BIM正向設(shè)計(jì)在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

張 紹，劉 洋，陳永康，李臘盛

安徽新華學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230088

關(guān)鍵字：BIM技術(shù)；裝配式結(jié)構(gòu)；正向設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的裝配式建筑模式大多是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工廠生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝三個(gè)階段是相對(duì)分離，如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)出現(xiàn)一些不合理的因素，往往只能在施工過(guò)程中才會(huì)被發(fā)現(xiàn)，由此往往會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)變更和材料浪費(fèi)，甚至影響工程質(zhì)量。自2016年國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》以來(lái)，全國(guó)各個(gè)省市區(qū)都在裝配式建筑的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工等環(huán)節(jié)相繼出臺(tái)相關(guān)政策。BIM技術(shù)將設(shè)計(jì)方案、生產(chǎn)要求、施工方案等集成在模型中，在實(shí)際建造前就統(tǒng)籌考慮各方面實(shí)際情況，把生產(chǎn)制造、實(shí)際安裝過(guò)程中可能產(chǎn)生的問(wèn)題提前消滅［1］。

在BIM技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，也存在著應(yīng)用上的困境。徐兆赫［2］指出目前深入應(yīng)用BIM技術(shù)的主要集中在機(jī)電管線(xiàn)安裝部分，以解決實(shí)際施工問(wèn)題，對(duì)于前期的建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分更像是“翻?！钡倪^(guò)程，因?yàn)樵O(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)在進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)時(shí)，工作量較以往增加許多，設(shè)計(jì)難度也加大，而設(shè)計(jì)方的收益卻與以往基本持平；唐洪剛［3］指出目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)裝配式建筑的工作模式是通過(guò)常規(guī)的設(shè)計(jì)院出具二維施工圖紙，交付PC構(gòu)件生產(chǎn)廠家之后，再由PC構(gòu)件廠家進(jìn)行二次翻模，訂制好模具后在車(chē)間內(nèi)完成所需構(gòu)件的生產(chǎn)。其主要缺點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)單位所提交的裝配式訂單圖紙無(wú)法供構(gòu)件加工車(chē)間使用，大多數(shù)PC構(gòu)件廠家由于技術(shù)人員不足，出具的模具圖紙和加工圖紙的效率非常地下，同時(shí)在車(chē)間加工環(huán)節(jié)極易出現(xiàn)鋼筋碰撞情況，改造和節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)的綜合成本極高。

為進(jìn)一步讓設(shè)計(jì)、施工、構(gòu)件生產(chǎn)有更深層次的融合，設(shè)計(jì)部門(mén)就必須將BIM技術(shù)應(yīng)用到裝配式項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、深化和輔助生產(chǎn)中去。本文通過(guò)深圳廣夏科技公司和廣州省建筑設(shè)計(jì)研究院共同開(kāi)發(fā)的GSRevit軟件，以某高層裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)為例，實(shí)現(xiàn)了在Revit上直接開(kāi)展結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)計(jì)算和自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)施工圖的正向設(shè)計(jì)。

1 正向設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)BIM軟件的應(yīng)用主要有以下兩種模式：1）后BIM模式：在設(shè)計(jì)院完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后再形成BIM模型，主要用于碰撞檢查和管線(xiàn)綜合設(shè)計(jì)；2）前BIM模式：設(shè)計(jì)之初就建立BIM模型，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工圖生成，繼而用于后續(xù)的碰撞檢查和管線(xiàn)綜合設(shè)計(jì)，一模多用，具體見(jiàn)圖1。前者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中未用到BIM，后期再建立BIM模型，增加了工作量；后者則是把結(jié)構(gòu)建模系統(tǒng)前置到Revit，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員初步設(shè)計(jì)時(shí)就進(jìn)行三維模型的建立，在輸入荷載后進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，添加鋼筋信息后繪制施工圖，建立的三維模型可直接用于鋼筋碰撞檢查。最后把模型給算量、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)，這極大地發(fā)揮了BIM的作用，節(jié)約了人力物力。

圖1 BIM正向設(shè)計(jì)示意圖

2 軟件應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

裝配式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)由疊合梁、剪力墻、疊合板等組成，是常見(jiàn)的裝配式結(jié)構(gòu)形式。本項(xiàng)目為某裝配式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，建筑面積約15000m2，建筑主體結(jié)構(gòu)為地上30層，地下2層，建筑總高度為91m。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，基本風(fēng)壓為0.8kN/m2，地面粗糙度為B類(lèi)。

