呂濤

（太原市聚川建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所，山西 太原 030000）

0 引言

伴隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的水泥澆筑形式逐漸朝著裝配式混凝土結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。不僅如此，在先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的大力推動(dòng)下，在傳統(tǒng)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，又出現(xiàn)了基于BIM的新型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，更好的滿足了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)“一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化”等設(shè)計(jì)需求。為了推動(dòng)建筑行業(yè)的健康發(fā)展，有必要針對(duì)兩種裝配式混凝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)化研究。

1 傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1.1 結(jié)構(gòu)整體分析

根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ1—2014）》的相關(guān)要求，在絕大多數(shù)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，都可采用與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同的方法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。但是，如果在同一樓層當(dāng)中既有預(yù)制部分又有現(xiàn)澆抗側(cè)力構(gòu)件，則有必要在地震設(shè)計(jì)狀況下，對(duì)現(xiàn)澆抗側(cè)力構(gòu)件的彎矩和剪力進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?。在?shí)際工程中，我們常取1.1的放大系數(shù)。也就是說，當(dāng)鋼筋采取可靠的連接方式，新舊混凝土采取粗糙面、鍵槽等可靠措施保證連接成整體時(shí)，裝配整體式結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)是完全相同的。但實(shí)際施工中，由于各種原因不一定能達(dá)到理想的效果，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中需要考慮由于連接等構(gòu)造帶來的不利影響?！兑?guī)范》對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)最大使用高度在豎向構(gòu)件采用裝配時(shí)（50%、80%以上時(shí)）有所降低，以及現(xiàn)澆抗側(cè)力構(gòu)件地震力放大，抗震等級(jí)要求更高，都是考慮到這方面的影響?？傊?，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，仍以常規(guī)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果也仍以《抗震規(guī)范》《混凝土規(guī)范》《高規(guī)》等規(guī)范進(jìn)行控制，只是一些抗震構(gòu)造的要求適當(dāng)提高。

1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)之前，需要設(shè)計(jì)人員事先針對(duì)預(yù)制柱、疊合梁及鋼筋桁架疊合樓板等構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算與分析，之后再依據(jù)分析結(jié)果展開相關(guān)設(shè)計(jì)。例如在設(shè)計(jì)疊合板時(shí)，分別對(duì)單向板和雙向板進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)算經(jīng)濟(jì)合理性。又或采用多種幾何參數(shù)和優(yōu)化鋼筋的配置，以得到最合理的設(shè)計(jì)方案。

1.3 預(yù)制構(gòu)件的拆分設(shè)計(jì)

在進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)的過程中，需要在滿足施工要求的同時(shí)，最大限度體現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的使用功能。在設(shè)計(jì)裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，拆分方案一般有兩種，邊緣構(gòu)件全部現(xiàn)澆，非邊緣構(gòu)件預(yù)制和邊緣構(gòu)件部分現(xiàn)澆，水平鋼筋環(huán)插筋連接。無論哪種拆分方式都存在一些問題。比如邊緣構(gòu)件箍筋承擔(dān)水平剪力，使預(yù)制墻板變成了豎向傳力構(gòu)件，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體傳力途徑不清晰；墻體鋼筋在樓層處有一半采用灌漿套筒連接，另一半不直接連接，導(dǎo)致此處抗剪差，墻體層與層連接削弱。目前豎向構(gòu)件設(shè)計(jì)中我們還是采取邊緣構(gòu)件現(xiàn)澆，一字型墻體預(yù)制（適當(dāng)比例）這種方式，今后會(huì)繼續(xù)進(jìn)行更多深化設(shè)計(jì)，在安全可靠的前提下，以提高豎向構(gòu)件裝配率。

1.4 構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

從某種意義上看，裝配式結(jié)構(gòu)是通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相互連接而實(shí)現(xiàn)的，而且不同的配式結(jié)構(gòu)，同時(shí)時(shí)存在多種連接方式供設(shè)計(jì)人員選擇。比如在高效化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、全裝配式結(jié)構(gòu)體系、連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)都是比較常用的設(shè)計(jì)手法；除此之外，還可以根據(jù)施工需要，采用地上裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接方法；通過榫接連接方式或者張拉法連接方式，同樣可以保證裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)受力的可靠性[1]。在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員可以在預(yù)制柱連接、疊合梁與預(yù)制柱連接、樓板與柱的連接等多種方法當(dāng)中進(jìn)行合理選擇，還可以采用多種方法相結(jié)合的方式滿足裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

1.5 有限元分析設(shè)計(jì)

在有限元分析設(shè)計(jì)中，需要先將彈性連續(xù)體離散成多個(gè)有限個(gè)單元，之后再采用角點(diǎn)鉸接的方式進(jìn)行組合。在這個(gè)離散與組合的過程中，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)每個(gè)單元體受力與變形關(guān)系進(jìn)行科學(xué)化分析，使連接件個(gè)數(shù)和間距得到優(yōu)化調(diào)整，力爭(zhēng)在各個(gè)單元重組之后，使樓層受力情況得到最大限度的改善，更好的滿足建筑設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行有限元設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用ANSYS軟件獲取到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的極限承載力，借助這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)受力特征的全面認(rèn)知，以此來保證設(shè)計(jì)方案的科學(xué)合理性；還可以采用非線性有限元分析軟件對(duì)各個(gè)有限元進(jìn)行更加深入透徹的分析，使單元?jiǎng)澐?、本?gòu)模型選取以及邊界條件得到更加科學(xué)合理的設(shè)置[2]；通過使用有限元軟件ABAQUS，可以在不同受力條件下，支裝配式連接節(jié)點(diǎn)以及現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和位移情況進(jìn)行精準(zhǔn)分析。但是，這也在某種程度上說明了在裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)連接的抗疲勞性方面還有待提升。

