基于BIM技術(shù)的裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與探究*

尚偉方

(中鐵建房地產(chǎn)集團(tuán)中鐵建河北雄安城市建設(shè)有限公司，河北 雄安 071700)

0 引言

裝配式建筑可提高生產(chǎn)效率、減少施工誤差，然而目前裝配式建筑并非采取全構(gòu)件預(yù)制形式，施工過(guò)程中，構(gòu)件組裝及后澆帶的灌漿填縫仍有一定難度，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理選型[1-3]。因此，BIM技術(shù)的應(yīng)用尤為重要，其可視化技術(shù)將貫穿整個(gè)階段，對(duì)項(xiàng)目建造及后期運(yùn)營(yíng)、管理提供支持。張海東等[4]對(duì)某裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出BIM對(duì)裝配式建筑的實(shí)現(xiàn)具有支撐作用，在預(yù)制構(gòu)件布置、管線綜合布置、專(zhuān)業(yè)協(xié)同方面起指導(dǎo)作用；李筱涵等[5]在BIM技術(shù)下，建立整個(gè)裝配式建筑全生命周期信息，使預(yù)制裝配式建筑在建筑設(shè)計(jì)、構(gòu)件生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝施工及管理維護(hù)中得到發(fā)展。

1 裝配式結(jié)構(gòu)選型

1.1 預(yù)制構(gòu)件及性能

裝配式建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要包括預(yù)制柱、疊合梁、預(yù)制墻板、疊合樓板；非結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要包括外掛墻板、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)、預(yù)制空調(diào)板等，結(jié)構(gòu)構(gòu)件與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件都可采用預(yù)制裝配式。如灌漿套筒預(yù)制柱是典型的裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件，具有以下優(yōu)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)：①預(yù)制柱澆搗密實(shí)，不空鼓、不開(kāi)裂，表面平整美觀，生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好。試驗(yàn)證明在裝配式剪力墻中，可通過(guò)灌漿套筒法連接豎向鋼筋，并通過(guò)計(jì)算試件的承載力證明該連接方法可行[6-8]；②機(jī)械化程度較高；③可控制預(yù)制構(gòu)件養(yǎng)護(hù)溫度，減少預(yù)制構(gòu)件裂縫和預(yù)制構(gòu)件養(yǎng)護(hù)時(shí)間；④節(jié)省支模、拆模時(shí)間，現(xiàn)澆混凝土施工受溫度影響較大，而預(yù)制柱在低溫時(shí)依然可以施工，受季節(jié)影響小。

圖1 灌漿套筒預(yù)制柱

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，外墻板如采用預(yù)制裝配技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)墻體結(jié)構(gòu)、保溫、裝飾一體化，墻體本身的保溫能力、防水能力、環(huán)保能力都強(qiáng)于砌筑式外墻和現(xiàn)澆外墻。

1.2 預(yù)制構(gòu)件選型

由于建筑預(yù)制構(gòu)件對(duì)模具周轉(zhuǎn)效率要求較高，且很多構(gòu)件為異形，因此對(duì)混凝土性能要求高。以目前施工和檢測(cè)水平，預(yù)制橫向構(gòu)件比預(yù)制豎向構(gòu)件更安全，剪力墻、框架柱等豎向構(gòu)件宜采用現(xiàn)澆形式，保證豎向體系整體連接；樓蓋、梁等橫向構(gòu)件宜采用預(yù)制裝配式，疊合板可運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行精確拆分，只要滿(mǎn)足模數(shù)要求便可在工廠中批量生產(chǎn)，通過(guò)脫模、吊裝在現(xiàn)場(chǎng)組裝即可。

2 工程概況

2.1 建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)

