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        基于BIM的裝配式建筑一體化設計方法研究

        2021-04-12 09:58:52
        土木建筑工程信息技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:預制構(gòu)件現(xiàn)澆裝配式

        李 柏

        (北京構(gòu)力科技有限公司,北京 100013)

        引言

        隨著我國建筑行業(yè)的高速發(fā)展,工程建設相關(guān)方在項目建設過程中的需求與矛盾日益突出,主要體現(xiàn)在設計圖紙質(zhì)量差、工地現(xiàn)場用工難、施工質(zhì)量問題頻現(xiàn)、施工作業(yè)污染環(huán)境等方面?;诖?,國家從2013年起開始倡導大力發(fā)展工業(yè)化建筑,而裝配式建筑作為工業(yè)化建筑的典型代表,隨著近些年的研究與發(fā)展,已經(jīng)逐步成熟并推廣使用[1]。然而,現(xiàn)階段國內(nèi)的設計水平仍舊停留在“設計——深化”兩階段工作的方式下[2-3]。由于裝配式建筑中預制構(gòu)件需要提前在工廠進行生產(chǎn),因此,傳統(tǒng)的兩階段設計方式已不適用。

        BIM是建筑信息模型的簡稱,《建筑信息模型應用統(tǒng)一標準》中對其定義如下:在建設工程及設施全生命期內(nèi),對其物理和功能特性進行數(shù)字化表達,并依此設計、施工、運營的過程和結(jié)果的總稱。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點,通過將傳統(tǒng)的二維工作升級到多維度,從而實現(xiàn)精細化管控,有利于多方的協(xié)同工作。當前,BIM技術(shù)作為建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段,已經(jīng)在建設行業(yè)各參與方中大范圍摸索并推廣使用[4-5]。

        如前所述,裝配式建筑的預制構(gòu)件需要在工廠提前生產(chǎn),導致了構(gòu)件的設計需要多專業(yè)協(xié)同,甚至包括后續(xù)生產(chǎn)、施工作業(yè)的前置配合等內(nèi)容,這對構(gòu)件的深化設計提出了更高的要求,需要精細化設計與協(xié)同設計。在裝配式建筑設計過程中引入BIM技術(shù)是一個相輔相成的組合方式,能夠同時發(fā)揮兩者的最大優(yōu)勢,促進建筑行業(yè)結(jié)合新技術(shù)發(fā)展與進步[6-8]。下文主要以國內(nèi)某裝配式住宅項目為例,詳細介紹基于BIM的裝配式一體化設計方法,考慮裝配式項目中主要以預制構(gòu)件的深化加工為主,因此本文主要側(cè)重于結(jié)構(gòu)專業(yè)的設計過程。

        1 項目概述與設計方法

        本項目為上海市青浦區(qū)路勁松山住宅項目,規(guī)劃用地37 336.50m2,地上計容建筑面積56 004.75m2,一共有31棟樓,1#~18#低層住宅及19#~24#高層住宅均采用裝配式結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)體系均采用裝配整體式剪力墻,裝配式建筑面積占總建筑面積比例不低于100%,單體預制率不低于40%,主要預制構(gòu)件為預制內(nèi)外墻板、預制陽臺板、預制疊合樓板、預制樓梯等。25#樓配套用房及26#~31#樓公共配套設施根據(jù)滬建管聯(lián)[2015]417號文件要求,不采用裝配式結(jié)構(gòu)。下文主要以本項目20#樓裝配整體式剪力墻為例進行介紹,采用內(nèi)保溫形式,預制構(gòu)件類型包括預制墻板、預制梁、預制板、預制樓梯、預制陽臺、預制凸窗以及預制隔墻,裝配范圍是4~16 層。

        前文所述目前國內(nèi)采用的設計方法主要是兩階段設計,即施工圖設計與深化設計,如圖1所示。兩階段設計分離增加了額外的溝通成本,極容易造成前后端設計思想的不一致,從而產(chǎn)生圖紙質(zhì)量問題。尤其是裝配式混凝土建筑,在前期設計時要提前考慮專業(yè)間協(xié)同與后置因素的前置配合工作,如果設計人員對于后端生產(chǎn)、施工的工作內(nèi)容與方法不清楚,會造成設計與生產(chǎn)脫節(jié),深化設計無法繼承原有施工圖設計理念。

