裝配式混凝土框架的BIM 正向設計應用探索

王志偉 姜立 崔召鑫

(1. 北京構力科技有限公司，北京 100006；2. 西安建筑科技大學華清學院，西安 710000)

引言

“十四五”建筑業發展規劃提出加快智能建造與新型建筑工業化協同發展，推廣數字化協同設計應用，大力發展裝配式建筑，推廣綠色的建造方式。加快推進建筑信息模型BIM 技術在工程全生命周期的集成應用，推進BIM 與城市信息模型CIM 平臺融通聯動，提高信息化監管能力[1]。為打造數字中國，中國建筑科學研究院有限公司研發了自主BIM 平臺BIMBase[2]。2016 年國務院印發《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》[3]，裝配式建筑（PC, Prefabricated Construction）以三維建模的方式切入傳統行業，有效推進BIM 正向設計的發展。

1 裝配式建筑BIM 正向設計概述

從裝配式建筑出發，對于承重體系構件，內隔墻和外圍護結構應優先考慮具有高標準程度化的預制構件，所以就要求較適用于方正規則的結構。在項目滿足結構計算要求下進行構件拆分，滿足運輸和吊裝的要求下進行裝配式計算，滿足標準后，進行構件鋼筋排布，如布置洞口、線盒及止水節等，并進行鋼筋的碰撞避讓處理。將輸出數據及圖紙直接對接加工廠生產構件，可以計算出鋼筋和混凝土的含量來控制成本。施工過程可以利用模型指定項目分區，以及對預制構件的吊裝順序，對預制構件上編碼信息通過模型讀取進行施工過程管理。以此進行BIM 全程過一體化設計，以助力CIM 平臺的建設[4]。

2 項目基本情況

以三層工業廠房為例，項目為鋼筋混凝土框架結構，項目信息如表1 所示。

表1 項目基本信息表

滿足建筑物的計算指標和配筋值后，初步確定結構構件尺寸：板厚為130mm；柱斷面尺寸確立700mm×700mm；梁斷面尺寸為300×900mm。結構體型規則，軸網布置方正，適合從裝配式角度出發引導BIM 正向設計流程。其項目的建筑模型展示如圖1所示。

圖1 項目的建筑信息模型

在BIMBase 平臺進行結構計算分析，SATWE 參數調整結構體系為裝配整體式框架結構體系，《裝配式混凝土結構技術規程》 JGJ 1-2014 第6.3.1 當同一層內既有預制又有現澆抗側力構件時，地震設計狀況下宜對現澆抗側力構件在地震作用下的彎矩和剪力進行適當放大[5]。引用規范《裝配式混凝土建筑技術標準》GB/T 51231－2016 中第5.7.2 條：對同一層內既有現澆墻肢也有預制墻肢的裝配整體式剪力墻結構，現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[6]。同時得到該結構體系的指標項均滿足計算要求，如表2 所示。

表2 項目結構指標匯總

3 裝配式設計方案

3.1 主體結構方案

按等同現澆原理[7]，計算結構模型配筋。對項目進行標準化設計，一共對柱、梁、板、樓梯和空調板五類結構構件進行拆分設計，以柱網劃分梁格，方便處理相同布置的梁板柱尺寸，也能從預制模板考慮復用率的經濟性。由此確定構件拆分布置方案，每類構件的標準化程度均達到60%，以疊合板為例，全樓匯總的前三種尺寸比例達到66%，如表3 所示。

表3 預制疊合板重復使用率統計

豎向構件主要為柱，預制混凝土體積/總豎向構件體積計算的實施比例為44.26%，水平構件主要為梁、板、樓梯和空調板，水平構件按投影面積計算比例為83.26%，結構主體預制共計得分41.07 分，滿足最低分值。主體結構拆分模型如圖2 ～圖3 所示。

圖2 PKPM-PC 拆分方案模型

圖3 梁、板、柱預制構件三維展示

3.2 圍護墻和內隔墻布置方案

確立圍護墻及圍護墻保溫、隔熱及裝飾一體化，內隔墻及內隔墻管線裝修一體化范圍，確定此部分預制比例。其中非承重圍護墻非砌筑墻體采用蒸壓輕質砂加氣混凝土板材(AAC)計算比例為82.53%；內隔墻非砌筑墻體采用蒸壓輕質混凝土板材(ALC)計算比例為84.22%；同時應用管線、裝修一體化技術為66.26%。滿足裝配式建筑評價標準[8]該項最低分值要求。

3.3 裝修和設備管線設計方案

裝修與設備管線比例：主要為全裝修，干式工法工藝，集成廚衛與管線分離。地上部分均采用全裝修，在房屋交付前，房間內各固定面均已粉刷完畢，各房間基本設備完善，功能完備。

