裝配式建筑信息化拆分及參數化設計應用

孫 璨 曾凡耀 王欽民 王曉璐 殷良慧

(1.東莞理工學院 生態環境與建筑工程學院，東莞 523808；2.深圳市市政設計研究院有限公司，深圳 518029)

近年來，國家和地方政府相繼出臺相關政策，大力支持建筑工業化，扶持裝配式建筑發展。2016年10月1日，國務院辦公廳印發了《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，總體要求包括推動建造方式創新，大力發展裝配式混凝土建筑，不斷提高裝配式建筑在新建建筑中的比例，促進建筑產業轉型成功； 2017年4月12日，廣東省人民政府辦公廳《關于大力發展裝配式建筑的實施意見》，主要分為兩個五年目標，對珠三角城市群、常住人口大于300萬的粵西北地區地級市中心城區和全省其他地區關于裝配式建筑占新建建筑面積比例做出最低比例要求[1-2]。

政府推動裝配式建筑發展，本質上是因其比傳統的現澆方式效率更高，同時更加節能環保[3]。但是，由于裝配式構件在拆分設計后，同一類型構件沒有統一標準，導致了設計預制構件的通用性差，設計效率無法提升，加工時也易出現鋼筋定位困難等問題[4-6]。

因此，將BIM技術與裝配式建筑相結合，利用BIM技術的可視化和參數化特性，加快設計流程，減少加工錯誤：在設計階段，將預制構件進行參數化管理，實現快速拆分和模塊化設計； 在生產階段，實現生產前期準確定位鋼筋信息、生產中全面了解構件信息、后期運維有數據可查詢[7-8]。

本文以某裝配式住宅項目成果為例，重點闡述應用BIM技術進行裝配式建筑結構拆分及參數化設計的應用成效。該建筑高10層，總建筑面積約5 400m2，設計使用年限50年。結構類型為框架結構。涉及的預制構件類型有：預制柱、預制梁和預制疊合板。

1 裝配式建筑拆分設計

在基于BIM的裝配式建筑設計過程中， 由于需要對現澆結構進行拆分，因此在拆分設計的過程中， 需要將連續的模型或構件，在符合國家相關規范及構件廠生產設計要求的前提下，擬定好構件的拆分方案，進行逐個拆分，使其形成獨立的部分，并盡量減少構件種類， 以便構件廠進行構件的生產及加工。

根據有關規范制定好拆分設計方案后， 利用BIM軟件，建立預制構件模型， 將原先在現澆施工圖基礎上建立的BIM模型， 拆分為由不同的構件連接而組成的裝配式BIM模型[9-10]。

1.1 基于BIM的建筑結構拆分設計流程

本項目是在現澆結構設計模型的基礎之上，使用Revit軟件實現的拆分設計，流程如下：

(1)現澆模型建模

根據現澆建筑、結構施工圖，使用Revit繪制現澆施工圖BIM模型。

(2)柱的拆分

根據結構設計圖，按照不同截面尺寸的順序，將現澆柱用預制柱參數族替代。

(3)梁的拆分

根據結構設計圖，按照不同截面尺寸的順序，將現澆梁用預制疊合梁參數族替代。

(4)板的拆分

方法類似柱、梁構件，采用預制疊合樓板族替代現澆樓板。

上述流程完成后，即實現了現澆框架結構的BIM拆分設計(圖1)，該模型可視為施工圖BIM模型的深化，可用于構件加工圖出圖、碰撞檢查和施工模擬等。

(a)疊合層澆筑前的BIM模型

(b)澆筑完成后的BIM模型圖1 基于BIM的拆分設計模型

1.2 基于BIM的預制構件拆分設計要點

結合拆分設計流程，對預制構件的拆分設計要點闡述如下。

1.2.1 預制柱的拆分

由于框架結構預制構件是以等同現澆原則設計的。所以，預制柱在拆分設計建模時，除應符合現行國家標準《混凝土結構設計規范(2015年版)》GB 50010-2010的要求外，還要滿足以下條件，以保證設計的構件性能等同現澆框架結構(如圖2)。

