李 柏
(北京構(gòu)力科技有限公司,北京 100013)
隨著我國(guó)建筑行業(yè)的高速發(fā)展,工程建設(shè)相關(guān)方在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的需求與矛盾日益突出,主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量差、工地現(xiàn)場(chǎng)用工難、施工質(zhì)量問(wèn)題頻現(xiàn)、施工作業(yè)污染環(huán)境等方面。基于此,國(guó)家從2013年起開(kāi)始倡導(dǎo)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(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)水平仍舊停留在“設(shè)計(jì)——深化”兩階段工作的方式下[2-3]。由于裝配式建筑中預(yù)制構(gòu)件需要提前在工廠進(jìn)行生產(chǎn),因此,傳統(tǒng)的兩階段設(shè)計(jì)方式已不適用。
BIM是建筑信息模型的簡(jiǎn)稱,《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)其定義如下:在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi),對(duì)其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá),并依此設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的過(guò)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(diǎn),通過(guò)將傳統(tǒng)的二維工作升級(jí)到多維度,從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管控,有利于多方的協(xié)同工作。當(dāng)前,BIM技術(shù)作為建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要手段,已經(jīng)在建設(shè)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(yù)制構(gòu)件需要在工廠提前生產(chǎn),導(dǎo)致了構(gòu)件的設(shè)計(jì)需要多專(zhuān)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(duì)構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)提出了更高的要求,需要精細(xì)化設(shè)計(jì)與協(xié)同設(shè)計(jì)。在裝配式建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中引入BIM技術(shù)是一個(gè)相輔相成的組合方式,能夠同時(shí)發(fā)揮兩者的最大優(yōu)勢(shì),促進(jìn)建筑行業(yè)結(jié)合新技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步[6-8]。下文主要以國(guó)內(nèi)某裝配式住宅項(xiàng)目為例,詳細(xì)介紹基于BIM的裝配式一體化設(shè)計(jì)方法,考慮裝配式項(xiàng)目中主要以預(yù)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(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)過(guò)程。
本項(xiàng)目為上海市青浦區(qū)路勁松山住宅項(xiàng)目,規(guī)劃用地37 336.50m2,地上計(jì)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(yù)制率不低于40%,主要預(yù)制構(gòu)件為預(yù)制內(nèi)外墻板、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)板、預(yù)制疊合樓板、預(yù)制樓梯等。25#樓配套用房及26#~31#樓公共配套設(shè)施根據(jù)滬建管聯(lián)[2015]417號(hào)文件要求,不采用裝配式結(jié)構(gòu)。下文主要以本項(xiàng)目20#樓裝配整體式剪力墻為例進(jìn)行介紹,采用內(nèi)保溫形式,預(yù)制構(gòu)件類(lèi)型包括預(yù)制墻板、預(yù)制梁、預(yù)制板、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)、預(yù)制凸窗以及預(yù)制隔墻,裝配范圍是4~16 層。
前文所述目前國(guó)內(nèi)采用的設(shè)計(jì)方法主要是兩階段設(shè)計(jì),即施工圖設(shè)計(jì)與深化設(shè)計(jì),如圖1所示。兩階段設(shè)計(jì)分離增加了額外的溝通成本,極容易造成前后端設(shè)計(jì)思想的不一致,從而產(chǎn)生圖紙質(zhì)量問(wèn)題。尤其是裝配式混凝土建筑,在前期設(shè)計(jì)時(shí)要提前考慮專(zhuān)業(yè)間協(xié)同與后置因素的前置配合工作,如果設(shè)計(jì)人員對(duì)于后端生產(chǎn)、施工的工作內(nèi)容與方法不清楚,會(huì)造成設(shè)計(jì)與生產(chǎn)脫節(jié),深化設(shè)計(jì)無(wú)法繼承原有施工圖設(shè)計(jì)理念。
圖3 PKPM-PC裝配式一體化設(shè)計(jì)流程
圖1 兩階段設(shè)計(jì)方法
鑒于此,本文提出采用一體化設(shè)計(jì)方法的理念,即“方案設(shè)計(jì)——施工圖設(shè)計(jì)——深化設(shè)計(jì)”由統(tǒng)一的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一體化完成,確保前端的設(shè)計(jì)理念與后端的生產(chǎn)、施工因素有機(jī)結(jié)合,形成高效統(tǒng)一的解決方案,減少不必要的設(shè)計(jì)失誤與返工,如圖2所示。
圖2 一體化設(shè)計(jì)方法
本項(xiàng)目采用PKPM BIM平臺(tái)及基于此平臺(tái)開(kāi)發(fā)的PKPM-PC軟件進(jìn)行裝配式建筑的一體化設(shè)計(jì)[9-10],項(xiàng)目分為兩個(gè)重要的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn),分別為施工圖設(shè)計(jì)和深化設(shè)計(jì)。以結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)為例,該項(xiàng)目采用一體化設(shè)計(jì)的整體工作流程,如圖3所示。下文將針對(duì)一體化設(shè)計(jì)流程中各關(guān)鍵步驟展開(kāi)詳細(xì)介紹并展示應(yīng)用成果。
