基于BIM技術(shù)的裝配式疊合板的深化設(shè)計(jì)

楊紅艷 張曉東

（遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，裝配式建筑正好滿(mǎn)足建筑產(chǎn)業(yè)化需求［1］。裝配式建筑工業(yè)化發(fā)展以綠色發(fā)展為導(dǎo)向，在現(xiàn)場(chǎng)拼裝預(yù)制構(gòu)件，污染環(huán)境程度低、氣候限制比較少，具有節(jié)能環(huán)保、綠色高效、工業(yè)化程度高的特點(diǎn)，有助于建筑工業(yè)化及住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展［2］。

BIM 技術(shù)是一種信息化技術(shù)，具有可視化、參數(shù)化、模擬化等特點(diǎn)。BIM 技術(shù)把整個(gè)建筑的數(shù)據(jù)、信息模型整合在一起，將其應(yīng)用于項(xiàng)目的全生命周期，實(shí)現(xiàn)各單位人員的信息協(xié)同，可提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，能有效縮短工期［3］。傳統(tǒng)的裝配式建筑深化設(shè)計(jì)無(wú)法將圖紙的信息精確展現(xiàn)，將BIM 技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑中，利用其特點(diǎn)，能提高裝配式建筑的施工效率［4］。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM 技術(shù)逐漸被應(yīng)用于裝配式建筑項(xiàng)目中。Liang 等［5］基于BIM 技術(shù)裝配式住宅設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)出模塊化功能、模塊組合功能、模塊替換功能。研究結(jié)果表明，將BIM 技術(shù)運(yùn)用于裝配式住宅項(xiàng)目中，可滿(mǎn)足客戶(hù)需求，使建筑空間得到有效利用。He［6］將裝配式建筑與BIM 技術(shù)相結(jié)合，結(jié)果表明，利用BIM 技術(shù)可視化、集成化、信息化等特點(diǎn)，能很好地解決構(gòu)件拆分、預(yù)埋預(yù)留、鋼筋排布的碰撞問(wèn)題，對(duì)預(yù)制構(gòu)件形態(tài)能更加直觀地表達(dá)，使BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用更加靈活。

疊合樓板是裝配式建筑中的重要組成部分，生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單，工業(yè)化生產(chǎn)量大，能大大減少施工中現(xiàn)澆的工作量，從而減少人力，有效控制成本。本研究以某住宅樓項(xiàng)目為例，通過(guò)分析其閣樓層疊合樓板深化設(shè)計(jì)的過(guò)程及BIM 技術(shù)深化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，提高裝配式建筑的可實(shí)施性及施工效率，為實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)裝配式建筑BIM技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 基于BIM 技術(shù)的裝配式疊合板的深化設(shè)計(jì)內(nèi)容

將BIM 技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑疊合板中，對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，包括對(duì)疊合板拆分布置、鋼筋深化、構(gòu)件連接點(diǎn)深化、孔洞預(yù)留等深化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)原有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行補(bǔ)充、改進(jìn)，使其更加精確，從而達(dá)到廠家生產(chǎn)及施工標(biāo)準(zhǔn)。將BIM 技術(shù)與裝配式疊合板設(shè)計(jì)結(jié)合，提前發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，避免構(gòu)件定位不準(zhǔn)確和設(shè)計(jì)偏差，減少工程損失。

2 基于BIM 技術(shù)的裝配式疊合板的深化設(shè)計(jì)應(yīng)用案例

2.1 工程概況

以某住宅樓小區(qū)B-10#樓工程項(xiàng)目為例，地面以上有8 層，局部為閣樓，建筑室內(nèi)外高差為0.300 m、建筑物高度（室外地面到主要屋面板的板頂）為25.700 m、設(shè)計(jì)標(biāo)高±0.000、相對(duì)于絕對(duì)標(biāo)高為6.250 m、總建筑面積為5072.28 m2。該工程項(xiàng)目為剪力墻結(jié)構(gòu)，閣樓層樓板采用預(yù)制疊合板。

