論裝配式混凝土建筑水平構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)與具體應(yīng)用

李慶林

(1中非農(nóng)業(yè)投資有限責(zé)任公司 北京 100810)(2山東省委黨校 濟(jì)南 250000)

近年來(lái),隨著新型城鎮(zhèn)化穩(wěn)健推進(jìn),人們生活品質(zhì)顯著提升,社會(huì)各界對(duì)于建筑品質(zhì)的要求也越發(fā)嚴(yán)格。在建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的驅(qū)使下,施工工藝、理念都有所更新。但與此同時(shí),能源、環(huán)境壓力驟然提升,建筑行業(yè)內(nèi)呈現(xiàn)出激烈競(jìng)爭(zhēng)的形勢(shì)。在此背景下,如何推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)升級(jí)和優(yōu)化,以促進(jìn)建設(shè)走向綠色、環(huán)保的科學(xué)發(fā)展軌道,是建筑領(lǐng)域相關(guān)工作者所探究的熱點(diǎn)問(wèn)題。而后以S市XX路某施工項(xiàng)目重點(diǎn)闡述了關(guān)于裝配式混凝土建筑水平構(gòu)件深化設(shè)計(jì)、應(yīng)用情況。

1 裝配式混凝土建筑

1.1 裝配式混凝土建筑概念

裝配式混凝土建筑(Prefabricated concrete buildings)是新時(shí)期下常見(jiàn)的建筑類型,它指以鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件為主,現(xiàn)場(chǎng)裝配的方式設(shè)計(jì)、建造(見(jiàn)圖1)。按照其裝配類型的差異,又可將其劃分成全部裝配、部分裝配兩種[1]。前者主要是用于低層建筑,亦或是對(duì)于抗震設(shè)防等要求相對(duì)較少的多層建筑中;后者常以預(yù)制構(gòu)件為主,在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)澆筑混凝土,從而建造成裝配結(jié)構(gòu)。此類建筑具有的特點(diǎn)是:施工快、效率高、損耗小、質(zhì)量佳。

圖1 裝配式混凝土建筑

1.2 裝配式混凝土建筑發(fā)展意義

如今,裝配式混凝土建筑得以迅猛發(fā)展,探究其優(yōu)勢(shì)和發(fā)展意義,第一,提升施工效率及質(zhì)量。裝配式有著系統(tǒng)化、規(guī)范化的特點(diǎn),能夠減少人工操作及其工作強(qiáng)度,還能保障各個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量,整體效率較理想。第二,能減少能源耗損[2]。由于構(gòu)件實(shí)現(xiàn)工廠化,因而各項(xiàng)材料、能源消耗都處于可控制狀態(tài),例如電力、材料損耗較少,建筑施工垃圾也大幅度減少。第三,縮短工期,提升勞動(dòng)效率。由于構(gòu)件生產(chǎn)、施工同步進(jìn)行,和傳統(tǒng)施工方式比較能明顯縮短施工工期,符合新時(shí)期下城市化進(jìn)程的建設(shè)需求。

2 水平構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)

2.1 深化設(shè)計(jì)原則及內(nèi)容

深化設(shè)計(jì)通俗而言,就是在遵守國(guó)家規(guī)定前提下,對(duì)原有的設(shè)計(jì)方案、施工圖紙加以完善、補(bǔ)充,從而使其能達(dá)到施工要求,提升工程質(zhì)量。裝配式混凝土建筑進(jìn)行深化設(shè)計(jì)時(shí),主要與其構(gòu)件的生產(chǎn)、施工安裝等服務(wù)相關(guān),且設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋較多,如鋼筋、構(gòu)件連接點(diǎn)、安裝模擬等部分[3]。注意在進(jìn)行深化設(shè)計(jì)過(guò)程中,要滿足“少規(guī)格,多組合”、“模數(shù)協(xié)調(diào)”的原則,將涉及到各個(gè)要素重新整合、優(yōu)化設(shè)計(jì),旨在保障施工質(zhì)量的同時(shí),也能縮短施工工期;另外要關(guān)注到預(yù)埋件、細(xì)部構(gòu)造圖、鋼筋圖等維度,以實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)及施工效率的目標(biāo)。