焦作市馬村區(qū)靳作城中村改造項(xiàng)目建筑高度79.7m，地上部分28層，設(shè)有地下室，由于住宅樓層數(shù)量較多，若完全采用現(xiàn)澆方式施工，則施工周期長(zhǎng)、耗費(fèi)大量人力物力，由結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖可知，橫向構(gòu)件采用預(yù)制裝配式，可減少預(yù)制構(gòu)件模板類(lèi)型、降低造價(jià)，且疊合板與現(xiàn)澆剪力墻通過(guò)后澆帶澆筑成為整體，可充分發(fā)揮預(yù)制疊合板的整體性及抗震性能，很大程度提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度及穩(wěn)定性。鑒于以上分析，項(xiàng)目采用純剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻采用整體現(xiàn)澆以保證豎向連續(xù)并具有足夠抗側(cè)力剛度，橫向構(gòu)件采用預(yù)制裝配式，疊合板、疊合梁經(jīng)過(guò)Revit軟件拆分設(shè)計(jì)，再由YJK軟件計(jì)算配筋。

2.2 YJK電算分析

將Revit模型導(dǎo)入YJK軟件，布置恒、活荷載，設(shè)置主要參數(shù)，最后計(jì)算上部結(jié)構(gòu)。采用YJK軟件進(jìn)行彈性時(shí)程分析得到的樓層位移及位移角曲線如圖2所示，在軟件自選最優(yōu)地震波(1號(hào)為多遇地震波，2號(hào)為罕遇地震波)作用下，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移為37.3mm。罕遇地震波作用下，在第13層附近出現(xiàn)最大層間位移角，約1/1 600，小于規(guī)范限值1/1 000，表明此裝配式建筑在地震作用下雖不會(huì)發(fā)生較大彈性變形，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部將積累較大的地震作用。

3 裝配式設(shè)計(jì)

3.1 疊合板拆分及深化設(shè)計(jì)

疊合板分為現(xiàn)澆與預(yù)制部分，總板一般取130mm厚，包括60mm厚工廠預(yù)制部分和70mm厚現(xiàn)場(chǎng)澆筑部分。疊合板分單向板與雙向板，雙向疊合板受運(yùn)輸限制，需將雙向板劃分成若干單向板，通過(guò)后澆帶連接，將單向板拼接成雙向板。

實(shí)際拆分過(guò)程中，先確定后澆帶寬度(一般>200mm)，可不拆分尺寸較小的板，拆分尺寸較大的板時(shí)以邊板為主，可增加中板。拆分時(shí)應(yīng)考慮疊合板支承于梁或墻上的尺寸，一般為10mm。整層樓蓋的拆分應(yīng)盡量減少疊合板尺寸類(lèi)型，以便較少工廠模板數(shù)量，最后根據(jù)規(guī)范給每塊疊合板編號(hào)。地塊3中16號(hào)樓18層頂板拆分平面如圖3所示。

圖3 某區(qū)域拆分平面

經(jīng)計(jì)算，圖3疊合板尺寸Lx為3 070mm，Ly為1 310mm， 拆分平面圖中應(yīng)對(duì)每塊疊合板進(jìn)行編號(hào)，疊合板深化加工根據(jù)YJK模型電算配筋，接縫處縱筋末端采用135°彎鉤連接，根據(jù)規(guī)范取接縫處鋼筋伸出長(zhǎng)度為240mm，非接縫處伸出90mm，相鄰兩塊板的底筋進(jìn)行錯(cuò)開(kāi)處理。

3.2 疊合梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

裝配式建筑結(jié)構(gòu)中，主次梁節(jié)點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)體系的核心受力部分，直接影響結(jié)構(gòu)抗震性能。根據(jù)JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，一、二、三級(jí)抗震等級(jí)的裝配式框架應(yīng)進(jìn)行梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗震受剪承載力驗(yàn)算。主次梁節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)采用擱置式主次梁連接形式，主梁設(shè)置牛擔(dān)板，次梁開(kāi)槽并設(shè)置預(yù)埋件。主梁連接處采用梯形開(kāi)槽，與次梁牛擔(dān)板緊密連接。牛擔(dān)板截面以主梁剪力包絡(luò)圖進(jìn)行抗剪驗(yàn)算。根據(jù)規(guī)范，疊合梁端豎向接縫受剪承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)滿(mǎn)足下式：

