基于BIM的預制裝配鋼結構住宅的設計流程

蔣玲玲

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

鋼結構具有天然的裝配式屬性，以及快速高品質的施工質量，在我國多應用于商辦及大型公建項目。目前，鋼結構住宅在國內的發展較為滯后，導致其綜合造價高于混凝土裝配式住宅。但是得益于其較高的得房率、更短的施工周期，以及對環境更加友好，使得國家的政策和企業的投資建設都產生了新的主觀能動性。在這樣的背景下，在預制裝配混凝土結構設計流程的基礎上，研究、優化預制裝配鋼結構住宅的設計流程，成為提高建設效率、保證建設質量新的難點之一。

1 工程概況

上海市浦東新區某高層住宅項目為普通商品性住宅，其中，四號樓采用了預制裝配鋼結構體系，其他樓均為預制裝配混凝土結構。該樓同項目內其他高層住宅相同，均為地下2層、地上14層的形式。作為二類高層住宅項目，其標準層外平面尺寸為43.94 mh 12.35 m，層高3 m，每層共4戶。同時，為保持戶型和外立面效果同項目內的其他樓層一致，在戶型設計的過程中保持了較高的統一。由于存在妥協于裝配式混凝土結構的戶型設計，造成該鋼結構住宅在平面上存在較多的凹凸構造，在軸線上存在錯位，加大了鋼結構立柱的布置難度。

2 設計流程

確定裝配式鋼結構住宅正向設計的大方向，即：模塊設計ü 戶型設計ü 墻體設計ü 墻體拆分ü 構件裝配ü 統計工作量ü 輸出施工圖，并結合項目實際進行修正與調整。

2.1 模塊與戶型設計

常見的裝配式住宅，采用的是剪力墻結構。這種結構體系通常由4大模塊組成：基本模塊、拼接模塊、走道模塊和核心筒模塊。建筑面積的調整可隨BIM的應用聯動進行更新調整。與混凝土結構住宅相比，鋼結構住宅最顯著的特點是其核心筒模塊為鋼框架結構，本項目采用鋼框架中心支撐結構形式。位于公共區域的鋼框架結構，承擔了傳統核心筒交通和疏散的建筑功能，這一區域主要由疏散樓梯間、電梯井、電梯前室、走道等組成。

模塊設計包括核心筒設計和模塊優化。核心筒設計內容包括設定方案標高、繪制墻體方案、用 族 標注房間、繪制剪刀梯（疏散通道）。模塊優化內容包括運用模塊族，通過設計與組合，構思樓層平面，結合明細表，獲得大致的建筑面積與基本指標。受限于項目總體要求，核心筒和模型的設計與項目住宅群的總體風格一致，但通過基于BIM的明細表比對，得到了更好的結構穩定性及更高的得房率指標。

戶型設計是對模塊的拼接形式多樣化需求的落地，需在滿足人們生活需求的同時，減少建筑物的構件類型。

關于戶型設計內容，首先是家具族的設計，這樣可以直接看到房間功能的合理性，并為其他專業的設計提供依據。戶型推敲則是在設計方案最優的情況下，進一步調整，選取建筑構件類型最少的戶型，降低建筑成本。利用Revit中 階段 的功能，將構件分多階段進行統計與演示。根據模塊的組合設計戶型，設置門窗，插入家具、圖紙名稱、房間名稱等的標注，布置電器開關和插座。

2.2 構件族的設計

構件族的設計，是在軟件實操過程中，設計金屬件（如預埋件）、預制裝配構件、整體衛浴構件等。

金屬件在裝配式建筑中的作用包括連接、加固、支撐，是重要的受力件。如金屬預埋件，在工廠中就預埋到預制混凝土構件中。金屬件設計有鋼片、螺栓螺母、銷栓、吊鉤吊環、拉鉤拉環，其他有灌漿套筒等。在裝配式鋼結構住宅中，金屬件可以是墻板的連接件，也可以是吊裝施工需要的掛耳。

預制裝配構件族的設計，需要正確表達三維尺寸，也要包含相應的信息量。預制混凝土結構的設計內容，通常包含疊合梁、剪力墻外墻族、蒸壓輕質混凝土隔墻族，以及預埋的86型暗盒和電氣面板等。本項目的預制裝配構件族的設計，包括鋼筋混凝土疊合樓板族、預制夾心保溫板的外墻族、輕鋼龍骨灌漿的分戶內墻族，以及蒸壓輕質混凝土分室內墻族。

2.3 裝配設計

1）裝配方案的深化，即從模塊到戶型方案的設計，轉向裝配式建筑設計的深化過程，如墻體的劃分。設計內容包括墻的類型屬性劃分，現澆部分的剪力墻與填充墻類別的劃分，預制過渡部分預制墻和現澆墻類別的劃分。