2.2 深化設(shè)計(jì)流程

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程較單一,例如在待立項(xiàng)后進(jìn)行初步方案、施工圖設(shè)計(jì),隨后進(jìn)行主體施工即可。與之相較,明顯裝配式混凝土建筑設(shè)計(jì)的流程更為精細(xì)、全面(如圖2所示)。例如在工程立項(xiàng)后,通過(guò)技術(shù)策劃后進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、深化,進(jìn)而最終確定設(shè)計(jì)方案,且該方案后要進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)審工作;同時(shí)在設(shè)計(jì)施工圖后,還要結(jié)合相關(guān)構(gòu)件加工圖的設(shè)計(jì)情況,兩兩結(jié)合,最終確定施工[4]。

圖2 裝配式混凝土建筑設(shè)計(jì)流程

3 裝配式混凝土建筑水平構(gòu)件深化設(shè)計(jì)應(yīng)用案例

3.1 工程概況

S市XX路施工項(xiàng)目,使用類型為居民住宅,整個(gè)地塊呈方形,建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí),抗震設(shè)防烈度7級(jí),滿足JGJ l—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求。本工程項(xiàng)目1期共計(jì)5棟裝配式建筑結(jié)構(gòu),均采取剪力墻結(jié)構(gòu)體系。建筑高度約74.31m,層數(shù)25,建筑面積約13520.5m2。主要裝配式構(gòu)件有:預(yù)制墻(51塊)、預(yù)制樓板(32塊)、預(yù)制樓梯(4塊)。

3.2 構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)

構(gòu)件的拆分設(shè)計(jì),要根據(jù)此次S市××路施工項(xiàng)目情況及需求,在設(shè)計(jì)圖紙將可供生產(chǎn)、裝配施工的水平構(gòu)件(以下簡(jiǎn)稱構(gòu)件)拆分出來(lái)。拆分構(gòu)件類型有:疊合樓板、疊合梁、預(yù)制柱等。在拆分時(shí)應(yīng)滿足該施工項(xiàng)目預(yù)制率需求,選擇工業(yè)化生產(chǎn)難度相對(duì)較低的構(gòu)件處理,另外,拆分也要綜合考慮到后續(xù)生產(chǎn)、裝配是否便利,保障構(gòu)件組合分布科學(xué),且具經(jīng)濟(jì)性[5]。從調(diào)查研究可知,當(dāng)前構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的問(wèn)題是:拆分不合理、或節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理。例如在此項(xiàng)目的構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)圖紙中(圖3),由于樓板短邊寬度有3.2m,加上出筋后總寬度達(dá)3.6m,不利于后期生產(chǎn)及運(yùn)輸。因此要對(duì)拆分此水平構(gòu)件,保障寬度在3.0m內(nèi)最佳。需要注意的是:上述的“節(jié)點(diǎn)”,指預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接的連接點(diǎn),和鋼結(jié)構(gòu)的焊接、機(jī)械連接不同,裝配式混凝土建筑多采取“分濕式連接”、“干式連接”。由于和傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)對(duì)比較薄弱,因此此節(jié)點(diǎn)的選擇要在結(jié)構(gòu)受力較小處,或是根據(jù)施工技術(shù)水平來(lái)選擇可靠的節(jié)點(diǎn)。

圖3 構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)圖

3.3 構(gòu)件詳圖設(shè)計(jì)

構(gòu)件詳圖設(shè)計(jì),可謂是整個(gè)深化設(shè)計(jì)過(guò)程中任務(wù)最終的環(huán)節(jié),也是最為核心的環(huán)節(jié),是需要將設(shè)計(jì)出的圖紙轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)運(yùn)用的加工圖,對(duì)于后期加工、建筑施工都有著最直接的影響。在水平構(gòu)件的詳圖設(shè)計(jì)中,主要要關(guān)注到以下五個(gè)方面:第一,構(gòu)件尺寸圖。除水平構(gòu)件的立體圖、平面圖外,還需要局部放大、剖面圖等以便于分析。第二,配筋圖。包括水平構(gòu)件主筋、箍筋、構(gòu)造筋、附加筋,且均為多個(gè)視圖。第三,預(yù)留預(yù)埋的布置圖。第四,則是材料清單,主要以鋼筋為主。第五,構(gòu)件詳圖對(duì)應(yīng)說(shuō)明。待設(shè)計(jì)完成后,應(yīng)將此圖紙交由原設(shè)計(jì)單位審核,避免因人為因素等造成設(shè)計(jì)疏漏、錯(cuò)誤,影響后續(xù)施工[6]。以下,主要探究鋼筋、預(yù)留預(yù)埋、構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)結(jié)合BIM技術(shù)的深化設(shè)計(jì):

3.3.1 鋼筋深化設(shè)計(jì)

