基于BIM的預(yù)制裝配鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)流程研究

蔣玲玲

1. 上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072；

2. 上海面向典型建筑應(yīng)用機(jī)器人工程技術(shù)研究中心 上海 200072

1 工程概況

上海市浦東新區(qū)某高層住宅項(xiàng)目為普通商品住宅，其中的4號(hào)樓采用了預(yù)制裝配鋼結(jié)構(gòu)體系，其他樓均為預(yù)制裝配混凝土結(jié)構(gòu)。該4號(hào)樓同與該項(xiàng)目?jī)?nèi)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(lèi)高層住宅項(xiàng)目，其標(biāo)準(zhǔn)層外平面尺寸為43.94 m×12.35 m，層高3 m，每層共4戶。由于存在妥協(xié)于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的戶型設(shè)計(jì)，造成了該鋼結(jié)構(gòu)住宅在平面上存在較多的凹凸構(gòu)造，在軸線上存在錯(cuò)位，使鋼結(jié)構(gòu)立柱的布置難度明顯增加（圖1）。

圖1 項(xiàng)目效果圖

2 設(shè)計(jì)流程

我們確定裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的正向設(shè)計(jì)的大方向：模塊設(shè)計(jì)→戶型設(shè)計(jì)→墻體設(shè)計(jì)→墻體拆分→構(gòu)件裝配→統(tǒng)計(jì)工作量→輸出施工圖，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行修正與調(diào)整[1-2]。

2.1 模塊與戶型設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的裝配式住宅，采用的是剪力墻結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，通常由基本模塊、拼接模塊、走道模塊、核心筒模塊等四大模塊組成。建筑面積的調(diào)整可隨BIM的應(yīng)用聯(lián)動(dòng)更新調(diào)整。鋼結(jié)構(gòu)住宅最重要的是其核心筒模塊，本項(xiàng)目采用了鋼框架中心支撐結(jié)構(gòu)形式。位于公共區(qū)域的鋼框架結(jié)構(gòu)，承擔(dān)了傳統(tǒng)核心筒“交通和疏散”的建筑功能，在這一區(qū)域，主要由疏散樓梯間、電梯、電梯前室、走道等組成。

模塊設(shè)計(jì)包括核心筒設(shè)計(jì)和模塊優(yōu)化。核心筒設(shè)計(jì)內(nèi)容包括方案標(biāo)高的設(shè)定，繪制墻體的方案，用“族”標(biāo)注房間，繪制剪刀梯（疏散通道）。模塊優(yōu)化內(nèi)容包括運(yùn)用模塊族，通過(guò)設(shè)計(jì)與組合構(gòu)思樓層平面，結(jié)合明細(xì)表獲得大致的建筑面積與基本指標(biāo)情況。受限于項(xiàng)目總體要求，核心筒和模型的設(shè)計(jì)與項(xiàng)目住宅群的總體風(fēng)格一致，但通過(guò)基于BIM的明細(xì)表比對(duì)，得到了更優(yōu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及得房率指標(biāo)。

戶型設(shè)計(jì)是對(duì)模塊的拼接形式多樣化的需求落地。需要同時(shí)滿足人們的生活需求，同時(shí)減少建筑物的構(gòu)件類(lèi)型。戶型設(shè)計(jì)內(nèi)容首先是家具族的設(shè)計(jì)，這樣可以直接看到房間功能的合理性，并為其他專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。戶型推敲則是在設(shè)計(jì)方案最優(yōu)的情況下，進(jìn)一步調(diào)整，選取建筑構(gòu)件類(lèi)型最少的戶型，去降低建筑成本。利用Revit中“階段”的功能，將構(gòu)件分多階段統(tǒng)計(jì)與演示。根據(jù)模塊的組合設(shè)計(jì)戶型，設(shè)置門(mén)窗，插入家具、圖紙名稱(chēng)、房間名稱(chēng)等的標(biāo)注，布置電器開(kāi)關(guān)和插座。

2.2 構(gòu)件族的設(shè)計(jì)

構(gòu)件族的設(shè)計(jì)，就是在軟件實(shí)操過(guò)程中，設(shè)計(jì)金屬件（如預(yù)埋件）、預(yù)制裝配構(gòu)件、整體衛(wèi)浴構(gòu)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(yù)埋件，在工廠中就預(yù)埋在預(yù)制混凝土構(gòu)件中。它的設(shè)計(jì)有鋼片、螺栓螺母、銷(xiāo)栓、吊鉤吊環(huán)、拉鉤拉環(huán)以及灌漿套筒等。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅中，這個(gè)金屬件可以是與墻板的連接件，也可以是吊裝施工所需要的掛耳。