2.2 疊合板設(shè)計(jì)參數(shù)

該工程項(xiàng)目的住宅樓閣樓層采用預(yù)制疊合板，樓層疊合板共88 塊，有17 種類(lèi)型的預(yù)制板。疊合板厚度一般為60 mm，現(xiàn)澆混凝土層厚度為70 mm，總厚度為130 mm。疊合樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，底板鋼筋采用雙向布置，其采用HRB400 鋼筋，直徑分別為8 mm、10 mm，鋼筋間距為150 mm，四周預(yù)留外伸鋼筋長(zhǎng)度。項(xiàng)目關(guān)于25～49 號(hào)軸軸對(duì)稱(chēng)，因此預(yù)制板構(gòu)件存在多種重復(fù)。對(duì)閣樓層疊合板進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 閣樓層疊合板統(tǒng)計(jì)

2.3 BIM技術(shù)在疊合板深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.3.1 疊合板構(gòu)件拆分。疊合板構(gòu)件拆分時(shí)應(yīng)遵循板的拆分原則，優(yōu)化設(shè)計(jì)板的尺寸，盡可能減少種類(lèi)、工廠生產(chǎn)、后期運(yùn)輸和安裝困難［7］。根據(jù)圖紙考慮板的單向性或雙向性。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）中的規(guī)定，當(dāng)長(zhǎng)邊/短邊＞2時(shí)，宜設(shè)為單向板；當(dāng)長(zhǎng)邊/短邊≤2時(shí)，宜設(shè)為雙向板。板之間的拼縫方式及后澆帶寬度要根據(jù)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位及構(gòu)件生產(chǎn)單位要求決定板的規(guī)格［8］。該項(xiàng)目以閣樓層疊合板布置為例，進(jìn)行拆分選擇，相同尺寸板塊設(shè)置同一編號(hào)，拆分的板設(shè)置在剪力墻、框架梁等位置，板縫避開(kāi)房間照明。疊合板的拆分還要考慮機(jī)械設(shè)備的運(yùn)輸長(zhǎng)度和寬度，其寬度在3 m 內(nèi)、長(zhǎng)度在5 m 內(nèi)［9］。疊合板拆分后如圖1所示。

圖1 疊合板拆分

2.3.2 疊合板鋼筋排布。疊合板桁架鋼筋是連接現(xiàn)澆混凝土及疊合板預(yù)制層的主要構(gòu)件，能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，提供抗剪能力，形成整體受力，保證鋼筋與混凝土層不發(fā)生滑移。在對(duì)疊合板進(jìn)行深化設(shè)計(jì)時(shí)，桁架規(guī)格采用B80，上下弦鋼筋直徑均為8 mm，腹桿鋼筋直徑4 mm，桁架鋼筋由一根上弦鋼筋、兩根下弦鋼筋及兩側(cè)腹桿鋼筋組成，經(jīng)電焊形成倒V 字形的鋼筋焊接骨架。桁架鋼筋應(yīng)沿長(zhǎng)邊布置，孔洞預(yù)留及鋼筋間距等要根據(jù)樓板厚度進(jìn)行布置，如圖2 所示。以預(yù)制1 號(hào)板尺寸2 600 mm×1 400 mm為例，根據(jù)圖紙要求，對(duì)板進(jìn)行鋼筋排布、四周外伸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)、鋼筋的搭建方式等深化設(shè)計(jì)，用BIM 技術(shù)將鋼筋排布方式直觀展現(xiàn)。將C10、C8鋼筋分別水平、豎向布置，鋼筋三維布置如圖3所示。

圖2 疊合板鋼筋二維布置

圖3 疊合板鋼筋三維布置

2.3.3 疊合板節(jié)點(diǎn)連接。該項(xiàng)目PCB-9、PCB-10 和PCB-15、PCB-16 之間的連接是后澆混凝土，取后澆帶寬度為300 mm，如圖4 所示。疊合板的板底縱筋平直段長(zhǎng)度為290 mm，末端設(shè)置135°的彎鉤。該板為雙向板，板面為粗糙面。