其一,關(guān)于鋼筋排布。首先創(chuàng)建出構(gòu)件的三維模型,根據(jù)設(shè)計(jì)圖要求合理布設(shè)鋼筋。在軟件中載入鋼筋形狀,按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)彎錨方向、錨固長(zhǎng)度,充分發(fā)揮出BIM技術(shù)三維可視化的優(yōu)點(diǎn)。在此次工程項(xiàng)目中,同樣借助于Revit軟件創(chuàng)建出鋼筋的三維模型(如圖4),注意模型尺寸要和設(shè)計(jì)圖紙中尺寸吻合,排布其位置后檢查是否合理,是否存在交叉。

圖4 Revit軟件鋼筋模型

其二,關(guān)于鋼筋碰撞檢查。為了使建筑具備較高承載力,大多會(huì)涉及到鋼筋的使用。由于混凝土建筑中鋼筋數(shù)量眾多,且形狀各異,難免出現(xiàn)所謂的“鋼筋打架”現(xiàn)象。對(duì)于水平構(gòu)件鋼筋排布時(shí),可能因?yàn)楹雎云錁?gòu)件和現(xiàn)澆部位節(jié)點(diǎn)的鋼筋位置情況,而最終導(dǎo)致和其他豎向的鋼筋構(gòu)件間出現(xiàn)碰撞。在深化設(shè)計(jì)時(shí),可結(jié)合BIM技術(shù)構(gòu)造模型,并通過(guò)碰撞校核管理器來(lái)檢查。檢查完畢后軟件會(huì)將出現(xiàn)碰撞的情況羅列出來(lái),技術(shù)人員即可進(jìn)行根據(jù)結(jié)果來(lái)修改設(shè)計(jì)方案。

3.3.2 預(yù)留預(yù)埋深化設(shè)計(jì)

一方面,關(guān)于管道預(yù)留孔洞。此洞主要用于廚衛(wèi)的預(yù)制疊合板中,為防止管道穿過(guò)樓板進(jìn)行二次開(kāi)鑿,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)要結(jié)合給排水管道分析,考慮到管道布設(shè)、直徑等方面,構(gòu)建三維立體模型,并對(duì)已經(jīng)創(chuàng)建好的鋼筋等模型加以整合梳理,基于三維開(kāi)洞技術(shù)明確預(yù)留洞的直徑,并獲得對(duì)應(yīng)信息(如圖5)。此外,當(dāng)發(fā)現(xiàn)預(yù)留位置和鋼筋布置發(fā)生沖突,在深化設(shè)計(jì)時(shí)要將其調(diào)整,避免在施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)碰撞(如圖6,為深化設(shè)計(jì)前、后圖示)。另一方面,關(guān)于預(yù)埋件。在裝配式混凝土建筑中,由于構(gòu)件本身就有截面、尺寸上的標(biāo)準(zhǔn)及要求,它能提高在深化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中,關(guān)于預(yù)埋件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。一旦完成設(shè)計(jì)后預(yù)埋件的位置就已經(jīng)明確,不可進(jìn)行隨意改動(dòng)[7]。為此,在深化設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮,根據(jù)機(jī)電設(shè)計(jì)圖紙、裝修深化圖分析,通常會(huì)借助于MEP、Magicad等建模軟件,采取模型互導(dǎo)等方式后再聯(lián)合技術(shù)人員的指導(dǎo),最終明確預(yù)埋位置,避免位置存在誤差。

圖5 預(yù)留洞信息

圖6 深化設(shè)計(jì)前、后示意圖

3.3.3 構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

如上文所述,在裝配式混凝土建筑工程中,關(guān)于節(jié)點(diǎn)的連接是否準(zhǔn)確,和其構(gòu)件結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)用、安全性都有著密切關(guān)聯(lián)。由于傳統(tǒng)二維圖紙無(wú)法突出節(jié)點(diǎn)中的細(xì)微之處,因此多結(jié)合BIM技術(shù)分析。通過(guò)創(chuàng)建出構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)立體模型,能從多個(gè)維度展現(xiàn)出其構(gòu)件連接情況,便于后續(xù)工程施工。通常包括兩類:

其一,預(yù)制樓梯連接節(jié)點(diǎn)。在S市××路施工項(xiàng)目中,高端支承為固定鉸支座,低端支承為滑動(dòng)鉸支座的連接。樓梯梯段應(yīng)預(yù)留C級(jí)螺栓使之與梯梁處連接。而后,在梯段、梯梁水平間隙鋪設(shè)水泥砂漿,高端梯段和梯梁垂直縫隙中則填充聚苯板。其二,關(guān)于剪力墻與疊合板連接的節(jié)點(diǎn)。此次工程主要涉及到板無(wú)外伸板底縱筋的中間層剪力墻中間支座預(yù)制板、墻體的連接。連接時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合鋼筋,且間距在0.3m左右,最后用鋼筋套筒灌漿連接(如圖7所示)。

