裝配式混凝土框架的BIM 正向設(shè)計應(yīng)用探索

王志偉 姜立 崔召鑫

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

引言

“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃提出加快智能建造與新型建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展，推廣數(shù)字化協(xié)同設(shè)計應(yīng)用，大力發(fā)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(shù)在工程全生命周期的集成應(yīng)用，推進BIM 與城市信息模型CIM 平臺融通聯(lián)動，提高信息化監(jiān)管能力[1]。為打造數(shù)字中國，中國建筑科學(xué)研究院有限公司研發(fā)了自主BIM 平臺BIMBase[2]。2016 年國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》[3]，裝配式建筑（PC, Prefabricated Construction）以三維建模的方式切入傳統(tǒng)行業(yè)，有效推進BIM 正向設(shè)計的發(fā)展。

1 裝配式建筑BIM 正向設(shè)計概述

從裝配式建筑出發(fā)，對于承重體系構(gòu)件，內(nèi)隔墻和外圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先考慮具有高標(biāo)準(zhǔn)程度化的預(yù)制構(gòu)件，所以就要求較適用于方正規(guī)則的結(jié)構(gòu)。在項目滿足結(jié)構(gòu)計算要求下進行構(gòu)件拆分，滿足運輸和吊裝的要求下進行裝配式計算，滿足標(biāo)準(zhǔn)后，進行構(gòu)件鋼筋排布，如布置洞口、線盒及止水節(jié)等，并進行鋼筋的碰撞避讓處理。將輸出數(shù)據(jù)及圖紙直接對接加工廠生產(chǎn)構(gòu)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(qū)，以及對預(yù)制構(gòu)件的吊裝順序，對預(yù)制構(gòu)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(shè)計，以助力CIM 平臺的建設(shè)[4]。

2 項目基本情況

以三層工業(yè)廠房為例，項目為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，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(biāo)和配筋值后，初步確定結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)體型規(guī)則，軸網(wǎng)布置方正，適合從裝配式角度出發(fā)引導(dǎo)BIM 正向設(shè)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(jié)構(gòu)計算分析，SATWE 參數(shù)調(diào)整結(jié)構(gòu)體系為裝配整體式框架結(jié)構(gòu)體系，《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 JGJ 1-2014 第6.3.1 當(dāng)同一層內(nèi)既有預(yù)制又有現(xiàn)澆抗側(cè)力構(gòu)件時，地震設(shè)計狀況下宜對現(xiàn)澆抗側(cè)力構(gòu)件在地震作用下的彎矩和剪力進行適當(dāng)放大[5]。引用規(guī)范《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51231－2016 中第5.7.2 條：對同一層內(nèi)既有現(xiàn)澆墻肢也有預(yù)制墻肢的裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)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(shù)[6]。同時得到該結(jié)構(gòu)體系的指標(biāo)項均滿足計算要求，如表2 所示。

表2 項目結(jié)構(gòu)指標(biāo)匯總

3 裝配式設(shè)計方案

3.1 主體結(jié)構(gòu)方案

按等同現(xiàn)澆原理[7]，計算結(jié)構(gòu)模型配筋。對項目進行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，一共對柱、梁、板、樓梯和空調(diào)板五類結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行拆分設(shè)計，以柱網(wǎng)劃分梁格，方便處理相同布置的梁板柱尺寸，也能從預(yù)制模板考慮復(fù)用率的經(jīng)濟性。由此確定構(gòu)件拆分布置方案，每類構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)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(yù)制疊合板重復(fù)使用率統(tǒng)計

豎向構(gòu)件主要為柱，預(yù)制混凝土體積/總豎向構(gòu)件體積計算的實施比例為44.26%，水平構(gòu)件主要為梁、板、樓梯和空調(diào)板，水平構(gòu)件按投影面積計算比例為83.26%，結(jié)構(gòu)主體預(yù)制共計得分41.07 分，滿足最低分值。主體結(jié)構(gòu)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(yù)制構(gòu)件三維展示

3.2 圍護墻和內(nèi)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(nèi)隔墻及內(nèi)隔墻管線裝修一體化范圍，確定此部分預(yù)制比例。其中非承重圍護墻非砌筑墻體采用蒸壓輕質(zhì)砂加氣混凝土板材(AAC)計算比例為82.53%；內(nèi)隔墻非砌筑墻體采用蒸壓輕質(zhì)混凝土板材(ALC)計算比例為84.22%；同時應(yīng)用管線、裝修一體化技術(shù)為66.26%。滿足裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)[8]該項最低分值要求。

