基于BIM的裝配式建筑一體化設(shè)計方法研究

李 柏

(北京構(gòu)力科技有限公司，北京 100013)

引言

隨著我國建筑行業(yè)的高速發(fā)展，工程建設(shè)相關(guān)方在項目建設(shè)過程中的需求與矛盾日益突出，主要體現(xiàn)在設(shè)計圖紙質(zhì)量差、工地現(xiàn)場用工難、施工質(zhì)量問題頻現(xiàn)、施工作業(yè)污染環(huán)境等方面?；诖?，國家從2013年起開始倡導(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)階段國內(nèi)的設(shè)計水平仍舊停留在“設(shè)計——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行生產(chǎn)，因此，傳統(tǒng)的兩階段設(shè)計方式已不適用。

BIM是建筑信息模型的簡稱，《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標準》中對其定義如下：在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對其物理和功能特性進行數(shù)字化表達，并依此設(shè)計、施工、運營的過程和結(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，通過將傳統(tǒng)的二維工作升級到多維度，從而實現(xiàn)精細化管控，有利于多方的協(xié)同工作。當前，BIM技術(shù)作為建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段，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)計需要多專業(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，這對構(gòu)件的深化設(shè)計提出了更高的要求，需要精細化設(shè)計與協(xié)同設(shè)計。在裝配式建筑設(shè)計過程中引入BIM技術(shù)是一個相輔相成的組合方式，能夠同時發(fā)揮兩者的最大優(yōu)勢，促進建筑行業(yè)結(jié)合新技術(shù)發(fā)展與進步[6-8]。下文主要以國內(nèi)某裝配式住宅項目為例，詳細介紹基于BIM的裝配式一體化設(shè)計方法，考慮裝配式項目中主要以預(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)專業(yè)的設(shè)計過程。

1 項目概述與設(shè)計方法

本項目為上海市青浦區(qū)路勁松山住宅項目，規(guī)劃用地37 336.50m2，地上計容建筑面積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)制陽臺板、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號文件要求，不采用裝配式結(jié)構(gòu)。下文主要以本項目20#樓裝配整體式剪力墻為例進行介紹，采用內(nèi)保溫形式，預(yù)制構(gòu)件類型包括預(yù)制墻板、預(yù)制梁、預(yù)制板、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽臺、預(yù)制凸窗以及預(yù)制隔墻，裝配范圍是4～16 層。

前文所述目前國內(nèi)采用的設(shè)計方法主要是兩階段設(shè)計，即施工圖設(shè)計與深化設(shè)計，如圖1所示。兩階段設(shè)計分離增加了額外的溝通成本，極容易造成前后端設(shè)計思想的不一致，從而產(chǎn)生圖紙質(zhì)量問題。尤其是裝配式混凝土建筑，在前期設(shè)計時要提前考慮專業(yè)間協(xié)同與后置因素的前置配合工作，如果設(shè)計人員對于后端生產(chǎn)、施工的工作內(nèi)容與方法不清楚，會造成設(shè)計與生產(chǎn)脫節(jié)，深化設(shè)計無法繼承原有施工圖設(shè)計理念。

圖3 PKPM-PC裝配式一體化設(shè)計流程

圖1 兩階段設(shè)計方法

鑒于此，本文提出采用一體化設(shè)計方法的理念，即“方案設(shè)計——施工圖設(shè)計——深化設(shè)計”由統(tǒng)一的設(shè)計團隊一體化完成，確保前端的設(shè)計理念與后端的生產(chǎn)、施工因素有機結(jié)合，形成高效統(tǒng)一的解決方案，減少不必要的設(shè)計失誤與返工，如圖2所示。

圖2 一體化設(shè)計方法

2 設(shè)計流程與應(yīng)用

本項目采用PKPM BIM平臺及基于此平臺開發(fā)的PKPM-PC軟件進行裝配式建筑的一體化設(shè)計[9-10]，項目分為兩個重要的設(shè)計節(jié)點，分別為施工圖設(shè)計和深化設(shè)計。以結(jié)構(gòu)專業(yè)為例，該項目采用一體化設(shè)計的整體工作流程，如圖3所示。下文將針對一體化設(shè)計流程中各關(guān)鍵步驟展開詳細介紹并展示應(yīng)用成果。

2.1 施工圖設(shè)計

裝配式建筑的施工圖設(shè)計要求與傳統(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的統(tǒng)計； 結(jié)構(gòu)計算分析時按照等同現(xiàn)澆原則進行設(shè)計，但需注意預(yù)制構(gòu)件間接縫的驗算以及構(gòu)件短暫工況的設(shè)計； 施工圖紙輸出時要明確體現(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，部分專業(yè)需要前置配合進行協(xié)同設(shè)計。

2.1.1 拆分方案

本項目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準化、模數(shù)化需要，同時為方便現(xiàn)場裝配連接，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，確保長期使用情況下板底不會出現(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)點附加封閉箍筋”的形式連接，如圖5所示。

圖6 標準層拆分平面

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)點附加封閉箍筋

除上述主要預(yù)制構(gòu)件類型以外，為滿足裝配式整體指標要求，20#樓的拆分方案還選擇了預(yù)制梁、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽臺、預(yù)制凸窗以及預(yù)制隔墻等構(gòu)件類型，在此不再累述。圖6所示為標準層的拆分平面示意圖，單體預(yù)制率統(tǒng)計結(jié)果為41.2%。

本項目20#樓采用BIM建模方式，通過導(dǎo)入pm結(jié)構(gòu)計算分析模型(.jws格式文件)，快速形成結(jié)構(gòu)BIM模型，并通過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)計標準化和模數(shù)化要求外，還需要考慮預(yù)制構(gòu)件運輸、施工現(xiàn)場堆場及吊裝等需要，通過合理控制構(gòu)件尺寸和重量達到經(jīng)濟效益最優(yōu)化，如圖8所示。