2.2 結(jié)構(gòu)信息

首先，在廣廈CAD中打開(kāi)Revit軟件，輸入結(jié)構(gòu)信息，如：材料信息、地震信息、風(fēng)荷載信息、調(diào)整信息等設(shè)計(jì)參數(shù)，特別注意在總信息中的結(jié)構(gòu)形式中選擇墻。對(duì)于本項(xiàng)目，所有鋼筋均選用HRB400級(jí)鋼筋，豎向受力構(gòu)件采用C50混凝土，水平受力構(gòu)件采用C35混凝土。

2.3 模型建立與結(jié)構(gòu)布置

首先，需要在CAD中優(yōu)化圖紙，防止在導(dǎo)入Revit中時(shí)出現(xiàn)亂碼，導(dǎo)入圖紙應(yīng)注意單位和位置的確定。圖紙導(dǎo)入Revit某一平面中需要拾取圖紙中的信息，然后才開(kāi)始建立模型，不同標(biāo)準(zhǔn)層需要重新建立模型，同一標(biāo)準(zhǔn)層樓層組裝即可。

其次，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)盡量考慮受力合理、不影響建筑使用功能等因素。本項(xiàng)目為住宅類(lèi)建筑，梁柱尺寸過(guò)大會(huì)影響建筑功能，因此設(shè)計(jì)時(shí)盡量減小梁的尺寸，外立面處的梁高≯800mm。對(duì)于豎向構(gòu)件，在滿(mǎn)足規(guī)范的前提下，底部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)的剪力墻厚度≯300mm，非底部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)的剪力墻厚度≯200mm。結(jié)構(gòu)布置的主要原則見(jiàn)表1，裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)BIM模型見(jiàn)圖2。

表1 結(jié)構(gòu)布置主要原則

圖2 裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)BIM模型

2.4 荷載輸入與指定預(yù)制構(gòu)件

2.4.1 荷載輸入

所有輸入的構(gòu)件其自重自動(dòng)計(jì)算，沒(méi)有輸入的構(gòu)件按荷載輸入。例如板的荷載輸入依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）進(jìn)行取值，單位：kN/m2。

2.4.2 制定預(yù)制構(gòu)件

指定疊合板屬性時(shí)注意疊合底板的布置參數(shù)，同時(shí)定義編號(hào)DBD為單向板，DBS為雙向板。疊合板的底板的厚度至少為60mm，并且做到“多組合，少規(guī)格”。

疊合梁分兩次進(jìn)行混凝土的澆搗，第一次在PC構(gòu)件廠進(jìn)行預(yù)制；第二次在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝安放后，再澆搗梁上部的混凝土，使其與預(yù)制部分連成整體，一般鍵槽截面面積占預(yù)制面面積比例的40%。

2.5 計(jì)算與結(jié)果查看流程

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算前需要在錄入系統(tǒng)中生成結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)，如若有警告消息出現(xiàn)，需查明原因加以處理，直到不再出現(xiàn)警告信息，再選擇此菜單進(jìn)入樓板、次梁和其他構(gòu)件的計(jì)算數(shù)據(jù)，并自動(dòng)計(jì)算所有標(biāo)準(zhǔn)層樓板和次梁內(nèi)力和配筋。

2.6 生成施工圖

本次案例不是簡(jiǎn)單的翻模，而是通過(guò)建筑圖紙建成BIM模型然后生成梁板柱的配筋圖、模板圖等，相比于以前的圖紙生成的施工圖信息更全、錯(cuò)誤率更低、應(yīng)用型更高，具體流程見(jiàn)圖3，部分墻柱的配筋圖見(jiàn)圖4。

圖3 施工圖生成流程圖

圖4 墻柱配筋圖

3 結(jié)論

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)如果不首先進(jìn)行虛擬建造，在后續(xù)施工時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，而虛擬建造就離不開(kāi)結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計(jì)能夠做到以下幾點(diǎn)：不改變?cè)械脑O(shè)計(jì)流程，不改變?cè)惺┕D的表達(dá)方法，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)施工效率。