圖2 預制柱構造建模示意圖

(1)柱縱向受力鋼筋直徑≥20mm。

(2)矩形柱截面寬度≥400mm且大于同方向梁寬1.5倍。

(3)柱縱向受力鋼筋在柱底采用套筒灌漿連接時，箍筋加密區長度≥縱向受力鋼筋連接區域長度+500mm； 套筒上端第一道箍筋距離套筒頂部應≤50mm。

(4)預制柱頂部表面應設置≥6mm的粗糙面。

(5)預制柱的底部應設置鍵槽，深度≥30mm，鍵槽端部斜面傾角≤30°。

1.2.2 預制疊合梁的拆分

裝配整體式框架結構中，如采用預制疊合梁，則在拆分設計時應注意：

(1)對于抗震等級為一、二級的疊合框架梁，宜采用整體封閉箍筋(如圖3-a)； 截面形式可采用矩形截面或凹口截面，本文工程案例采用矩形截面形式(如圖3-b)。

(a)整體封閉箍

(b)矩形截面預制梁圖3 預制梁的拆分構造設計示意圖

(2)箍筋加密區在設計建模時，應從梁端500和1.5hb(梁高)中取大值來劃定箍筋加密區范圍，其余則為非加密區，這樣便可確定箍筋間距、數量、縱筋斷開位置等參數，然后運用BIM軟件進行建模，就可以完成對梁縱筋和箍筋的創建。

(3)框架梁的后澆混凝土疊合層厚度宜≥150mm，次梁則宜≥120mm。

(4)預制梁與后澆混凝土疊合層之間的結合面應設置粗糙面； 預制梁斷面設置貫通截面的鍵槽，深度≥30mm，傾斜角≤30°。

1.2.3 預制樓板的拆分

圖4 疊合板的拆分設計示意圖

裝配整體式結構的樓板多采用疊合板，疊合板的拆分應按照戶型的開間、戶型模數、板厚進行拆分。疊合板設計時，除了應該符合現行國家標準《混凝土結構設計規范》GB 50010-2010的要求外，還應符合下列規定：

(1)疊合板的預制板厚度不宜<60mm，后澆混凝土疊合層厚度不應<60mm。

(2)預制疊合板與后澆混凝土疊合層之間的結合面應設置凹凸深度≥4mm的粗糙面。

(3)根據疊合板的跨度，>3m且≤6m的疊合板，設計與建模時，宜采用桁架鋼筋混凝土疊合板。>6m的疊合板則宜采用預應力混凝土預制板。

本文工程案例拆分設計及建模時采用桁架鋼筋混凝土疊合板，受力形式按雙向板，接縫構造為無接縫。在熟悉以上設計原則和要點后，可以運用BIM軟件，進行拆分設計建模。為了實現高效的預制構件建模，還應運用參數化建模的方法，實現快速建模和模塊化設計。

2 預制構件參數化設計

Revit如今是我國建筑行業BIM軟件體系中使用最廣泛的軟件之一，其參數化構件族是在Revit中設計使用的所有建筑構件的基礎，于是本文案例工程選擇了Revit進行預制構件的參數化設計。

創建預制參數化構件主要有以下流程：

(1)選擇族樣板，一般選擇公制常規模型族樣板；

(2)進行構件族類別的選擇，根據構件類型需求選擇對應的構件族類別。例如預制參數化柱構件選擇結構柱族類別，預制參數化疊合梁構件選擇結構框架族類別等；

(3)根據預制構件參數化設計需要將預制構件劃分成各個組件(俗稱零件)，然后進行組件的創建，并進行組件邏輯約束；

(4)對組件邏輯約束包括注釋工具欄下的尺寸標注約束，實例屬性欄的限制條件約束，和修改工具時的操作約束；

(5)添加對應組件約束的各種參數，將參數與組件約束進行關聯，并進行參數測試。測試出現錯誤提示，則需要重新進行組件邏輯約束。如參數測試成功，則進行下一組件的參數化驅動設計，直至預制構件劃分成的所有組件參數測試成功，預制參數化構件完成(如圖5)。

圖5 預制構件參數化設計流程圖

2.1 預制柱參數化設計

預制柱參數化構件包含三部分組件：第一部分是柱混凝土外形組件參數化，第二部分是柱縱筋組件參數化，第三部分是柱箍筋組件參數化。

使用拉伸功能創建第一部分柱混凝土外形組件，并將底部與參照標高鎖定約束，其他部分利用注釋欄的尺寸標注進行鎖定約束，并添加長、寬、高對應參數進行關聯。

利用空心拉伸功能創建鍵槽，根據拆分設計要求，當預制柱底部設置的鍵槽深度≥30mm，鍵槽端部斜面傾角≤30°，那么鍵槽需要建成隨預制柱的長寬變化而變化的等腰梯臺。以預制柱底端的參照標高為x軸，柱底中部為y軸作為預制柱構件的直角坐標系(如圖6)，參數化需要計算鍵槽底端和頂端的坐標與預制柱長寬坐標的關系。其公式如下：

長=x； 寬=y，鍵槽底端兩點坐標為

圖6 鍵槽截面梯形示意

根據鍵槽截面梯形的四個頂點坐標創建隨長寬變化而變化的因變量參數； 采用空心拉伸功能創建空心拉伸組件，在梯形截面基礎上，利用尺寸標注工具進行鎖定約束，并與因變量參數進行聯動，且鍵槽拉伸寬度與柱寬y一致； 最后利用剪切工具將之前建立的柱混凝土外形組件減去空心拉伸，完成柱混凝土外形組件的建立。