圖4 疊合板水平連接

2.3.4 疊合板與梁的節(jié)點(diǎn)連接。裝配式疊合梁能解決現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土澆搗質(zhì)量問(wèn)題和克服搭接支架的困難，在工廠進(jìn)行批量制作預(yù)制梁，可以克服施工困難和減少材料浪費(fèi)。施工中構(gòu)件間的節(jié)點(diǎn)連接是否準(zhǔn)確關(guān)系到結(jié)構(gòu)的使用安全，通過(guò)BIM 技術(shù)將節(jié)點(diǎn)間的連接直觀地表示出來(lái)，便于施工［10］。預(yù)制構(gòu)件尺寸應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工尺寸進(jìn)行調(diào)整，并根據(jù)建筑節(jié)點(diǎn)連接建立三維模型。該項(xiàng)目中預(yù)制板與梁間的連接如圖5所示。

圖5 疊合板與梁的節(jié)點(diǎn)連接

2.3.5 疊合板預(yù)埋預(yù)留深化。疊合板孔洞預(yù)留不準(zhǔn)確是施工現(xiàn)場(chǎng)最常見(jiàn)的問(wèn)題，通常會(huì)因鋼筋與孔洞碰撞等，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員及施工人員的工作難度加大，需要對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行二次定位，從而造成工期耽誤。構(gòu)件深化人員應(yīng)根據(jù)水暖、機(jī)電設(shè)計(jì)圖紙?zhí)崆芭c機(jī)電深化人員進(jìn)行溝通，能提前發(fā)現(xiàn)鋼筋碰撞。該項(xiàng)目在孔洞設(shè)計(jì)預(yù)留中，鋼筋與孔洞發(fā)生碰撞，因此要對(duì)鋼筋排布進(jìn)行調(diào)整，如圖6 所示。以PCB-3板為例，鋼筋避讓及桁架鋼筋移動(dòng)均要在孔洞周?chē)贾脙筛睆讲恍∮?0 mm 的鋼筋，補(bǔ)強(qiáng)鋼筋直徑、型號(hào)不變。

圖6 疊合板鋼筋與預(yù)留孔洞碰撞

2.3.6 疊合板吊裝點(diǎn)位。①疊合板吊裝荷載驗(yàn)算。疊合板吊點(diǎn)的設(shè)置，宜設(shè)置在吊點(diǎn)正彎矩與板負(fù)彎矩相等位置處，其疊合板吊裝荷載驗(yàn)算主要在于預(yù)制構(gòu)件脫模階段［11］。目前裝配式項(xiàng)目大部分是以桁架鋼筋設(shè)置為吊點(diǎn)進(jìn)行起吊，若預(yù)制構(gòu)件達(dá)到混凝土抗壓強(qiáng)度的75%，且不小于15 N/mm 時(shí)方可脫模。預(yù)制板在吊裝之前應(yīng)進(jìn)行施工驗(yàn)算，吊裝時(shí)動(dòng)力系數(shù)為1.5，底板施工承載力驗(yàn)算時(shí)荷載按疊合板自重加1.0 kN/m2的施工可變荷載計(jì)算，滿(mǎn)足吊裝要求［12］。