預(yù)制裝配構(gòu)件族的設(shè)計(jì)，需要正確表達(dá)三維尺寸，也要包含相應(yīng)的信息量。常見(jiàn)的是預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，通常包含疊合梁、剪力墻外墻族、蒸壓輕質(zhì)混凝土隔墻族，以及預(yù)埋的86型暗盒和電氣面板等。而本項(xiàng)目的預(yù)制裝配構(gòu)件族的設(shè)計(jì)，包括鋼筋混凝土疊合樓板族、預(yù)制夾芯保溫板的外墻族、輕鋼龍骨灌漿的分戶內(nèi)墻族，以及蒸壓輕質(zhì)混凝土分室內(nèi)墻族。

2.3 裝配設(shè)計(jì)

裝配方案的深化：從模塊到戶型方案的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向裝配式建筑設(shè)計(jì)的深化過(guò)程。如墻體的劃分，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括墻的類(lèi)型屬性劃分，現(xiàn)澆部分的剪力墻與填充墻類(lèi)別的劃分，預(yù)制過(guò)渡部分預(yù)制墻與現(xiàn)澆墻類(lèi)別的劃分。

現(xiàn)澆部分的設(shè)計(jì)：必須在裝配式深化設(shè)計(jì)前完成。在這個(gè)階段需要確定軸網(wǎng)與標(biāo)號(hào)、現(xiàn)澆墻體的設(shè)計(jì)等，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括繪制施工放線使用的定位軸網(wǎng)。一般結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的承重梁柱需繪制軸網(wǎng)，建筑專(zhuān)業(yè)的填充墻或者現(xiàn)澆墻不一定需要繪制。

主體部分的裝配：將鋼結(jié)構(gòu)的梁柱、鋼混疊合樓板等族庫(kù)依次載入項(xiàng)目中，在對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，生成裝配式建筑的主體部分。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括梁、柱、疊合樓板的載入、檢查、拼接、標(biāo)記，預(yù)制墻體的載入與標(biāo)記。此外，需對(duì)受力鋼結(jié)構(gòu)部分的深化設(shè)計(jì)，包括節(jié)點(diǎn)的連接形式，以及機(jī)電管線的梁上開(kāi)孔提前預(yù)留并加固。

樓梯設(shè)計(jì)：包括設(shè)計(jì)梯梁、梯板、梯段等，生成樓梯平臺(tái)板，進(jìn)而完成預(yù)制樓梯構(gòu)件。

建筑外立面：設(shè)計(jì)外立面，1層常見(jiàn)架空層，采用石材外墻，2層及以上為住戶層，而本項(xiàng)目?jī)?nèi)鋼結(jié)構(gòu)住宅的外立面需與其他高層住宅保持一致，采用預(yù)制夾芯保溫板的設(shè)計(jì)，外墻板吊點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)等設(shè)計(jì)。

2.4 明細(xì)表的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算

利用明細(xì)表統(tǒng)計(jì)預(yù)制構(gòu)件數(shù)量，提取材質(zhì)信息統(tǒng)計(jì)材料。由于BIM軟件的應(yīng)用，建模過(guò)程中采用“常規(guī)模型”制作的墻板、采用“樓板”制作的疊合板，可以直接得到數(shù)量。通過(guò)公式計(jì)算還可以得到吊裝時(shí)構(gòu)件的重力。材料的統(tǒng)計(jì)主要是混凝土材料的統(tǒng)計(jì)，在建模過(guò)程，即建族的過(guò)程中，要注意區(qū)分混凝土的材質(zhì)。

裝配式建筑核心參數(shù)共2個(gè)，預(yù)制率和裝配率，可在軟件中實(shí)現(xiàn)快速估算。

根據(jù)GB/T 51129—2015《工業(yè)化建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，預(yù)制率的計(jì)算可以簡(jiǎn)單理解為預(yù)制裝配構(gòu)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(méi)有明確的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主要是判斷預(yù)制構(gòu)件和成品構(gòu)件在總構(gòu)件中的比重。在本項(xiàng)目?jī)?nèi)其他混凝土剪力墻裝配式住宅的預(yù)制率為40%，而本結(jié)構(gòu)住宅因主體結(jié)構(gòu)全預(yù)制，總預(yù)制率達(dá)到了75%。