第二部分是柱縱筋組件參數化，需要利用拉伸創建一根縱筋，添加縱筋半徑參數實現縱筋半徑參數化，并與由縱筋中心畫的兩條參照平面輔助線組成模型組，由此可以進行縱筋數量參變的位置鎖定約束。通過陣列、修改工具時的操作約束和添加保護層厚度、縱筋半徑、箍筋半徑等參數，由此計算出箍筋內皮至混凝土外側距離，將對應參數與約束關聯達到b邊縱筋數量參變。以縱筋b邊最后一根縱筋再進行原來的操作即可達到h邊縱筋的數量參變，由此實現縱筋數量參變(如圖7)。

圖7 柱縱筋組件參數化設計詳圖

Revit族參數化絕大多數是利用尺寸標注工具約束聯動組件實現參數化設計。利用尺寸約束組件實現參數化的前提是，組件尺寸變化的邊或頂點相關聯的工作平面，能與參照線或參照平面相關聯，尺寸參數實質是驅動參照平面輔助線或參照線實現組件參數化聯動。通俗說，就是尺寸約束要求組件已經存在，只有存在的組件才能關聯參照平面輔助線或參照線。然而縱筋長度的參數化包含柱高以及縱筋伸出柱長度兩個自變量，而且縱筋是數量化創建不能與參照輔助線關聯，驅動參照平面輔助線實現參數化聯動關系。為實現物體數量參變及長度多段參變設計，利用公式運算，縱筋長度Z=y(柱高)+h(縱筋伸出長度)，添加縱筋長度參數并與縱筋實例屬性拉伸點限制條件進行聯動關系實現縱筋長度參數化。縱筋下部設置灌漿套筒，參數化設計與縱筋基本一致(如圖8)。

圖8 柱縱筋組件數量長度參數化示意圖

第三部分是柱箍筋組件參數化，平剖出一個工作面，利用放樣進行箍筋實體的繪制。以柱截面中心為原點，平行h邊為x軸，平行b邊為y軸建立直角坐標系，添加箍筋的b邊與y軸和h邊與x軸的距離參數：

l1=(柱寬-箍筋半徑×2-2× 保護層厚度)/2

l2=(柱長-箍筋半徑×2-2×保護層厚度)/2

將l1、l2參數與放樣創建的箍筋實體進行關聯使箍筋能夠隨著柱寬或柱長、箍筋半徑、保護層厚度變化而變化。依據設計原則，箍筋加密區長度≥縱向受力鋼筋連接區域長度+500mm； 套筒上端第一道箍筋距離套筒頂部應≤50mm，箍筋加密區距離套筒頂部50mm處開始設置下部加密區、中部非加密區，以及上部加密區，直接驅動加密區或非加密區長度和加密區與非加密區間距即可實現箍筋參數化。

2.2 預制疊合梁參數化設計

預制疊合梁參數化設計與預制柱構件參數化設計大體相似，按照拆分設計原則，以及創建預制柱構件參數化的細節實現了預制疊合梁混凝土外形組件尺寸參數化以及保護層厚度參數化； 下部受力筋的排數，每排根數、第二排縱筋高度、受力筋半徑和兩端伸出長度參數化； 箍筋加密區與非加密區長度以及加密區間距參數化以及鍵槽粗糙面的參數設置(圖9)。

圖9 預制疊合梁參數化示意圖

表1 預制柱構件參數化設計中的參數示意及公式

2.3 預制桁架板參數化設計

預制桁架板參數化設計采用長度模塊，寬度以及板厚采用參數化設計。依據拆分設計原則預制桁架板長度在(3000-6000)mm的范圍以300mm遞進分成11個模塊，達到模塊化設計。桁架鋼筋結合拆分設計建模并實現了數量參數化使其滿足相鄰桁架鋼筋間距≤600mm的設計要求(圖10)。

圖10 預制桁架板參數化示意圖

3 結語

本文結合裝配式建筑工程實踐案例，重點闡述了利用BIM技術對裝配式構件實施參數化設計、統一裝配式構件拆分設計標準的實施流程及方案，能大大提高裝配式構件加工和現場安裝的工作效率，在較大程度減少人工錯誤，同時在施工階段通過節點的精準設置和定位加快施工進度。應用實踐效果表明，BIM技術與裝配式建筑相結合，能深度挖掘BIM技術在裝配式建筑中的應用價值，推動裝配式建筑往更高效、高質量方向發展。