工業化住宅結構自動拆分與組裝技術研究

■ 惲燕春 Yun Yanchun

工業化住宅結構自動拆分與組裝技術研究

■ 惲燕春 Yun Yanchun

文章分析研究基本BIM技術工業化住宅結構的自動拆分和組裝技術。針對國內工業化住宅的現狀和需求，分析BIM技術對于結構自動拆分和組裝技術的優勢，研究BIM技術在自動拆分和組裝階段各自的標準和流程，并總結拆分和組裝過程中的注意要點。結合實際項目的應用，驗證該研究的可行性和合理性。

BIM；工業化住宅；自動拆分；組裝技術

0 引言

相較于傳統現澆住宅，工業化住宅的特點之一就是需要對構件進行拆分，以達到工廠生產、現場組裝的目的，這種特有的建造方式使其尺寸和配筋更加標準，現場濕作業量減少，人工及材料用量等都大幅度降低。雖然工業化建筑有諸多優點，但由于目前國內對于工業化結構設計規范的不完善，各地采用的結構體系、設計手法及對應的生產施工方式都大相徑庭，沒有統一的指標，使其在應用中存在諸多問題。如工業化構件深化設計不合理、預制構件廠區較遠、產品質量精度無法保證、現場堆放無序、安裝工人經驗不足等問題，都在一定程度上影響了房屋質量，妨礙了國內工業化住宅的發展。

傳統的二維設計手法無法在構件拆分階段充分考慮構件的可生產性、可運輸性、可吊裝性及可安裝性，但在工業化住宅的設計、生產、運輸、施工、運營維護全流程中，預制構件的拆分設計是第一步，相當于工業化住宅全流程中的鏈條。拆分設計的方式決定了后續各個階段的協調性和可操作性，如能實現工業化住宅結構合理的自動拆分，設計階段將事半功倍。BIM技術的應用恰恰能解決傳統設計方法的盲點，且設計周期遠遠小于傳統方式，保證工業化建造方式多、快、好、省的特點。

BIM技術的應用對工業化住宅的發展至關重要，可貫穿設計、生產、運輸、施工、運營維護全流程。基于BIM的可視化、協同性、模擬性特點，保證各專業、各工作成員間都在一個三維可視環境下的協同工作，并通過真實的模擬施工過程，預先發現可能存在的問題，最大限度地減少因設計或施工方面的失誤帶來的遺憾；表明數據化的BIM技術應用則是實現高效高質低能耗建筑的前提。

鑒于國內當前工業化住宅產生的種種問題，BIM技術對于工業化住宅拆分和組裝的應用迫在眉睫。基于此目的，本課題研究了BIM技術在結構自動拆分和組裝上的應用，將BIM技術優勢與結構自動拆分和組裝相結合，體現其應用價值。

1 基于BIM技術的工業化住宅結構自動拆分技術研究

1.1 BIM技術自動拆分的優勢

在工業化住宅結構拆分設計階段，由于工業化住宅設計協同難度大、設計質量要求高、設計內容要求全、對成本管控嚴的特點，傳統設計方式無法滿足工業化住宅的要求。BIM技術則從可視化、協同化、參數化三方面使工業化住宅結構達到自動拆分目的。

（1）可視化：利用內梅切克的三維可視模型，形象、直觀得表達構件信息，對墻板拆分的合理性、正確性、完整性、一致性進行審核。

（2）協同化：結合土建、裝修、部品設計的要求靈活調整拆分形式，協調各專業高效開展工作，設計深化、修改實時聯動更新，很大程度上避免了人為溝通不及時帶來的設計錯漏。

（3）參數化：利用內梅切克的參數標準化設置對結構進行自動拆分，如節點寬度、構件超限設置、拼縫設置等，有效規避人為拆分可能造成的墻體過短、構件過重等問題，通過軟件提前檢測組裝過程中的鋼筋碰撞等問題。

BIM技術將傳統的二維構件設計用三維可視化設計替代，保證構件之間的開槽、洞口連貫；同時，采用標準化的設計族插入模型應用，在構件圖設計階段僅需將三維構件圖導出二維圖形，經過簡單處理補充，即可完成構件的平、立、剖視圖，大幅度降低了繁瑣的二維設計過程，且能保證各視圖間的一一對應關系。