        圖3 PKPM-PC裝配式一體化設計流程

        圖1 兩階段設計方法

        鑒于此,本文提出采用一體化設計方法的理念,即“方案設計——施工圖設計——深化設計”由統(tǒng)一的設計團隊一體化完成,確保前端的設計理念與后端的生產(chǎn)、施工因素有機結(jié)合,形成高效統(tǒng)一的解決方案,減少不必要的設計失誤與返工,如圖2所示。

        圖2 一體化設計方法

        2 設計流程與應用

        本項目采用PKPM BIM平臺及基于此平臺開發(fā)的PKPM-PC軟件進行裝配式建筑的一體化設計[9-10],項目分為兩個重要的設計節(jié)點,分別為施工圖設計和深化設計。以結(jié)構(gòu)專業(yè)為例,該項目采用一體化設計的整體工作流程,如圖3所示。下文將針對一體化設計流程中各關(guān)鍵步驟展開詳細介紹并展示應用成果。

        2.1 施工圖設計

        裝配式建筑的施工圖設計要求與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑不盡相同,在前期需要完成拆分方案的布置以及裝配式指標的統(tǒng)計; 結(jié)構(gòu)計算分析時按照等同現(xiàn)澆原則進行設計,但需注意預制構(gòu)件間接縫的驗算以及構(gòu)件短暫工況的設計; 施工圖紙輸出時要明確體現(xiàn)預制構(gòu)件的拆分結(jié)果以及典型構(gòu)件做法。此外,考慮后續(xù)生產(chǎn)以及施工因素的影響,部分專業(yè)需要前置配合進行協(xié)同設計。

        2.1.1 拆分方案

        本項目20#樓結(jié)構(gòu)形式為裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu),依據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》6.1.8條要求,底部加強部位以上采用預制構(gòu)件。預制構(gòu)件的拆分原則主要滿足標準化、模數(shù)化需要,同時為方便現(xiàn)場裝配連接,選取利于發(fā)揮預制構(gòu)件精度高、質(zhì)量好的部位。預制樓板區(qū)域整體厚度為180mm(預制板厚度100mm,后澆混凝土疊合層80mm),采用整體式接縫,即按照雙向板設計,確保長期使用情況下板底不會出現(xiàn)貫通裂縫。承重墻體厚度為200mm,主要采用預制剪力墻類型,外墻保溫采用內(nèi)保溫形式,上、下層預制構(gòu)件的豎向鋼筋采用單排灌漿套筒進行連接,如圖4所示,同一層內(nèi)相鄰預制墻體的豎向接縫采用“水平預留U型鋼筋+現(xiàn)澆節(jié)點附加封閉箍筋”的形式連接,如圖5所示。

        圖6 標準層拆分平面

        圖4 單排灌漿套筒連接

        圖5 水平預留U型鋼筋+現(xiàn)澆節(jié)點附加封閉箍筋

        除上述主要預制構(gòu)件類型以外,為滿足裝配式整體指標要求,20#樓的拆分方案還選擇了預制梁、預制樓梯、預制陽臺、預制凸窗以及預制隔墻等構(gòu)件類型,在此不再累述。圖6所示為標準層的拆分平面示意圖,單體預制率統(tǒng)計結(jié)果為41.2%。

        本項目20#樓采用BIM建模方式,通過導入pm結(jié)構(gòu)計算分析模型(.jws格式文件),快速形成結(jié)構(gòu)BIM模型,并通過PKPM-PC提供的拆分功能完成各樓層的拆分方案,如圖7所示。拆分方案除滿足設計標準化和模數(shù)化要求外,還需要考慮預制構(gòu)件運輸、施工現(xiàn)場堆場及吊裝等需要,通過合理控制構(gòu)件尺寸和重量達到經(jīng)濟效益最優(yōu)化,如圖8所示。