圖7 剪力墻預(yù)制疊合板連接節(jié)點(diǎn)

3.4 運(yùn)輸安裝設(shè)計(jì)

關(guān)于構(gòu)件的裝載、運(yùn)輸,需要關(guān)注到裝車計(jì)劃、運(yùn)輸架設(shè)計(jì)、支撐加固設(shè)計(jì)等,對(duì)于門窗框等水平構(gòu)件,也需落實(shí)成品保護(hù)設(shè)計(jì)。對(duì)于部分存在長(zhǎng)度、寬度、高度超出標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件,亦或是其他特殊構(gòu)件,應(yīng)當(dāng)設(shè)置對(duì)應(yīng)的專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案,以保護(hù)構(gòu)件,避免在運(yùn)輸、安裝的過(guò)程中出現(xiàn)變形、破損等情況,影響到構(gòu)件使用,降低裝配式混凝土建筑施工質(zhì)量。例如針對(duì)部分高寬比過(guò)大、大開(kāi)洞的構(gòu)件,應(yīng)當(dāng)考慮進(jìn)行洞口補(bǔ)強(qiáng),或是設(shè)置斜支撐等等,防止其運(yùn)輸、安裝時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象[8]。另外,深化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)裝配環(huán)境、具體要求等,比如單個(gè)構(gòu)件最大質(zhì)量要求、運(yùn)輸路線設(shè)定、安裝順序等。部分內(nèi)容可能設(shè)計(jì)時(shí)難以最終確定,實(shí)際施工過(guò)程中技術(shù)人員要和施工方有效溝通,對(duì)于上述各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的問(wèn)題采取優(yōu)化措施。

4 基于BIM技術(shù)深化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)深化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)對(duì)比

本次研究中,針對(duì)S市××路施工項(xiàng)目的深化設(shè)計(jì)結(jié)合了BIM技術(shù),由于此技術(shù)具備可視化、協(xié)同化等優(yōu)勢(shì),因而能改善傳統(tǒng)深化設(shè)計(jì)中的不足,減少可能存在的設(shè)計(jì)誤差,提高準(zhǔn)確率,進(jìn)而為裝配式混凝土建筑的施工、構(gòu)件生產(chǎn)提供質(zhì)量保障。BIM技術(shù)深化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)深化設(shè)計(jì)的流程差異如下圖8所示。通過(guò)此次研究可得出以下結(jié)論:(1)深化設(shè)計(jì)結(jié)合BIM技術(shù),能借助其可視化、模擬性、碰撞檢測(cè)等優(yōu)勢(shì),提高傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率、準(zhǔn)確度,減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。(2)對(duì)于裝配式混凝土建筑而言,對(duì)其構(gòu)件進(jìn)行審核設(shè)計(jì),在整個(gè)施工、設(shè)計(jì)過(guò)程中都占據(jù)核心位置,結(jié)合BIM技術(shù)后,可避免構(gòu)件在施工中由于失誤而造成的問(wèn)題,能明顯縮短設(shè)計(jì)工作周期,提高工作效率。(3)雖然BIM技術(shù)深化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)較多,但仍然存在出圖樣式不標(biāo)準(zhǔn)等不足,待進(jìn)一步探索。

圖8 傳統(tǒng)深化設(shè)計(jì)和BIM技術(shù)深化設(shè)計(jì)流程對(duì)比

綜上所述,隨著裝配式混凝土建筑推進(jìn),相關(guān)深化設(shè)計(jì)工作也得到了廣泛關(guān)注。此次通過(guò)以S市XX路施工項(xiàng)目為案例分析,指出了在裝配式混凝土建筑水平構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)中囊括了構(gòu)件拆分、詳圖設(shè)計(jì)、運(yùn)輸安裝設(shè)計(jì)等多種,并詳細(xì)探究了諸如鋼筋、預(yù)留預(yù)埋、構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)等多個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。在裝配式混凝土建筑未來(lái)發(fā)展中,還需在技術(shù)、結(jié)構(gòu)、部品等多個(gè)體系上完善,從而加速推動(dòng)裝配式混凝土建筑在質(zhì)量、施工效率上的發(fā)展,創(chuàng)造出更廣闊發(fā)展前景。