②疊合板吊裝作業(yè)。預(yù)制疊合板一般有單獨(dú)設(shè)置吊環(huán)和桁架鋼筋作為吊環(huán)的兩種設(shè)置方式。由于預(yù)制板錨固長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，單獨(dú)設(shè)置吊環(huán)容易導(dǎo)致吊環(huán)脫落，可利用疊合板桁架鋼筋吊點(diǎn)代替預(yù)埋吊環(huán)，能完全滿(mǎn)足吊裝要求［13］。疊合板的平面布置、構(gòu)件質(zhì)量、板的特點(diǎn)及吊裝承載力等都是吊裝階段要考慮的重要因素。為避免吊裝過(guò)程中板出現(xiàn)裂縫，要對(duì)吊點(diǎn)宜結(jié)合疊合板尺寸及質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行設(shè)置，一般疊合板吊點(diǎn)宜設(shè)置為4個(gè)或6個(gè)，根據(jù)板尺寸設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目的吊點(diǎn)數(shù)量為4 個(gè)。預(yù)制吊裝時(shí)，采用鋼絲繩吊鎖具進(jìn)行吊裝。吊索水平夾角不宜大于60°、不應(yīng)小于45°。預(yù)演吊裝時(shí)，應(yīng)先檢查起重機(jī)及重物的穩(wěn)定狀態(tài)、制動(dòng)機(jī)器的可靠性、綁扎是否牢固，先將重物吊離地面0.2～0.5m 后，確認(rèn)無(wú)誤后方可繼續(xù)起吊。如果發(fā)現(xiàn)疊合板在試吊時(shí)不處于水平狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整鋼絲繩，使板保持水平狀態(tài)。

2.3.7 疊合板臨時(shí)支撐。疊合板最大優(yōu)勢(shì)在于施工現(xiàn)場(chǎng)模具少且施工速度快。因此，減少現(xiàn)澆混凝土的同時(shí)，對(duì)有拼縫的板需要有更多的臨時(shí)支撐。該項(xiàng)目的模板采用鋁模板支撐，為了疊合板標(biāo)高和支撐的有效調(diào)節(jié)，要把立桿之間的最大間距控制在2 m 內(nèi)，第一道橫向支撐距離墻邊的距離不應(yīng)大于0.5 m，如果間距相差過(guò)大，則應(yīng)在獨(dú)立的立桿間增設(shè)支撐，并進(jìn)行合理調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，要用三角支撐架獨(dú)立加工，對(duì)支撐立桿進(jìn)行臨時(shí)固定［14］。疊合板支撐體系如圖7所示。

圖7 疊合板支撐體系（單位：mm）

3 疊合板的制作與運(yùn)輸

3.1 制作生產(chǎn)

預(yù)制疊合板要滿(mǎn)足裝配式建筑建造的質(zhì)量與需求，需要設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位及構(gòu)件加工單位共同協(xié)商。由于該疊合板由HRB400 級(jí)的鋼筋和C30 混凝土構(gòu)成，在安裝疊合板時(shí)，要求預(yù)制板實(shí)體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%，而出廠強(qiáng)度為75%即可運(yùn)輸，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，疊合板可能因強(qiáng)度不夠而破裂。因此，需要與廠家協(xié)商，并規(guī)定疊合板提前15 d 生產(chǎn)，完成兩周的養(yǎng)護(hù)后，使安裝階段的板體強(qiáng)度更有保障［15］。

3.2 疊合板的運(yùn)輸

預(yù)制疊合板在運(yùn)輸前，要按照疊合板尺寸對(duì)支點(diǎn)木方進(jìn)行合理布置，同一編號(hào)的疊合板必須分類(lèi)放置一起運(yùn)輸，不同類(lèi)型的疊合板應(yīng)分開(kāi)存放。運(yùn)輸時(shí)，預(yù)制板應(yīng)采用平放運(yùn)輸。當(dāng)板跨度≤3.6 m時(shí)，跨中放置1條木方；當(dāng)板跨度＞3.6 m時(shí)，跨中鋪設(shè)2 條墊木。墊木必須上下對(duì)齊和墊實(shí)，不得有一角落空，避免在運(yùn)輸中因磕碰而導(dǎo)致疊合板碎裂。疊合板要根據(jù)構(gòu)件出廠順序進(jìn)行運(yùn)輸，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置臨時(shí)固定或保護(hù)裝置。

