張植偉，方長(zhǎng)江，任俊杰，王勝新，戴 標(biāo)

(中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430068)

0 引言

鋼混裝配式建筑是由鋼結(jié)構(gòu)與混凝土預(yù)制構(gòu)件組成的新型裝配結(jié)構(gòu)，該組合形式裝配率高、結(jié)構(gòu)剛度大、自重輕、抗震性能好、節(jié)能環(huán)保。鋼混裝配式結(jié)構(gòu)涉及專業(yè)較多，建造過(guò)程中跨專業(yè)、跨單位間的溝通頻繁，然而CAD設(shè)計(jì)加工圖紙復(fù)雜繁多，各參建單位間交流不暢，易導(dǎo)致構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理，產(chǎn)品尺寸偏差大，使鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)制構(gòu)件無(wú)法有效連接，從而影響裝配式建筑質(zhì)量。

BIM技術(shù)以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將項(xiàng)目全生命周期中各專業(yè)數(shù)據(jù)信息整合在建筑模型中，以單一數(shù)據(jù)庫(kù)向各階段、各專業(yè)工程師提供準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)加工參數(shù)，通過(guò)施工模擬進(jìn)行預(yù)生產(chǎn)、預(yù)拼裝，驗(yàn)證施工方案的可靠性，保證工程各階段更好地銜接。

因此，BIM技術(shù)結(jié)合鋼混裝配式建筑，可提高專業(yè)間的溝通效率，加大鋼混節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)深度，降低預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)誤差，提前發(fā)現(xiàn)拼裝施工難點(diǎn)，驗(yàn)證安裝施工方案可行性，提升鋼混裝配式建筑的施工效率及工程質(zhì)量。

1 工程概況

某大劇院項(xiàng)目的后舞臺(tái)樓板區(qū)域長(zhǎng)23m、寬22m、層高18.7m，為實(shí)現(xiàn)大跨度、高凈空的建筑效果，選擇鋼混裝配式預(yù)制條形板空心樓蓋方案(見(jiàn)圖1)。裝配式樓蓋四周設(shè)置U形鋼主梁，中間鋪設(shè)型鋼次梁，板區(qū)采用雙肋梁預(yù)制條形板，條形板間通過(guò)半灌漿套筒連成雙向受力整體底板。鋼混裝配式樓蓋構(gòu)造如圖2所示。

圖1 大劇院效果

圖2 鋼混裝配式樓蓋構(gòu)造

該樓蓋結(jié)構(gòu)施工時(shí)涉及鋼結(jié)構(gòu)、土建、裝配式等多專業(yè)，預(yù)制構(gòu)件間通過(guò)定位誤差在2mm內(nèi)的高精度半灌漿套筒相連。鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)制構(gòu)件間存在13種132組連接節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)復(fù)雜，生產(chǎn)精度要求高。安裝作業(yè)在離地面23m高的屋面進(jìn)行，施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。

基于上述施工重難點(diǎn)，項(xiàng)目技術(shù)團(tuán)隊(duì)擬發(fā)揮BIM技術(shù)參數(shù)化、可視化、高仿真、協(xié)同作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，深入該鋼混裝配式空心樓蓋施工的各階段，提升施工質(zhì)量。

2 基于BIM模型的鋼混裝配式資源庫(kù)建立

建立鋼混裝配式建筑BIM資源庫(kù)，以高精度BIM模型為信息載體，利用模型豐富的幾何信息，使構(gòu)件參數(shù)提取更準(zhǔn)確，通過(guò)參數(shù)化建模使圖紙修改更加便捷。

2.1 參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)建立

鋼混裝配式建筑構(gòu)件繁多，在較長(zhǎng)的施工周期中，涉及構(gòu)件規(guī)格參數(shù)的設(shè)計(jì)變更、方案調(diào)整等均需修改相應(yīng)圖紙。傳統(tǒng)單張CAD圖紙對(duì)構(gòu)件三維參數(shù)表達(dá)不全面，構(gòu)件調(diào)整后需修改多張圖紙，任務(wù)龐雜繁多，工作效率低下。

利用BIM技術(shù)創(chuàng)建預(yù)制條形板、半灌漿套筒、主次鋼梁、鋼抱箍、線槽等組件的參數(shù)族，按照設(shè)計(jì)要求設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，并對(duì)參數(shù)間進(jìn)行相互約束關(guān)聯(lián)。構(gòu)件參數(shù)修改方案僅需輸入調(diào)整后的設(shè)計(jì)參數(shù)，接口將自動(dòng)生成模型。同時(shí)，通過(guò)BIM模型生成的構(gòu)件加工圖也將同步更新，無(wú)須人工依次修改各立面、剖面、節(jié)點(diǎn)圖。