        經(jīng)過合理的拆分方案布置及調(diào)整后的模型可直接生成對應裝配式整體指標,如預制率。本項目處于上海地區(qū),預制率按照上海市地方標準,要求不低于40%,經(jīng)過統(tǒng)計,最終20#樓的預制率統(tǒng)計結(jié)果為41.2%,符合要求,如圖9所示。

        圖7 PKPM-PC樓層拆分方案

        圖8 預制構(gòu)件吊裝重量檢查

        圖9 預制率統(tǒng)計表

        2.1.2 計算分析及施工圖紙

        經(jīng)過拆分后的PKPM-PC模型可以接力到PKPM結(jié)構(gòu)設計軟件中進行整體計算分析,分析時需要注意兩點:

        (1)抗震設計時,對同一層內(nèi)既有現(xiàn)澆墻肢也有預制墻肢的裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu),現(xiàn)澆墻肢水平地震作用彎矩、剪力宜乘以不小于1.1的增大系數(shù);

        (2)預制混凝土構(gòu)件的保護層厚度應考慮裝配式特殊的工藝做法造成的影響,如:疊合板三層底筋(兩個受力方向底筋+鋼筋桁架底筋)的疊放順序不同,對計算分析時受力底筋的保護層厚度取值不同。

        整體計算完成后,可通過各類型構(gòu)件選筋庫的設置實現(xiàn)預制構(gòu)件“高強度、大直徑”原則下的平法配筋,配筋結(jié)果可讀取回PKPM-PC模型,從而達到將平法配筋轉(zhuǎn)化為預制構(gòu)件的三維實體鋼筋的目的,為后續(xù)深化設計提供良好的模型基礎,如圖10所示。

        圖10 平法配筋與預制構(gòu)件三維鋼筋

        除了整體計算分析外,在裝配式建筑設計項目中還需要考慮構(gòu)件短暫工況的驗算。所謂短暫工況驗算,主要是指在預制構(gòu)件生產(chǎn)、施工過程中脫模、吊裝、安裝等工序產(chǎn)生的對于構(gòu)件臨時狀況的受力驗算。通過短暫工況驗算后,可以合理地確定預埋件的吊點位置、數(shù)量、規(guī)格等信息,同時確保預制構(gòu)件自身的受力滿足要求。圖11所示為20#樓中某塊疊合板的短暫工況驗算計算書。

        在完成以上計算及配筋工作后,可以利用BIM模型可出圖性的特點,由模型快速生成相關(guān)施工圖紙,包括各層模板圖、配筋圖以及拆分平面布置圖等。由于圖紙是由BIM模型自動生成,其所包含的信息是完全正確的,從而大大提升了設計圖紙的質(zhì)量。圖12所示為PKPM-PC模型生成的標準層拆分平面布置圖。

        圖11 疊合板短暫工況驗算計算書

        圖12 標準層拆分平面布置圖

        2.2 深化設計

        一體化設計方法的核心在于將設計階段的模型及輸出成果延續(xù),在裝配式拆分及配筋模型的基礎上,繼承設計階段的受力分析理念,并結(jié)合裝配式建筑的特殊構(gòu)造做法、生產(chǎn)及施工安裝中的工藝做法、鋼筋的排布方式以及機電預留預埋配合等內(nèi)容深化完善預制構(gòu)件,輸出構(gòu)件加工詳圖,并給出算量清單,以數(shù)據(jù)化方式支撐工廠生產(chǎn)。

        2.2.1 工藝做法處理

        裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑在構(gòu)造做法上存在著明顯的差別,主要體現(xiàn)在構(gòu)件外形、防水保溫處理以及施工工法選擇等方面。以本項目預制剪力墻外墻為例,為滿足施工免外模的需求,采用在預制墻體頂部設置180mm外翻邊,如圖13所示。同時,為滿足工廠脫模、吊裝以及現(xiàn)場安裝需要,在墻體頂部及內(nèi)表面分別設置2個預埋吊釘和4個預埋錨栓。預埋件的設置可通過PKPM-PC程序提供的功能自動布置,以滿足短暫工況驗算要求。

