縱肋剪力墻構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)，拓展了BIM技術(shù)在裝配式建筑深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為預(yù)制構(gòu)件鋼筋的深化及優(yōu)化，智能化下料、加工、隱檢，算量與成本控制提供了模型及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，本文的主要成果為：

(1)通過(guò)對(duì)縱肋剪力墻構(gòu)件配筋標(biāo)準(zhǔn)化，明確了常用鋼筋的種類、形狀、尺寸參數(shù)及編號(hào)，降低了軟件開發(fā)工作量。

(2)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有軟件鋼筋建模功能的研究和分析，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目的預(yù)制構(gòu)件鋼筋深化設(shè)計(jì)需求，提出了一種半自動(dòng)的鋼筋建模流程，通過(guò)在流程中主動(dòng)引入手動(dòng)調(diào)整步驟，極大的增加了軟件的靈活性，從而提升了配筋設(shè)計(jì)整體效率。

(3)通過(guò)某項(xiàng)目1#住宅樓項(xiàng)目案例的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多種墻板，包括L型墻板、T型墻板等異型墻板構(gòu)件的配筋設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了本文提出的方法和程序的實(shí)用性，為今后的全面推廣奠定良好基礎(chǔ)。