BIM參數(shù)化模型除尺寸參數(shù)外，可附加材質(zhì)信息、定位信息、開(kāi)孔信息、構(gòu)件編號(hào)等。建立完整的BIM構(gòu)件模型庫(kù)后，鋼結(jié)構(gòu)單位及預(yù)制廠可在不同階段快速提取生產(chǎn)所需參數(shù)，取消大量CAD圖紙更新查找工作，避免關(guān)聯(lián)圖紙更新不及時(shí)導(dǎo)致生產(chǎn)加工參數(shù)錯(cuò)誤、生產(chǎn)構(gòu)件報(bào)廢等施工事故。參數(shù)完善、精度高的構(gòu)件可直接生成BOM清單，用于數(shù)字一體化生產(chǎn)，徹底消除人工制作誤差，提高構(gòu)件精度。

2.2 BIM構(gòu)件拆分

該項(xiàng)目綜合考慮模臺(tái)制作尺寸、預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸車型號(hào)，確定單塊預(yù)制條形板標(biāo)準(zhǔn)件尺寸為10.3m×0.7m×0.6m。條形板長(zhǎng)、寬尺寸與主次鋼梁間距未成整數(shù)倍關(guān)聯(lián)，整塊空心樓蓋拆分后仍存在非標(biāo)準(zhǔn)件。為降低生產(chǎn)難度，減少模具制作費(fèi)用，需嘗試多種預(yù)制條形板排列組合方案。

傳統(tǒng)人工排列計(jì)算工程量大，利用Revit軟件中的Dynamo可視化編程模塊，編輯可視化拆分程序，拾取需要拆分的樓板作為程序運(yùn)行載體，運(yùn)行程序后按照既定尺寸單元自動(dòng)拆分樓板，拆分后設(shè)空心模盒，通過(guò)檢查構(gòu)件連接點(diǎn)驗(yàn)證拆分效果，多次拆分后選擇非標(biāo)準(zhǔn)件種類最少的組合方案。即預(yù)制條形板標(biāo)準(zhǔn)件為66塊，非標(biāo)準(zhǔn)件尺寸為9.7m×0.7m×0.6m，共4塊，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。樓板拆分前后對(duì)比如圖3所示。

圖3 樓板拆分前后對(duì)比

3 BIM技術(shù)在深化設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

3.1 BIM協(xié)同作業(yè)機(jī)制完善

鋼混裝配式空心樓蓋涉及預(yù)制條形板深化、模具設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)深化、鋼筋優(yōu)化、灌漿套筒排布等工作，各深化板塊分屬不同單位、不同設(shè)計(jì)人員，易造成信息分裂，產(chǎn)生信息孤島，且傳統(tǒng)二維圖紙無(wú)法全面反饋專業(yè)間的設(shè)計(jì)沖突。

為提高深化設(shè)計(jì)效率，利用BIM協(xié)同作業(yè)機(jī)制，建立Revit工作集，將鋼混裝配式疊合空心板中所有專業(yè)的設(shè)計(jì)、深化內(nèi)容在一個(gè)中心模型中同步進(jìn)行，保證設(shè)計(jì)信息雙向傳遞(見(jiàn)圖4)。具體操作步驟如下：建立土建專業(yè)中心模型，根據(jù)具體深化內(nèi)容，以中心模型為載體設(shè)置預(yù)制條形板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼筋及灌漿套筒排布、主次鋼梁與鋼模具設(shè)計(jì)工作集，不同集的設(shè)計(jì)模型可同步顯示，設(shè)計(jì)人員僅對(duì)本專業(yè)工作集有修改權(quán)限，對(duì)非本專業(yè)工作集模型僅有查看權(quán)限；通過(guò)中心文件，設(shè)計(jì)人員可及時(shí)了解各專業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度，同步解決專業(yè)沖突，加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，提高設(shè)計(jì)效率。

圖4 工作集操作流程

3.2 BIM深化模型碰撞檢測(cè)

預(yù)制條形板底筋為φ25@200，單塊10m長(zhǎng)預(yù)制條形板需設(shè)置80余根鋼筋，排布密集，傳統(tǒng)二維圖紙無(wú)法直觀全面審查圖紙問(wèn)題。利用BIM高仿真的特性，將配筋及灌漿套筒按照施工藍(lán)圖進(jìn)行排布，利用Navisworks進(jìn)行碰撞檢查，驗(yàn)證原布筋方案存在以下錯(cuò)誤：①受灌漿套筒外徑及預(yù)制條形板端部鋼耳板厚度影響，底板縱向鋼筋存在碰撞；②灌漿套筒下方縱向φ22鋼筋保護(hù)層厚度嚴(yán)重不足，僅為1cm。

針對(duì)以上問(wèn)題及時(shí)制定以下改正措施：①增大縱橫向鋼筋間距，保證底板鋼筋不重疊；②將灌漿套筒中的縱向鋼筋直徑由22mm改為16mm，滿足鋼筋保護(hù)層厚度要求，并及時(shí)調(diào)整鋼模板BIM模型，保證預(yù)留鋼筋孔洞的準(zhǔn)確性。