在完成初步拆分的基礎上，BIM技術對于拆分細節的控制相對于傳統方式也具有明顯優勢。例如，其可視化特性在墻板轉角處的拼縫選擇上得到充分體現，不同位置的拼縫可以導致完全不同的立面效果，對細節的把控可以極大地提高建筑品質。

1.2 BIM技術自動拆分的標準

基于BIM技術的疊合板式剪力墻工業化住宅結構體系自動拆分，主要體現在墻板、樓板、梁以及陽臺板等結構部件上，通過BIM軟件內梅切克的各項標準設定，使其實現預制構件的自動拆分。

1.2.1 結構墻板的拆分標準

對于結構墻板拆分，需在依托BIM技術基礎上達到以下幾點標準。

1.2.1.1 預制板厚度

由于疊合板式剪力墻預制板內需要放置墻體分布筋,并充當現澆模板的作用，因此其厚度會依據墻板總厚度的變化而變化。厚度較大的墻板（比如地下室外墻）就需要設定更厚的預制層（表1）。

1.2.1.2 預制板內外葉板高差

樓板的厚度造就了疊合板式剪力墻內外葉預制板的高差，預制板的尺寸標準是自動拆分的必要因素之一。

1.2.1.3 預制板最大長高值以及重量

自動拆分出的預制墻板是否達標，評判之一來自構件廠生產設備條件，模臺的最大寬度限制了預制板的最大長度或高度；評判之二是現場的塔吊能否吊起構件，這限制了預制板的重量。

1.2.1.4 墻板連接節點

作為結構拆分的標志，標準節點可以顯著提高自動拆分效率，即不需要對節點進行細微的二次調整。

1.2.2 結構樓板

對于結構樓板，其拆分標準要做到以下幾點。

1.2.2.1 預制板厚度

依據《裝配式混凝土結構技術規程》（JGJ1—2014）對于疊合樓板的厚度要求，保證預制最低厚度標準為60mm。但由于結構樓板總厚度和樓板支撐體系的不同，預制板厚度會隨之變動，因此結構可以自動拆分，對不同樓板總厚度的結構設定相應厚度標準（表2）。

1.2.2.2 預制板寬度

與疊合板式剪力墻相同，其最大寬度受到構件廠生產模臺的最大寬度限制。但是由于預制板之間的拼接分為后澆型和密拼型，后澆型預制板寬度指的是面板寬度和外伸錨固鋼筋的長度之和，而不僅僅是指混凝土構件面板的寬度，因此在自動拆分前，需提前考慮并設定對應拼接方式的預制板最大寬度標準。

表1 疊合墻板厚度定義

表2 疊合樓板厚度定義

1.2.2.3 預制板重量

根據現場塔吊噸位和位置，設定預制板最大重量標準。

1.2.2.4 預制板間接縫、預制板端部與支承墻板搭接長度

根據不同的拼接方式，設定不同寬度的接縫，并確保其端部與支承墻板有不小于10mm的搭接長度。

1.2.2.5 預制板拆分數量

對于雙向板，為有利于樓板整體的結構受力，可沿預制板次受力方向，將預制板拆分為奇數份。

1.2.3 結構梁構件拆分標準

對于結構梁構件，單跨梁即為一個完整的預制構件，一般僅在主次預制梁交叉的情況下需要進行構件拆分。

1.2.3.1 預制梁端部與支承剪力墻或柱搭接長度

預制梁端部與支承結構有不小于10mm的搭接長度。

1.2.3.2 次梁優先主梁進行拆分

結構設計中，一般主梁高度大于次梁高度，因此，次梁的截斷拆分可使主梁保持底部完整，并給予次梁端部10mm的搭接長度。

1.2.4 陽臺板、空調板等構件的自動拆分標準

此類構件一般為單獨存在，可形成整體預制構件而不需要拆分，唯一需要考慮的是預制構件端部與支承墻板的搭接長度不得小于10mm。

1.3 BIM技術自動拆分的流程

在明確BIM技術自動拆分的標準下，運用三維BIM設計軟件內梅切克對住宅結構進行工業化自動拆分，自動拆分流程如圖1所示。

（1）根據全專業施工圖進行BIM三維建模。根據建筑及結構施工圖，在BIM軟件內設定各樓層結構標高、門窗洞口、剪力墻厚度、樓板厚度等一系列信息數據，最后形成BIM信息化建筑結構三維模型（圖2）。