3.3 疊合板的堆放

疊合板的堆放場(chǎng)地要堅(jiān)實(shí)、平整，且要保證地下有排水措施。應(yīng)將疊合板底向下放平，不能倒置，且在板與板之間的桁架鋼筋側(cè)邊各放置一塊100 mm×100 mm 的木方，木方上還要墊上一層15 mm 以上的柔性墊和硬橡膠墊，以免發(fā)生變形而破裂，每堆放置疊合板層數(shù)不宜超過(guò)6 層［16］。疊合板堆放如圖8所示。

圖8 疊合板堆放示意

4 BIM技術(shù)深化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)分析

傳統(tǒng)的裝配式建筑通常是在二維圖紙中進(jìn)行的，且各專(zhuān)業(yè)構(gòu)件復(fù)雜且繁多，在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)法避免專(zhuān)業(yè)構(gòu)件間的碰撞，降低構(gòu)件的加工效率。因此，將BIM 技術(shù)與裝配式建筑結(jié)合起來(lái)，能直觀反映出構(gòu)件連接之間的碰撞，并能及時(shí)調(diào)整。利用BIM 技術(shù)可視化、可參數(shù)化等特點(diǎn)，對(duì)構(gòu)件拆分、鋼筋排布、洞口預(yù)留精確布置，相關(guān)設(shè)計(jì)人員根據(jù)模型與圖紙不匹配問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行修改，減少誤差，提高準(zhǔn)確率，為裝配式施工提供安全保障。由于BIM 技術(shù)對(duì)各專(zhuān)業(yè)方提出的需求進(jìn)行整合與集成，避免各專(zhuān)業(yè)模型間的沖突，同時(shí)利用其進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，避免構(gòu)件預(yù)留孔洞與鋼筋布置沖突，能有效避免施工現(xiàn)場(chǎng)二次施工帶來(lái)的浪費(fèi)。在BIM技術(shù)與裝配式建筑結(jié)合的基礎(chǔ)上，應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，可減少重復(fù)建模，使鋼筋布置更加智能化、參數(shù)化，并為施工單位和構(gòu)件生產(chǎn)單位提供信息共享，提高構(gòu)件的生產(chǎn)效率與準(zhǔn)確率。

5 結(jié)論

在建筑行業(yè)呈現(xiàn)工業(yè)化發(fā)展的時(shí)代，實(shí)現(xiàn)建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配式施工是目前裝配式建筑工業(yè)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)疊合板能很好解決施工現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土困難，并節(jié)約材料和人工，提高施工效率，使裝配式建筑工業(yè)化發(fā)展更加高效。通過(guò)BIM 技術(shù)在裝配式疊合板的深化設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用，得出以下結(jié)論。

①在疊合板深化設(shè)計(jì)時(shí)，各單位負(fù)責(zé)人要及時(shí)、有效溝通，應(yīng)用BIM 技術(shù)將預(yù)制構(gòu)件拆分布置，通過(guò)洞口預(yù)留、鋼筋避讓等進(jìn)行精確定位，可避免圖紙多次變更，影響構(gòu)件生產(chǎn)，從而提高施工質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

②疊合板是裝配式建筑中應(yīng)用最多的構(gòu)件，根據(jù)其規(guī)格少、組合多的原則，構(gòu)件單位可實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)預(yù)制板，但構(gòu)件種類(lèi)多、吊裝效率低、鋼筋綁扎困難、構(gòu)件吊裝時(shí)開(kāi)裂等問(wèn)題還須進(jìn)一步探索。

③通過(guò)將板進(jìn)行預(yù)制，保證構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，可提高生產(chǎn)效率，滿(mǎn)足節(jié)能環(huán)保需求，減少鋼筋浪費(fèi)，在便于生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)，解決了現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土的困難。

④在深化設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝等可行性，要確保施工質(zhì)量，為后續(xù)構(gòu)件安裝提供有力支持，但要考慮運(yùn)輸?shù)跹b重量及運(yùn)輸產(chǎn)生的費(fèi)用。