2）現澆部分的設計是裝配式深化設計前須完成的工作。在這個階段，需要確定軸網、混凝土強度、現澆墻體的設計等。設計內容包括繪制施工放線使用的定位軸網，一般結構專業的承重梁柱需繪制軸網，建筑專業的填充墻或現澆墻不一定需要繪制。

3）主體部分的裝配：將鋼結構的梁柱、鋼混疊合樓板等族庫，依次載入項目中，對應位置設計，生成裝配式建筑的主體部分。設計內容包括梁、柱、疊合樓板的載入、檢查、拼接、標記，以及預制墻體的載入和標記。另外，需對受力鋼結構部分進行深化設計，包括節點的連接形式，且機電管線的梁上開孔需提前預留并加固。

4）樓梯設計：包括設計梯梁、梯板、梯段等，生成樓梯平臺板，完成預制樓梯構件。

5）建筑外立面設計：1層常為架空層，采用石材外墻，2層及以上為住戶層。本項目內鋼結構住宅的外立面需與其他高層住宅保持一致，采用預制夾心保溫板的設計。

2.4 明細表的統計與計算

利用明細表統計預制構件個數，提取材質信息統計材料。應用BIM軟件后，可直接在建模過程中得到采用 常規模型 制作的墻板和采用 樓板 制作的疊合板的數量。通過公式計算，可以得到吊裝時構件的重力。材料的統計主要是混凝土材料的統計，在建模過程，即建族的過程中，要注意區分混凝土的材質。

裝配式的核心參數為預制率和裝配率，可應用軟件實現快速估算。

根據GB/T 51129ü 2017《裝配式建筑評價標準》，預制率可以簡單理解為計算預制裝配構件的混凝土用量占總混凝土用量的百分比。裝配率的定義沒有明確的國家標準，主要是判斷預制構件和成品構件，在總構件中的比重。在本項目內，其他混凝土剪力墻裝配式住宅的預制率為40%，鋼結構住宅因主體結構全預制，總預制率達到了75%。

2.5 生成施工圖

施工圖包括裝配圖和構件拆分圖。裝配圖是由軟件自動生成、表達預制構件連接和裝配關系的圖紙。設計內容包括出平面大樣圖，即設計比例大于1∶100的圖紙，又稱詳圖。預制裝配圖主要包括預埋件大樣圖、板大樣圖。

構件拆分圖是由軟件自動生成構件的詳細信息表并插入圖紙中。

為了抗震需要，裝配式混凝土建筑的墻體和梁等最后會形成整體。但在施工時，有預制、現澆和后澆的區別。通過拆分圖表達相關信息。在混凝土的預制裝配剪力墻體系中，沒有立柱，因此，主要拆分為剪力墻外墻、剪力墻內墻和內隔墻。

在建模過程中，利用公制常規模型生成墻體，使用圖例功能生成完整的墻體拆分圖，并加入墻體明細表。在鋼結構預制裝配體系中，Tekla模型的建立和節點設計本身是獨立的，不需要二次拆分，因此，大大地提升了設計和出圖效率。

3 基于項目施工難點的針對性深化設計

本住宅樓的支撐體系為鋼框架結構，主結構鋼梁鋼柱連接節點均為剛接，局部次梁連接節點為鉸接，基于BIM計算，鋼結構總量約800 t，鋼材材質為Q345B，構件總計約2 025根，其中，鋼梁1 540根，鋼柱分段后399根，斜撐86根。

住宅主體構件截面較小，且規格較多，節點區域構造復雜，焊接變形很難把控。因此，基于BIM模型建立生產數據庫，通過采用自動化裝配焊接設備，針對小截面、復雜節點完成自動組裝、拼接等工作，提高加工精度和工效。不同于商業的大空間，鋼結構住宅設計必須考慮套內戶型問題，軸線存在錯位情況，鋼柱不可選用大截面尺寸，以免影響室內空間。因此，基于BIM模型，通過設置寬扁柱解決軸線錯位問題，實現建筑開間的布局，同時避免過多影響套內空間（圖1）。此外，本項目的外墻板種類規格較多、質量較大，同時存在較多異形構件，部分為偏心異形構件，安裝難度較大、精度要求高。因此，通過BIM模擬，確定構件質心位置以及構件之間的搭接關系，以確定外墻板安裝順序。