裝配式建筑的施工圖設(shè)計(jì)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(biāo)的統(tǒng)計(jì); 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)按照等同現(xiàn)澆原則進(jìn)行設(shè)計(jì),但需注意預(yù)制構(gòu)件間接縫的驗(yàn)算以及構(gòu)件短暫工況的設(shè)計(jì); 施工圖紙輸出時(shí)要明確體現(xiàn)預(yù)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(zhuān)業(yè)需要前置配合進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。
2.1.1 拆分方案
本項(xiàng)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(qiáng)部位以上采用預(yù)制構(gòu)件。預(yù)制構(gòu)件的拆分原則主要滿足標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化需要,同時(shí)為方便現(xiàn)場(chǎng)裝配連接,選取利于發(fā)揮預(yù)制構(gòu)件精度高、質(zhì)量好的部位。預(yù)制樓板區(qū)域整體厚度為180mm(預(yù)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(shè)計(jì),確保長(zhǎng)期使用情況下板底不會(huì)出現(xiàn)貫通裂縫。承重墻體厚度為200mm,主要采用預(yù)制剪力墻類(lèi)型,外墻保溫采用內(nèi)保溫形式,上、下層預(yù)制構(gòu)件的豎向鋼筋采用單排灌漿套筒進(jìn)行連接,如圖4所示,同一層內(nèi)相鄰預(yù)制墻體的豎向接縫采用“水平預(yù)留U型鋼筋+現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)附加封閉箍筋”的形式連接,如圖5所示。
圖6 標(biāo)準(zhǔn)層拆分平面
圖4 單排灌漿套筒連接
圖5 水平預(yù)留U型鋼筋+現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)附加封閉箍筋
除上述主要預(yù)制構(gòu)件類(lèi)型以外,為滿足裝配式整體指標(biāo)要求,20#樓的拆分方案還選擇了預(yù)制梁、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)、預(yù)制凸窗以及預(yù)制隔墻等構(gòu)件類(lèi)型,在此不再累述。圖6所示為標(biāo)準(zhǔn)層的拆分平面示意圖,單體預(yù)制率統(tǒng)計(jì)結(jié)果為41.2%。
本項(xiàng)目20#樓采用BIM建模方式,通過(guò)導(dǎo)入pm結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型(.jws格式文件),快速形成結(jié)構(gòu)BIM模型,并通過(guò)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化要求外,還需要考慮預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸、施工現(xiàn)場(chǎng)堆場(chǎng)及吊裝等需要,通過(guò)合理控制構(gòu)件尺寸和重量達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)化,如圖8所示。
經(jīng)過(guò)合理的拆分方案布置及調(diào)整后的模型可直接生成對(duì)應(yīng)裝配式整體指標(biāo),如預(yù)制率。本項(xiàng)目處于上海地區(qū),預(yù)制率按照上海市地方標(biāo)準(zhǔn),要求不低于40%,經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì),最終20#樓的預(yù)制率統(tǒng)計(jì)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(yù)制構(gòu)件吊裝重量檢查
圖9 預(yù)制率統(tǒng)計(jì)表
2.1.2 計(jì)算分析及施工圖紙
經(jīng)過(guò)拆分后的PKPM-PC模型可以接力到PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行整體計(jì)算分析,分析時(shí)需要注意兩點(diǎn):
(1)抗震設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)同一層內(nèi)既有現(xiàn)澆墻肢也有預(yù)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(yù)制混凝土構(gòu)件的保護(hù)層厚度應(yīng)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(gè)受力方向底筋+鋼筋桁架底筋)的疊放順序不同,對(duì)計(jì)算分析時(shí)受力底筋的保護(hù)層厚度取值不同。
整體計(jì)算完成后,可通過(guò)各類(lèi)型構(gòu)件選筋庫(kù)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件“高強(qiáng)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(dá)到將平法配筋轉(zhuǎn)化為預(yù)制構(gòu)件的三維實(shí)體鋼筋的目的,為后續(xù)深化設(shè)計(jì)提供良好的模型基礎(chǔ),如圖10所示。
圖10 平法配筋與預(yù)制構(gòu)件三維鋼筋
除了整體計(jì)算分析外,在裝配式建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目中還需要考慮構(gòu)件短暫工況的驗(yàn)算。所謂短暫工況驗(yàn)算,主要是指在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、施工過(guò)程中脫模、吊裝、安裝等工序產(chǎn)生的對(duì)于構(gòu)件臨時(shí)狀況的受力驗(yàn)算。通過(guò)短暫工況驗(yàn)算后,可以合理地確定預(yù)埋件的吊點(diǎn)位置、數(shù)量、規(guī)格等信息,同時(shí)確保預(yù)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(yàn)算計(jì)算書(shū)。