2.5 生成施工圖

施工圖首先包括裝配圖，自動(dòng)生成，表達(dá)預(yù)制構(gòu)件連接和裝配關(guān)系的圖紙，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括平面大樣圖，即設(shè)計(jì)比例大于1∶100的圖紙，又稱(chēng)詳圖。預(yù)制裝配的圖紙主要包括預(yù)埋件大樣圖、板大樣圖。

施工圖還包括構(gòu)件拆分圖，可自動(dòng)生成，即構(gòu)件的詳細(xì)信息表。

裝配式混凝土建筑為了抗震需要，墻體和梁等最后會(huì)形成整體。但是在施工時(shí)，有預(yù)制、現(xiàn)澆和后澆的區(qū)別。通過(guò)拆分圖，表達(dá)其信息。在混凝土的預(yù)制裝配剪力墻體系中，沒(méi)有立柱，故主要拆分剪力墻外墻、剪力墻內(nèi)墻、內(nèi)隔墻。在建模時(shí)利用“公制常規(guī)模型”生成墻體，可以使用“圖例”功能，生成完整的墻體拆分圖，并加入墻體明細(xì)表。而在鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配體系中，Tekla模型的建立和節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)本身為獨(dú)立的，不存在如混凝土剪力墻需要二次拆分的情況，因而設(shè)計(jì)和出圖效率大為提升。

3 針對(duì)項(xiàng)目施工難點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)

本住宅樓的支撐體系為鋼框架結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)鋼梁、鋼柱連接節(jié)點(diǎn)均為剛接，局部次梁連接節(jié)點(diǎn)為鉸接，基于BIM計(jì)算，鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約800 t，鋼材材質(zhì)為Q345B，構(gòu)件總計(jì)約2 025根，其中鋼梁1 540根，鋼柱分段后399根，斜撐86根（圖2）。

圖2 鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系

由于住宅主體構(gòu)件截面較小，且規(guī)格較多，節(jié)點(diǎn)區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，焊接變形方面很難把控。因此，基于BIM模型建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)采用自動(dòng)化裝配焊接設(shè)備，針對(duì)小截面、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)完成自動(dòng)組裝、拼接等工作，提高加工精度及工效。住宅建筑設(shè)計(jì)不同于商業(yè)建筑的大空間，鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)必須考慮套內(nèi)戶型問(wèn)題，軸線存在錯(cuò)位情況，但鋼柱不可選用大截面尺寸，以免影響室內(nèi)空間。因此，基于BIM模型，通過(guò)設(shè)置寬扁柱解決軸線錯(cuò)位問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)建筑開(kāi)間的布局，同時(shí)避免對(duì)套內(nèi)空間產(chǎn)生過(guò)多影響（圖3）。此外，本項(xiàng)目的外墻板種類(lèi)規(guī)格較多，質(zhì)量較重，存在較多異形構(gòu)件，部分為偏心異形構(gòu)件，安裝難度較大、安裝精度要求高。因此，通過(guò)BIM模擬，確定構(gòu)件重心位置，以及構(gòu)件之間的搭接關(guān)系，以確定外墻板安裝順序。

圖3 住宅節(jié)點(diǎn)區(qū)域構(gòu)造與寬扁柱設(shè)計(jì)

由于特殊的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)而對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的加工提出了較高的要求。鋼構(gòu)件截面小、鋼板厚，細(xì)長(zhǎng)型的焊縫均為全熔透，焊接變形的控制極高。在深化設(shè)計(jì)完成后，基于鋼構(gòu)件工廠的數(shù)字聯(lián)控技術(shù)，將BIM模型聯(lián)動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字生產(chǎn)線，包括箱形柱、梁自動(dòng)化裝、焊接設(shè)備。通過(guò)相貫線切割設(shè)備的雙頭切割系統(tǒng)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)并保證了鋼構(gòu)件的兩端面相貫線形位公差的精度和長(zhǎng)度在尺寸上的偏差，符合設(shè)計(jì)要求；通過(guò)雙工位端面設(shè)備的伺服控制系統(tǒng)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼箱形柱兩端平行度及長(zhǎng)度尺寸的精度控制，保證構(gòu)件主要連接面貼合率98%以上；通過(guò)利用焊接機(jī)器人，為梁-柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全位置焊接（圖4）。節(jié)點(diǎn)通過(guò)各種形式的定位工裝夾具進(jìn)行定位裝配，并在變位器的作用下，將焊縫變位到可焊位置，同時(shí)變位器和機(jī)器人相互協(xié)調(diào)連動(dòng)，通過(guò)遠(yuǎn)程編程指導(dǎo)機(jī)器人完成各焊縫的全位置自動(dòng)焊接。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化切割與焊接機(jī)器人