（1）以全裝修以衛生間為例，裝修情況如表4 所示；

表4 衛生間全裝修情況

（2）干式工法樓面、地面主要采用地磚面層，做法如下：

①15mm 厚膠粘地磚；

②10mm 厚高強水泥纖維板；

③55 厚預制溝槽保溫板，內嵌地暖管處開槽20mm；

④1.5 厚聚氨酯防水涂料兩遍四周沿墻上返300mm；

⑤打釘子固定模塊；

⑥預制裝配樓板/鋼筋混凝土樓地面（整理干凈,表面平整度尺寸允許偏差≤5mm）。

全項目干式工法工藝比例匯總如表5 所示；

表5 干式工法比例匯總表

（3）本項目除衛生間區域外，均為干式工法區域，干式工法地面區域選用預制溝槽保溫模塊地面輻射供暖，其他區域采用常規濕式鋪法。預制溝槽保溫板表面帶有固定間距的溝槽，結合干式工法樓面做法將采暖管線敷設于預制溝槽板內，實現管線與結構及墊層的分離，滿足便于檢修和更換的要求。暖通專業管線分離應用比例計算中各樓層全部采暖管線總長度作為分母，管線分離總長度作為分子，該項目暖通專業管線分離應用比例為94.73%，如圖4 所示。

圖4 設備管線、管線分類現場圖

3.4 裝配式建筑總評分

綜上所述，各評價項分值均已滿足計算要求，考慮地方性評價標準要比國標更具有深度，以山東省《裝配式建筑評價標準》DB37/T 5127-2018 中表3.0.4 裝配式建筑評分表計算得到如表6 所示。根據此標準[9]，最終裝配率為71.17%，可以進行裝配式建筑評價等級為一星級裝配式建筑。

表6 裝配式建筑評分表

4 裝配式構件深化

預制構件深化設計時，應根據各類設備管線施工圖、建筑圖及精裝圖，同時應結合結構要求，對水暖、煙風道、燈具和開關插座等設置位置進行避讓干涉、復核、比對與優化，確定符合其在相應預制構件預留預埋要求。在PKPM-PC 模型上添加預留預埋，可直觀呈現預埋件與鋼筋等碰撞情況，并合理做出避讓干涉，后期可實現一鍵導出CAD 圖紙詳圖，如圖5 ～圖6 所示。通過軟件自動統計物料清單BOM 數據直接對接工廠，預制構件進行自動化生產。

圖5 鋼筋碰撞調整

圖6 線盒處鋼筋自動避讓

5 裝配式施工方案

施工方案需要綜合考慮社會環境影響，資源再回收利用可行性，施工技術難易程度，經濟造價是否合理等[10]。該項目預制構件施工階段吊裝方案：項目內構件從首層開始預制，應用疊合板、預制空調板，預制樓梯、梁和柱，采用裝配整體式框架結構，應用有預制外墻板、預制內墻板。塔吊設置各自的構件堆放區，充分利用推線外的區域設置施工加工場地及構件堆放場地。預制構件堆放區設置位置盡量靠近樓體，且在塔吊回轉半徑之內，便于構件的吊裝。利用BIMBase系列軟件PC-Site 模塊布置塔吊，可以模擬施工吊裝其覆蓋范圍、可吊構件的重量，以及對預制構件進行吊裝順序指定。同時還應考慮塔吊的附墻桿件及使用后的拆除和運輸等，如圖7 所示。

圖7 PC-Site 塔吊布置模擬

6 裝配式項目社會效益與經濟指標

從國家發展裝配式建筑以來，社會層面對裝配式產品的爭議一直不斷，主要是因為建筑成本的上升，另外對于預制構件連接處的現澆節點是否真的可以按照等同現澆的結構去進行相應的計算。在全過程施工階段，裝配式建筑可以有效避免資源浪費，比如輔助性的施工設備少，可以節能；節約頂板模板鋼模板，可以節材；現場建筑廢料揚塵少，可以做到綠色施工。

目前在裝配式項目上，鋼筋用量大約增加20%，混凝土也有一定程度增加。但在施工階段，因周期大大縮短所造成的能耗和人工成本會降低很多，用相應的代價換取更好的產品完成產品升級[11]，經濟指標如表7 所示。

表7 經濟指標對比

7 結論

本文以BIMBase 平臺的PKPM-PC 模塊進行裝配式正向設計研究，得出如下結論：

（1）發展裝配式建筑可以平衡人口紅利消失問題，有效解決能耗高、污染重、資源消耗大等社會問題，可以有效地降低碳排放；

（2）在PC 裝配式建筑采用BIM 技術進行設計生產，可以通過對設計方案進行驗算和模擬找到施工裝配方式，形成完整的設計、施工和交付運營一體化的生產鏈；

（3）應用BIM 理念進行裝配式建筑設計，推進BIM 正向設計應用，同時也能將模型數字化，助力國家CIM 平臺建設。