在完成以上計(jì)算及配筋工作后,可以利用BIM模型可出圖性的特點(diǎn),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(dòng)生成,其所包含的信息是完全正確的,從而大大提升了設(shè)計(jì)圖紙的質(zhì)量。圖12所示為PKPM-PC模型生成的標(biāo)準(zhǔn)層拆分平面布置圖。
圖11 疊合板短暫工況驗(yàn)算計(jì)算書(shū)
圖12 標(biāo)準(zhǔn)層拆分平面布置圖
一體化設(shè)計(jì)方法的核心在于將設(shè)計(jì)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(chǔ)上,繼承設(shè)計(jì)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(jī)電預(yù)留預(yù)埋配合等內(nèi)容深化完善預(yù)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(xiàng)目預(yù)制剪力墻外墻為例,為滿足施工免外模的需求,采用在預(yù)制墻體頂部設(shè)置180mm外翻邊,如圖13所示。同時(shí),為滿足工廠脫模、吊裝以及現(xiàn)場(chǎng)安裝需要,在墻體頂部及內(nèi)表面分別設(shè)置2個(gè)預(yù)埋吊釘和4個(gè)預(yù)埋錨栓。預(yù)埋件的設(shè)置可通過(guò)PKPM-PC程序提供的功能自動(dòng)布置,以滿足短暫工況驗(yàn)算要求。
圖13 預(yù)制外墻構(gòu)件
2.2.2 鋼筋排布方式
預(yù)制構(gòu)件的鋼筋連接方式與前期設(shè)計(jì)拆分方案有關(guān),深化設(shè)計(jì)階段主要是遵循前期設(shè)計(jì)理念,對(duì)照平法施工圖配筋細(xì)化排布三維鋼筋。對(duì)于各類(lèi)預(yù)制構(gòu)件的鋼筋深化應(yīng)滿足國(guó)家規(guī)范及圖集要求,準(zhǔn)確、合理地實(shí)現(xiàn)鋼筋錨固、搭接長(zhǎng)度的要求。仍以圖13中的預(yù)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(zhǎng)度應(yīng)滿足圖14所示要求; 水平分布筋采用預(yù)留U形鋼筋,相鄰墻體間的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度應(yīng)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(xì)化排布預(yù)制構(gòu)件自身的鋼筋外,通過(guò)BIM技術(shù)建立的深化設(shè)計(jì)模型還可以協(xié)助設(shè)計(jì)師解決預(yù)制構(gòu)件間鋼筋碰撞問(wèn)題,這是傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)較難實(shí)現(xiàn)的。PKPM-PC程序提供了鋼筋碰撞檢查功能,可以分預(yù)制構(gòu)件類(lèi)型快速發(fā)現(xiàn)鋼筋沖突部位,及時(shí)解決問(wèn)題,如圖15所示。
圖15 鋼筋碰撞檢查
2.2.3 機(jī)電預(yù)留預(yù)埋配合
裝配式預(yù)制構(gòu)件需要提前在工廠進(jìn)行生產(chǎn),前文所述構(gòu)件加工圖紙應(yīng)滿足全專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)要求,因此在深化設(shè)計(jì)階段需要解決機(jī)電提資配合問(wèn)題。采用BIM技術(shù)可以有效提高專(zhuān)業(yè)間協(xié)同工作的效率,同時(shí)確保提資信息的唯一性和準(zhǔn)確性。在PKPM-PC程序中,通過(guò)建立機(jī)電專(zhuān)業(yè)模型,并向結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)提交開(kāi)洞、預(yù)埋提資條件,由結(jié)構(gòu)工程師統(tǒng)一確認(rèn)后,可自動(dòng)生成預(yù)留孔洞和預(yù)埋線盒、線管等信息,具體流程如圖16所示。通過(guò)上述方法,可以高效地實(shí)現(xiàn)多專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)工作,這也是BIM技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)之一。
圖16 機(jī)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(guò)上述一系列的深化設(shè)計(jì)及調(diào)整,模型中的預(yù)制構(gòu)件可達(dá)到生產(chǎn)加工要求。目前國(guó)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(shè)備,因此預(yù)制構(gòu)件的加工詳圖在現(xiàn)階段是必須的。與施工圖設(shè)計(jì)階段類(lèi)似,構(gòu)件加工圖紙可由模型批量生成,在出圖前對(duì)模型中的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)和歸類(lèi),并按照工廠需求輸出加工圖紙,同時(shí)輸出預(yù)制構(gòu)件清單和材料統(tǒng)計(jì)清單等附加成果,如圖17、18所示。
圖17 疊合板詳圖
圖18 預(yù)制構(gòu)件清單
本項(xiàng)目將BIM技術(shù)應(yīng)用到裝配式建筑設(shè)計(jì)中,探索并研究國(guó)內(nèi)裝配式建筑基于BIM的一體化設(shè)計(jì)方法,總結(jié)項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的工作流程,采用BIM技術(shù)高效解決了項(xiàng)目圖紙輸出、裝配式指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、構(gòu)件深化設(shè)計(jì)、工程量清單計(jì)量等相關(guān)工作內(nèi)容。本文通過(guò)BIM技術(shù)與裝配式建筑設(shè)計(jì)的深度融合,展示了裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)以及推廣BIM應(yīng)用的實(shí)際價(jià)值,為國(guó)內(nèi)企業(yè)在裝配式建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目中實(shí)施BIM技術(shù)提供了參考。