圖1 住宅節點區域構造與寬扁柱設計

特殊的鋼結構深化設計要求，對鋼結構的加工提出了較高的要求。鋼構件的截面小、鋼板厚、形狀細長，且焊縫均為全熔透，對焊接變形的控制要求極高。

深化設計完成后，基于鋼構件工廠的數字聯控技術，將BIM模型聯動鋼結構數字生產線，包括箱形柱、梁的自動化焊接設備。通過相貫線切割設備的雙頭切割系統，自動實現并保證了鋼構件兩端面相貫線形位公差的精度和長度均符合設計要求。通過雙工位端面設備的伺服控制系統，自動實現對鋼箱形柱兩端平行度和長度尺寸的精度控制，保證構件主要連接面貼合率達到98%以上；通過利用焊接機器人，進行梁-柱節點全位置焊接。通過各種形式的定位工裝夾具對節點進行定位裝配，在變位器的作用下，將焊縫變位到可焊位置，同時，變位器和機器人相互協調聯動，通過遠程編程指導機器人完成各焊縫的全位置自動焊接。

鋼構件加工運至現場后將直接進行吊裝作業，因此，在深化設計階段，需提前根據吊裝手段預留施工吊耳，并模擬施工工況。采用4根高強鋼絲繩配合卸甲進行鋼柱吊裝，起吊時，采用一段四點的吊裝方式。吊耳使用鋼柱上端連接耳板，緩慢回直，構件吊裝至指定位置后，與上節鋼柱預留端頭使用臨時螺栓連接耳板固定，待完成臨時固定后進行鋼柱校正焊接。鋼梁吊裝選用與鋼柱吊裝同規格的吊具，起吊前，先在鋼梁兩端焊縫位置處安裝吊籃一同起吊，吊裝鋼梁采用兩點吊的形式，吊耳選用鋼梁上翼緣靠碼板。鋼梁吊裝至指定位置后，首先，使用臨時螺栓固定剛接形式的連接節點，待鋼梁矯正完成后，由電焊工進行鋼梁焊接；對于連接節點為鉸接形式的鋼梁，待其到達指定位置后，使用高強螺栓進行連接。

混凝土預制構件同樣需要采用吊裝，其中，疊合樓板采用四點吊裝的方式，吊耳直接選用樓板自身桁架鋼筋，疊合樓板安裝方式為：直接擱置在鋼梁上翼緣，與鋼梁上翼緣的搭接距離為20 mm，施工過程中，通過在底部設置臨時支撐保證其結構穩定性。預制樓梯分段為1梯段1節，即1層樓梯分為2段。同樣采用四點吊裝方式，但樓梯為異形構件，因此，在吊裝時需使用手拉葫蘆調節構件位置，保證構件在吊裝過程中，上、下兩塊休息平臺處于水平位置。預制樓梯安裝方式為兩端直接擱置在鋼梁上，其中預制樓梯與鋼梁連接位置處有預制灌漿孔，需將鋼梁上栓釘套入灌漿孔內，待樓梯安裝到位后進行二次灌漿。

在機電安裝與裝飾方面，采用與結構協同的一體化設計方式，即機電平面管線排布，于鋼結構設計和裝修方案設計階段進行提資。根據提資要求，平面樓層內管線采用穿梁、繞梁的形式。層間管線通過樓板預留洞口沿梁柱邊緣排布，后經裝飾面層包裹。在裝飾設計過程中，針對鋼結構住宅存在凸梁凸柱的問題，采用木飾面、背景墻、窗簾盒等方式，在保證效果的基礎上進行一定調整。

4 結語

本項目實踐了一種全新的預制裝配結構體系，以鋼結構為主體提高預制率，降低現場濕作業，而基于BIM的鋼結構裝配式建筑設計，還應不斷優化和調整設計流程。

1）在設計過程中，根據鋼結構住宅需求不斷優化，如傳統鋼結構搭配壓型鋼板組合樓板，本項目通過采用預制的鋼混疊合樓板，通過鋼梁上的栓釘實現更可靠的連接。另外，隨著樓層上升，也可在安全、穩定的情況下逐步縮小鋼柱截面，以降低鋼結構的自重和因用鋼量大而產生的高額造價。

2）在設計過程中，應不斷關注預制構件的制作，盡量減少構件種類，提高構件的重復利用率，減少建筑成本。

3）在設計過程中，要考慮降低施工難度，如本項目為提高住宅衛生間的層高，使用了同層排水，導致結構降板，增大了樓板的吊裝難度。

4）在設計過程中，應采用更具有標志性的尺寸模數，減少構件數量，同時，積極采用國家標準中的圖集構件，考慮鋼構件和其他構件在生產制造環節易發生的問題，以降低造價、方便施工。

5）在設計過程中，要考慮現場施工的作業工況，如吊裝作業中吊耳和鋼絲繩等受力構件，結構穩定用的臨時支撐等的布置位置和通用性，從而提高施工現場的效率和安全性。