4 BIM技術(shù)在生產(chǎn)安裝階段的應(yīng)用

鋼混裝配式空心樓蓋含64塊預(yù)制條形板，數(shù)量多、精度高。為推動(dòng)條形板拼接高效快速進(jìn)行，必須制備多套高精度布筋模具，加快條形板產(chǎn)能；單套模具布筋精度控制在2mm內(nèi)，以提升條形板生產(chǎn)質(zhì)量；各套模具間的制作加工誤差應(yīng)<3mm。為縮小不同生產(chǎn)批次的條形板外觀尺寸誤差，必須提升模具設(shè)計(jì)深度，提高模具加工精度。樓蓋四周主次鋼梁設(shè)計(jì)復(fù)雜，整個(gè)樓蓋體系共10組鋼抱箍節(jié)點(diǎn)、11段箱形鋼梁、800余塊加勁板。正式拼接前需模擬施工流程，復(fù)核鋼框架與預(yù)制條形板的位置關(guān)系，保證樓蓋組裝作業(yè)成功率。

4.1 BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)多采用CAD繪圖技術(shù)，但CAD圖元間沒(méi)有關(guān)聯(lián)性，某一局部的改動(dòng)無(wú)法自動(dòng)反映相關(guān)部分的變動(dòng)，易因遺漏修改圖元導(dǎo)致產(chǎn)品加工錯(cuò)誤。BIM技術(shù)的基本單元是通過(guò)參數(shù)化生成三維模型，模型中各組成部分相互關(guān)聯(lián)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，使單個(gè)圖元的改動(dòng)可聯(lián)動(dòng)至相關(guān)部位同步自動(dòng)修改。

某大劇院根據(jù)預(yù)制條形板生產(chǎn)精度要求，自行研發(fā)上下拆分內(nèi)外雙層的組合式鋼模，該模具包含上中下層25塊鋼板，構(gòu)造復(fù)雜，利用BIM技術(shù)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，可將模具構(gòu)件尺寸參數(shù)輸入Revit軟件中，生成各零部件模型。

利用Tekla，Revit等軟件建立鋼模各零部件BIM模型，在軟件中完成鋼模組裝，并利用Navisworks對(duì)組裝模型進(jìn)行碰撞檢查，將設(shè)計(jì)不合理的部位進(jìn)行二次深化，直至生成滿足生產(chǎn)需求的模型，輸出構(gòu)件明細(xì)表，整理構(gòu)件數(shù)量、形狀、尺寸及相關(guān)特征信息，便于原材采購(gòu)及生產(chǎn)校核。

4.2 BIM數(shù)字化加工

傳統(tǒng)人工板材切割精度約1cm，若按照某大劇院需求制作12套鋼模具，各套模具間累計(jì)誤差達(dá)5cm，無(wú)法滿足條形板外觀尺寸誤差3mm的精度標(biāo)準(zhǔn)。利用BIM+SmartNest數(shù)控切割技術(shù)，鋼模具的精度可控制在0.3mm內(nèi)，各套成品鋼模具間的誤差也可控制在0.3mm內(nèi)。

SmartNest數(shù)控加工的操作流程是將鋼模具BIM模型中的尺寸、材質(zhì)、拓?fù)潢P(guān)系等信息轉(zhuǎn)換為SmartNest系統(tǒng)可識(shí)別的NCL文件，加工系統(tǒng)對(duì)原材料進(jìn)行排版，以最節(jié)省原材的切割路線生成加工程序，最后由程序驅(qū)動(dòng)進(jìn)行激光切割作業(yè)。切割路線如圖5所示。

圖5 切割路線

利用激光切割可減少原材損耗，同時(shí)對(duì)生成的構(gòu)件進(jìn)行機(jī)械焊接可增強(qiáng)產(chǎn)品精度、提升工作效率。

4.3 BIM可視化施工模擬

因鋼混裝配式預(yù)制條形板空心樓蓋的預(yù)制條形板數(shù)量多、構(gòu)件質(zhì)量大、吊裝作業(yè)頻繁、施工空間狹小、安全風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工提出極高的技術(shù)要求。故利用BIM技術(shù)高仿真施工模擬，驗(yàn)證既定施工方法的可行性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工問(wèn)題及安全隱患，輔助制定解決措施。避免二次拆改，提高安裝效率，節(jié)約施工工期，減低安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)利用BIM技術(shù)參數(shù)化、協(xié)同作業(yè)、高仿真模擬的優(yōu)勢(shì)，可提高鋼混裝配式空心樓蓋設(shè)計(jì)深度和專業(yè)間的配合效率，提高生產(chǎn)施工階段構(gòu)件生產(chǎn)精度、實(shí)現(xiàn)構(gòu)件信息快速查詢、驗(yàn)證施工方案可行性。

2)通過(guò)BIM技術(shù)在鋼混裝配式空心樓蓋中的應(yīng)用，可改善當(dāng)前鋼混裝配式建筑在各環(huán)節(jié)遇到的問(wèn)題，提升施工管理效率。