鋼構(gòu)件加工運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)將直接進(jìn)行吊裝作業(yè)，因此在深化設(shè)計(jì)階段需提前根據(jù)吊裝手段預(yù)留施工吊耳，并模擬施工工況。鋼柱的吊裝采用4根高強(qiáng)鋼絲繩配合卸甲使用，起吊時(shí)采用一端四點(diǎn)吊裝的方式，吊耳使用鋼柱上端連接耳板，緩慢回直，構(gòu)件吊裝至指定位置后，與上節(jié)鋼柱預(yù)留端頭使用臨時(shí)螺栓連接耳板固定，待完成臨時(shí)固定后進(jìn)行鋼柱校正焊接（圖5）。鋼梁吊裝選用鋼柱吊裝同規(guī)格吊具，鋼梁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(diǎn)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，連接節(jié)點(diǎn)為剛接形式的首先使用臨時(shí)螺栓進(jìn)行固定，待鋼梁矯正完成后，電焊工進(jìn)行鋼梁焊接；連接節(jié)點(diǎn)為鉸接形式的鋼梁，待鋼梁到達(dá)指定位置后，使用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。

圖5 鋼柱鋼梁的吊耳設(shè)置與螺栓連接位置BIM模擬示意

混凝土預(yù)制構(gòu)件同樣需要采用吊裝的方式，其中疊合樓板采用四點(diǎn)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，與鋼梁上翼緣搭接距離為20 mm，施工過(guò)程中，通過(guò)在底部設(shè)置臨時(shí)支撐保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。預(yù)制樓梯分段為一梯段一節(jié)，即1層樓梯分為2段。同樣的四點(diǎn)吊裝方式，但是因樓梯為異形構(gòu)件，因此在吊裝時(shí)需使用手拉葫蘆調(diào)節(jié)構(gòu)件重心，保證構(gòu)件在吊裝過(guò)程中上下兩塊休息平臺(tái)處于水平位置（圖6）。預(yù)制樓梯安裝方式為兩端直接擱置在鋼梁上，其中預(yù)制樓梯與鋼梁連接位置處有預(yù)制灌漿孔，需將鋼梁上栓釘套入灌漿孔內(nèi)，待樓梯安裝到位后進(jìn)行二次灌漿。

圖6 預(yù)制混凝土樓梯安裝BIM模擬示意

在機(jī)電安裝與裝飾方面，采用與結(jié)構(gòu)協(xié)同的一體化設(shè)計(jì)方式，即機(jī)電平面管線排布，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝修方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行提資，平面樓層內(nèi)管線根據(jù)提資要求，采用穿梁、繞梁形式。層間管線通過(guò)樓板預(yù)留洞口沿梁柱邊緣排布，后經(jīng)裝飾面層包裹（圖7）。在裝飾設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅存在凸梁、凸柱的問(wèn)題，采用木飾面、背景墻、窗簾盒等方式，在保證效果的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定調(diào)整。

圖7 機(jī)電與裝飾的一體化設(shè)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

1）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)住宅需求不斷優(yōu)化，如傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)搭配壓型鋼板組合樓板，而本項(xiàng)目通過(guò)采用預(yù)制的鋼混疊合樓板，通過(guò)鋼梁上的栓釘實(shí)現(xiàn)更可靠的連接。此外，隨著樓層的上升，鋼柱截面也可以在安全穩(wěn)定的情況下逐步縮小截面，以降低鋼結(jié)構(gòu)的自重和用鋼量大的高額造價(jià)。

2）應(yīng)不斷關(guān)注預(yù)制構(gòu)件的制作，盡量減少構(gòu)件種類(lèi)，提高構(gòu)件的重復(fù)利用率，降低建筑成本。

3）要考慮降低施工難度，如本項(xiàng)目為了提高住宅衛(wèi)生間的層高占用率及解決排水噪聲的問(wèn)題，使用了同層排水，因而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)降板，增大了樓板的吊裝難度。

4）應(yīng)采用更具有標(biāo)志性的尺寸模數(shù)，以減少構(gòu)件數(shù)量，同時(shí)積極采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的圖集構(gòu)件，考慮鋼構(gòu)件和其他構(gòu)件在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)易發(fā)生的問(wèn)題，以降低造價(jià)、便于施工。

5）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮現(xiàn)場(chǎng)施工的作業(yè)工況，如吊裝作業(yè)中吊耳和鋼絲繩等受力構(gòu)件，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定用的臨時(shí)支撐等的布置位置與通用性，將有助于提高施工現(xiàn)場(chǎng)的效率和安全性。