        圖13 預制外墻構(gòu)件

        2.2.2 鋼筋排布方式

        預制構(gòu)件的鋼筋連接方式與前期設計拆分方案有關(guān),深化設計階段主要是遵循前期設計理念,對照平法施工圖配筋細化排布三維鋼筋。對于各類預制構(gòu)件的鋼筋深化應滿足國家規(guī)范及圖集要求,準確、合理地實現(xiàn)鋼筋錨固、搭接長度的要求。仍以圖13中的預制剪力墻為例,豎向鋼筋采用單排灌漿套筒形式連接,鋼筋伸入上下層墻體的長度應滿足圖14所示要求; 水平分布筋采用預留U形鋼筋,相鄰墻體間的現(xiàn)澆節(jié)點長度應滿足圖5所示要求。

        圖14 豎向分布鋼筋單排灌漿套筒連接構(gòu)造示意

        除了細化排布預制構(gòu)件自身的鋼筋外,通過BIM技術(shù)建立的深化設計模型還可以協(xié)助設計師解決預制構(gòu)件間鋼筋碰撞問題,這是傳統(tǒng)二維設計較難實現(xiàn)的。PKPM-PC程序提供了鋼筋碰撞檢查功能,可以分預制構(gòu)件類型快速發(fā)現(xiàn)鋼筋沖突部位,及時解決問題,如圖15所示。

        圖15 鋼筋碰撞檢查

        2.2.3 機電預留預埋配合

        裝配式預制構(gòu)件需要提前在工廠進行生產(chǎn),前文所述構(gòu)件加工圖紙應滿足全專業(yè)設計要求,因此在深化設計階段需要解決機電提資配合問題。采用BIM技術(shù)可以有效提高專業(yè)間協(xié)同工作的效率,同時確保提資信息的唯一性和準確性。在PKPM-PC程序中,通過建立機電專業(yè)模型,并向結(jié)構(gòu)專業(yè)提交開洞、預埋提資條件,由結(jié)構(gòu)工程師統(tǒng)一確認后,可自動生成預留孔洞和預埋線盒、線管等信息,具體流程如圖16所示。通過上述方法,可以高效地實現(xiàn)多專業(yè)之間的協(xié)同設計工作,這也是BIM技術(shù)帶來的優(yōu)勢之一。

        圖16 機電提資閉環(huán)工作流

        2.2.4 構(gòu)件詳圖及工程量清單

        經(jīng)過上述一系列的深化設計及調(diào)整,模型中的預制構(gòu)件可達到生產(chǎn)加工要求。目前國內(nèi)大多數(shù)構(gòu)件廠仍需要根據(jù)圖紙人工將數(shù)據(jù)信息錄入生產(chǎn)加工設備,因此預制構(gòu)件的加工詳圖在現(xiàn)階段是必須的。與施工圖設計階段類似,構(gòu)件加工圖紙可由模型批量生成,在出圖前對模型中的預制構(gòu)件進行編號和歸類,并按照工廠需求輸出加工圖紙,同時輸出預制構(gòu)件清單和材料統(tǒng)計清單等附加成果,如圖17、18所示。

        圖17 疊合板詳圖

        圖18 預制構(gòu)件清單

        3 結(jié)論

        本項目將BIM技術(shù)應用到裝配式建筑設計中,探索并研究國內(nèi)裝配式建筑基于BIM的一體化設計方法,總結(jié)項目設計階段的工作流程,采用BIM技術(shù)高效解決了項目圖紙輸出、裝配式指標統(tǒng)計、結(jié)構(gòu)計算分析、構(gòu)件深化設計、工程量清單計量等相關(guān)工作內(nèi)容。本文通過BIM技術(shù)與裝配式建筑設計的深度融合,展示了裝配式建筑的優(yōu)勢特點以及推廣BIM應用的實際價值,為國內(nèi)企業(yè)在裝配式建筑設計項目中實施BIM技術(shù)提供了參考。

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