2 基于BIM的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

2.1 裝配式參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

經(jīng)過以往的設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，使用裝配式參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，可以使建筑實(shí)現(xiàn)從單元到整體的優(yōu)化與完善，更好的滿足建筑、結(jié)構(gòu)以及機(jī)電設(shè)備等多個(gè)環(huán)節(jié)的專業(yè)化、綜合型設(shè)計(jì)要求[3]。在基于BIM的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以說參數(shù)化設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的核心，而標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)又是裝配式設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。所以，參數(shù)化設(shè)計(jì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要保障。BIM系統(tǒng)可將同類構(gòu)件整合到一起，組建起一個(gè)構(gòu)件庫。設(shè)計(jì)人員在構(gòu)件庫當(dāng)中查詢所需要的構(gòu)件，如果庫中沒有此構(gòu)件，則可以通過參數(shù)化設(shè)置創(chuàng)建一個(gè)新構(gòu)件，使那些特殊化建筑布局要求得到滿足。

2.2 裝配式結(jié)構(gòu)拆分設(shè)計(jì)方法

基于BIM進(jìn)行裝配式混凝土構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)，可以幫助設(shè)計(jì)人員繪制出更加專業(yè)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖。以裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)人員繪制出預(yù)制外墻拆分圖，再利用BIM對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行編碼，為后續(xù)施工環(huán)節(jié)提供便利條件。目前，有一種新型建筑、結(jié)構(gòu)和水電等專業(yè)模型，輔助設(shè)計(jì)人員完成參數(shù)化節(jié)點(diǎn)拆分設(shè)計(jì)。這種方法是先使用專業(yè)軟件將建筑和水電模型轉(zhuǎn)換成BIM模型，使裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系以構(gòu)件的形式出現(xiàn)，使設(shè)計(jì)過程變得更加高效便捷，設(shè)計(jì)方案也更加科學(xué)合理。國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM、YJK均設(shè)置了與Revit Structure互通的接口，各專業(yè)設(shè)計(jì)人員可以很方便的將各自內(nèi)容反映到一個(gè)平臺(tái)，使BIM模型更為準(zhǔn)確和完善。因?yàn)樵赗evit拆分設(shè)計(jì)流程當(dāng)中融入了三維可視化環(huán)節(jié)，所以與傳統(tǒng)的CAD拆分相比，Revit拆分更加便于構(gòu)件的拆分設(shè)計(jì)與后期組裝[4]。除此之外，還可以通過預(yù)制建筑集成法與BIM技術(shù)的相互結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)模塊化拆分設(shè)計(jì)，這一方法的誕生與應(yīng)用，為裝配式建筑的創(chuàng)新發(fā)展提供了巨大支持。

3 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與基于BIM的設(shè)計(jì)方法對(duì)比

在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)模式下，工程圖紙都是以手工制圖的方式來呈現(xiàn)的，而基于BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了制圖效果的可視化與模型化，極大的提升設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)效率。比如工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和CAD軟件，構(gòu)建起標(biāo)準(zhǔn)化、批量化出圖這一新型模式，極大的提高了繪圖質(zhì)量與設(shè)計(jì)效率。而BIM無疑提供了更加先進(jìn)直觀的設(shè)計(jì)模式，借助3D建筑模型為人們呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的集成信息體。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與基于BIM的設(shè)計(jì)方法主要存在以下區(qū)別：首先，設(shè)計(jì)依據(jù)方面。在傳統(tǒng)的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式下，是將3D建筑轉(zhuǎn)變成為2D的三視圖，設(shè)計(jì)人員需要依據(jù)眾多建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行繪制，當(dāng)涉及一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，則需要繪制大量平面圖呈現(xiàn)出建筑設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。在這個(gè)過程當(dāng)中，非常容易出現(xiàn)各種人為疏忽與紕漏，給后續(xù)施工環(huán)節(jié)造成較大影響。而BIM不僅可以直觀地展示建筑，還可以準(zhǔn)確定位某一結(jié)構(gòu)的空間位置，對(duì)于那些復(fù)雜構(gòu)件可以采用三維視圖展示其結(jié)構(gòu)形態(tài)。設(shè)計(jì)人員還可以借助BIM建立預(yù)制構(gòu)件庫，全面實(shí)現(xiàn)信息共享，還可以通過查看BIM信息模型及時(shí)檢查是否存在設(shè)計(jì)缺陷，最大限度減少設(shè)計(jì)問題[5]；其次，設(shè)計(jì)思路方面。在傳統(tǒng)的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，是按照先整體后拆分這一思路完成方案設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法極大增加了構(gòu)件數(shù)目和設(shè)計(jì)工作量，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率低下。而基于BIM進(jìn)行裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將一些常用預(yù)制構(gòu)件事先存入到構(gòu)件庫當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員直拉進(jìn)行調(diào)用即可，從根本上滿足了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工業(yè)化、模塊化的發(fā)展需求，推動(dòng)了建筑行業(yè)的健康發(fā)展。

4 結(jié)語

在當(dāng)前的建筑工程領(lǐng)域內(nèi)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出越來越高應(yīng)用率與應(yīng)用水平，各種新型裝配式結(jié)構(gòu)體系也得了大規(guī)模推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式相比，基于BIM的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為整個(gè)設(shè)計(jì)工作提供了極大的技術(shù)支持與數(shù)據(jù)支撐。而裝配式建筑的未來發(fā)展，也借助BIM技術(shù)獲得更加順暢的發(fā)展。