經(jīng)過合理的拆分方案布置及調(diào)整后的模型可直接生成對應(yīng)裝配式整體指標，如預(yù)制率。本項目處于上海地區(qū)，預(yù)制率按照上海市地方標準,要求不低于40%，經(jīng)過統(tǒng)計，最終20#樓的預(yù)制率統(tǒng)計結(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)計表

2.1.2 計算分析及施工圖紙

經(jīng)過拆分后的PKPM-PC模型可以接力到PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中進行整體計算分析，分析時需要注意兩點：

(1)抗震設(shè)計時，對同一層內(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(兩個受力方向底筋+鋼筋桁架底筋)的疊放順序不同，對計算分析時受力底筋的保護層厚度取值不同。

整體計算完成后，可通過各類型構(gòu)件選筋庫的設(shè)置實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件“高強度、大直徑”原則下的平法配筋，配筋結(jié)果可讀取回PKPM-PC模型，從而達到將平法配筋轉(zhuǎn)化為預(yù)制構(gòu)件的三維實體鋼筋的目的，為后續(xù)深化設(shè)計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

除了整體計算分析外，在裝配式建筑設(shè)計項目中還需要考慮構(gòu)件短暫工況的驗算。所謂短暫工況驗算，主要是指在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、施工過程中脫模、吊裝、安裝等工序產(chǎn)生的對于構(gòu)件臨時狀況的受力驗算。通過短暫工況驗算后，可以合理地確定預(yù)埋件的吊點位置、數(shù)量、規(guī)格等信息，同時確保預(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算計算書。

在完成以上計算及配筋工作后，可以利用BIM模型可出圖性的特點，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)計圖紙的質(zhì)量。圖12所示為PKPM-PC模型生成的標準層拆分平面布置圖。

圖11 疊合板短暫工況驗算計算書

圖12 標準層拆分平面布置圖

2.2 深化設(shè)計

一體化設(shè)計方法的核心在于將設(shè)計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，為滿足工廠脫模、吊裝以及現(xiàn)場安裝需要，在墻體頂部及內(nèi)表面分別設(shè)置2個預(yù)埋吊釘和4個預(yù)埋錨栓。預(yù)埋件的設(shè)置可通過PKPM-PC程序提供的功能自動布置，以滿足短暫工況驗算要求。

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)計拆分方案有關(guān)，深化設(shè)計階段主要是遵循前期設(shè)計理念，對照平法施工圖配筋細化排布三維鋼筋。對于各類預(yù)制構(gòu)件的鋼筋深化應(yīng)滿足國家規(guī)范及圖集要求，準確、合理地實現(xiàn)鋼筋錨固、搭接長度的要求。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)點長度應(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

除了細化排布預(yù)制構(gòu)件自身的鋼筋外，通過BIM技術(shù)建立的深化設(shè)計模型還可以協(xié)助設(shè)計師解決預(yù)制構(gòu)件間鋼筋碰撞問題，這是傳統(tǒng)二維設(shè)計較難實現(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)件類型快速發(fā)現(xiàn)鋼筋沖突部位，及時解決問題，如圖15所示。

圖15 鋼筋碰撞檢查

2.2.3 機電預(yù)留預(yù)埋配合

裝配式預(yù)制構(gòu)件需要提前在工廠進行生產(chǎn)，前文所述構(gòu)件加工圖紙應(yīng)滿足全專業(yè)設(shè)計要求，因此在深化設(shè)計階段需要解決機電提資配合問題。采用BIM技術(shù)可以有效提高專業(yè)間協(xié)同工作的效率，同時確保提資信息的唯一性和準確性。在PKPM-PC程序中，通過建立機電專業(yè)模型，并向結(jié)構(gòu)專業(yè)提交開洞、預(yù)埋提資條件，由結(jié)構(gòu)工程師統(tǒng)一確認后，可自動生成預(yù)留孔洞和預(yù)埋線盒、線管等信息，具體流程如圖16所示。通過上述方法，可以高效地實現(xiàn)多專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計工作，這也是BIM技術(shù)帶來的優(yōu)勢之一。

圖16 機電提資閉環(huán)工作流

2.2.4 構(gòu)件詳圖及工程量清單

經(jīng)過上述一系列的深化設(shè)計及調(diào)整，模型中的預(yù)制構(gòu)件可達到生產(chǎn)加工要求。目前國內(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)計階段類似，構(gòu)件加工圖紙可由模型批量生成，在出圖前對模型中的預(yù)制構(gòu)件進行編號和歸類，并按照工廠需求輸出加工圖紙，同時輸出預(yù)制構(gòu)件清單和材料統(tǒng)計清單等附加成果，如圖17、18所示。

圖17 疊合板詳圖

圖18 預(yù)制構(gòu)件清單

3 結(jié)論

本項目將BIM技術(shù)應(yīng)用到裝配式建筑設(shè)計中，探索并研究國內(nèi)裝配式建筑基于BIM的一體化設(shè)計方法，總結(jié)項目設(shè)計階段的工作流程，采用BIM技術(shù)高效解決了項目圖紙輸出、裝配式指標統(tǒng)計、結(jié)構(gòu)計算分析、構(gòu)件深化設(shè)計、工程量清單計量等相關(guān)工作內(nèi)容。本文通過BIM技術(shù)與裝配式建筑設(shè)計的深度融合，展示了裝配式建筑的優(yōu)勢特點以及推廣BIM應(yīng)用的實際價值，為國內(nèi)企業(yè)在裝配式建筑設(shè)計項目中實施BIM技術(shù)提供了參考。