持久設(shè)計(jì)狀況：

(1)

地震設(shè)計(jì)狀況：

(2)

式中：Vu為持久設(shè)計(jì)狀況下接縫受剪承載力設(shè)計(jì)值；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，本工程采用C30混凝土，為14.3N/mm2；Ac1為疊合梁端截面后澆混凝土疊合層面積；Ak為各鍵槽的根部截面積和，按后澆鍵槽根部截面和預(yù)制鍵槽根部截面分別計(jì)算，并取二者較小值；Asd為垂直穿過(guò)結(jié)合面所有鋼筋的面積，包括疊合層內(nèi)的所有鋼筋；fy為普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,本工程采用三級(jí)鋼，為360N/mm2。主次梁節(jié)點(diǎn)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 主次梁節(jié)點(diǎn)計(jì)算簡(jiǎn)圖

在YJK電算數(shù)據(jù)中可查找疊合梁的剪力包絡(luò)圖，考慮持久設(shè)計(jì)狀況和地震設(shè)計(jì)狀況驗(yàn)算抗剪承載力，比較梁端剪力值與計(jì)算結(jié)果，可驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)是否滿(mǎn)足抗震要求，結(jié)構(gòu)抗震理論中，要求梁端先出現(xiàn)塑性鉸，預(yù)制疊合梁在結(jié)構(gòu)中可做到優(yōu)先屈服，可見(jiàn)在相同工況下，預(yù)制梁與現(xiàn)澆梁在節(jié)點(diǎn)處的滯回性能基本一致，抗震性能符合要求。

3.3 吊裝及三維鋼筋碰撞模擬

進(jìn)行三維鋼筋碰撞檢查時(shí)，GS-Revit軟件可提供可視化檢驗(yàn)，在碰撞檢查模塊對(duì)話框輸入碰撞容差，然后框選某片區(qū)域，碰撞鋼筋將被標(biāo)為紅色，應(yīng)手動(dòng)調(diào)整鋼筋至合理位置。傳統(tǒng)多專(zhuān)業(yè)協(xié)作多在AutoCAD軟件中展開(kāi)，各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員相對(duì)獨(dú)立地設(shè)計(jì)施工圖，且各專(zhuān)業(yè)間需多次修改核對(duì)才能保證圖紙質(zhì)量，易出現(xiàn)因信息傳遞不準(zhǔn)確或細(xì)節(jié)問(wèn)題降低設(shè)計(jì)質(zhì)量的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

1)裝配式建筑以豎向現(xiàn)澆、橫向裝配的組合方式充分利用現(xiàn)澆施工與預(yù)制裝配的優(yōu)越性，提高工程設(shè)計(jì)施工效率。豎向構(gòu)件采用現(xiàn)澆施工，橫向構(gòu)件采用預(yù)制裝配，通過(guò)后澆帶保證兩者牢固連接，同時(shí)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和提高預(yù)埋件強(qiáng)度，保障結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

2)使用GS-Revit軟件可完成建模、計(jì)算一體化設(shè)計(jì)，與YJK軟件配合可進(jìn)行配筋計(jì)算分析和性能指標(biāo)驗(yàn)算，減少誤差，提高精確度，同時(shí)解決Revit軟件沒(méi)有結(jié)構(gòu)分析、脫模吊裝驗(yàn)算及鋼筋碰撞檢查功能的缺陷。

3)相同工況下，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能相差不大，裝配式結(jié)構(gòu)罕遇地震下可保證較小的層間位移角和較大的抗側(cè)力剛度，預(yù)制構(gòu)件滯回曲線飽滿(mǎn)，耗能充足，破壞形式滿(mǎn)足強(qiáng)柱弱梁及強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求。

4)BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝配式設(shè)計(jì)從二維空間到三維空間的跨越，今后可將BIM技術(shù)引入時(shí)間、資源因素，將四維、五維空間應(yīng)用到生產(chǎn)和施工管理中，實(shí)現(xiàn)建筑工期和工程造價(jià)的可視化，優(yōu)化工期、提高效益。