3.3 裝修和設(shè)備管線設(shè)計方案

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

（1）以全裝修以衛(wèi)生間為例，裝修情況如表4 所示；

表4 衛(wèi)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(yù)制溝槽保溫板，內(nèi)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(yù)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?cè)绫? 所示；

表5 干式工法比例匯總表

（3）本項目除衛(wèi)生間區(qū)域外，均為干式工法區(qū)域，干式工法地面區(qū)域選用預(yù)制溝槽保溫模塊地面輻射供暖，其他區(qū)域采用常規(guī)濕式鋪法。預(yù)制溝槽保溫板表面帶有固定間距的溝槽，結(jié)合干式工法樓面做法將采暖管線敷設(shè)于預(yù)制溝槽板內(nèi)，實現(xiàn)管線與結(jié)構(gòu)及墊層的分離，滿足便于檢修和更換的要求。暖通專業(yè)管線分離應(yīng)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(yè)管線分離應(yīng)用比例為94.73%，如圖4 所示。

圖4 設(shè)備管線、管線分類現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)要比國標(biāo)更具有深度，以山東省《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》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(jù)此標(biāo)準(zhǔn)[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(gòu)件深化

預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)各類設(shè)備管線施工圖、建筑圖及精裝圖，同時應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)要求，對水暖、煙風(fēng)道、燈具和開關(guān)插座等設(shè)置位置進行避讓干涉、復(fù)核、比對與優(yōu)化，確定符合其在相應(yīng)預(yù)制構(gòu)件預(yù)留預(yù)埋要求。在PKPM-PC 模型上添加預(yù)留預(yù)埋，可直觀呈現(xiàn)預(yù)埋件與鋼筋等碰撞情況，并合理做出避讓干涉，后期可實現(xiàn)一鍵導(dǎo)出CAD 圖紙詳圖，如圖5 ～圖6 所示。通過軟件自動統(tǒng)計物料清單BOM 數(shù)據(jù)直接對接工廠，預(yù)制構(gòu)件進行自動化生產(chǎn)。

圖5 鋼筋碰撞調(diào)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(huán)境影響，資源再回收利用可行性，施工技術(shù)難易程度，經(jīng)濟造價是否合理等[10]。該項目預(yù)制構(gòu)件施工階段吊裝方案：項目內(nèi)構(gòu)件從首層開始預(yù)制，應(yīng)用疊合板、預(yù)制空調(diào)板，預(yù)制樓梯、梁和柱，采用裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有預(yù)制外墻板、預(yù)制內(nèi)墻板。塔吊設(shè)置各自的構(gòu)件堆放區(qū)，充分利用推線外的區(qū)域設(shè)置施工加工場地及構(gòu)件堆放場地。預(yù)制構(gòu)件堆放區(qū)設(shè)置位置盡量靠近樓體，且在塔吊回轉(zhuǎn)半徑之內(nèi)，便于構(gòu)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(gòu)件的重量，以及對預(yù)制構(gòu)件進行吊裝順序指定。同時還應(yīng)考慮塔吊的附墻桿件及使用后的拆除和運輸?shù)?，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(jīng)濟指標(biāo)

從國家發(fā)展裝配式建筑以來，社會層面對裝配式產(chǎn)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(yù)制構(gòu)件連接處的現(xiàn)澆節(jié)點是否真的可以按照等同現(xiàn)澆的結(jié)構(gòu)去進行相應(yīng)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(shè)備少，可以節(jié)能；節(jié)約頂板模板鋼模板，可以節(jié)材；現(xiàn)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(yīng)的代價換取更好的產(chǎn)品完成產(chǎn)品升級[11]，經(jīng)濟指標(biāo)如表7 所示。

表7 經(jīng)濟指標(biāo)對比

7 結(jié)論

本文以BIMBase 平臺的PKPM-PC 模塊進行裝配式正向設(shè)計研究，得出如下結(jié)論：

（1）發(fā)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(shù)進行設(shè)計生產(chǎn)，可以通過對設(shè)計方案進行驗算和模擬找到施工裝配方式，形成完整的設(shè)計、施工和交付運營一體化的生產(chǎn)鏈；

（3）應(yīng)用BIM 理念進行裝配式建筑設(shè)計，推進BIM 正向設(shè)計應(yīng)用，同時也能將模型數(shù)字化，助力國家CIM 平臺建設(shè)。