（2）明確工業化住宅結構自動拆分標準，并將此標準BIM數據化。針對不同的工業化住宅，需要根據章節1.2的標準進行一一確定。例如，疊合板式剪力墻由外葉板、內葉板以及中間空心層三部分組成，就需要確定各個組成部分各自的厚度，使BIM設計軟件依此進行疊合板式剪力墻設計。

（3）預制構件設計。在各個標準BIM數據化以后，實現一鍵完成預制構件的建立，包括預制構件的厚度、高度、重量、編號、材質等（圖3）。

（4）根據節點的標準化，完成基于BIM技術工業化結構自動拆分。將左右建筑結構部件進行預制化以后，根據標準的L型、T型及一字型數據化節點進行自動拆分。

圖1 基于BIM技術結構自動拆分流程

圖2 基于BIM技術三維模型搭建圖

1.4 BIM技術自動拆分的要點

基于BIM技術的自動拆分技術，需要明確自動拆分流程各環節的要點（圖4），因為不確定的標準是導致結構自動拆分頻頻返工的最重要因素。因此，需要注意如下幾點。

（1）在全專業圖紙的匯總環節。許多單位由于工程進度的關系，往往會在圖紙不全或不確定的情況下急于進行結構自動拆分和深化設計，施工圖的變更造成了自動拆分的頻繁調整，從而無法達到高效的工業化設計水平。

（2）BIM三維模型的準確性。完成三維模型的搭建后，需要對其層高、墻厚、板厚、平面布置等進行反復核查，以免自動拆分后造成預制構件尺寸不正確，現場無法組裝。

（3）節點的標準化。由于標準節點的建立必須與結構設計單位協調，需要提早制定標準節點的范圍與方式，確保結構安全性和自動拆分的便捷性，否則會拖延施工圖與結構自動拆分的進度。

圖3 基于BIM技術的三維建筑墻體預制構件設計

圖4 基于BIM技術的疊合板式剪力墻節點自動拆分設計

圖5 基于BIM技術的結構組裝流程

圖6 基于BIM技術的施工場地建模

2 基于BIM技術的工業化住宅結構組裝技術研究

2.1 BIM技術組裝的優勢

在構件的組裝階段，整合預制構件、塔吊布置、現場鋼筋布置等信息的BIM技術對構件的組裝幫助巨大，BIM技術的鋼筋碰撞檢查可以讓設計及時調整疊合墻板內的外伸筋位置，在三維效果中預先制定施工吊裝、鋼筋綁扎方案，并據此安排塔吊位置數量，使圖紙的高質量得以保證。結合施工進度模擬，優化調整施工方案，施工單位可將計劃進度與BIM模型加以數據集成，通過模擬真實施工進度及狀況，預演施工場景，以便分析不同施工方案的優劣，并及時做出調整，以此獲得最佳施工方案。

在工業化住宅中，也可以對項目中的重點或難點部分進行實時可建性模擬，例如，對組裝工作操作空間、多構件節點組裝施工順序、設備管線安裝調試等施工安裝方案進行優化。

2.2 BIM技術組裝的流程

與工業化住宅結構自動拆分有所不同，結構的組裝需要施工單位協同設計單位一起，在BIM平臺上研究其應用技術。其組裝流程如圖5。

（1）施工場地建模（圖6）。在施工過程的多個階段使用BIM圖形化來表現永久或臨時現場設施，將模型與施工活動進度表相關聯以表達空間和排序的要求，并入模型的附加信息包括勞動資源、關聯的配送材料、設備位置。

（2）住宅模型節點鋼筋、管線碰撞檢查（圖7）。基于BIM內梅切克三維鋼筋設計，結合施工方案模擬節點鋼筋，避免各組分構件吊裝時鋼筋碰撞，同時與內梅切克數據共享的DDS提供全面的機電暖通管線設計，協同模擬工業化住宅搭建過程中從土建到精裝的碰撞檢查。

（3）將無碰撞的住宅模型融入施工場地模型中，以便整體施工規劃。

（4）階段規劃。與現場項目部合作，根據實際施工進度計劃，采用BIM技術施工模擬，使團隊對項目節點和施工計劃更好的理解，最終輸出施工模擬視頻文件。

（5）BIM施工指導。通過BIM實現可視化效果，并對部分節點進行視頻動畫示意，達到施工模擬指導的效果。

（6）通過BIM技術，進行工業化住宅結構組裝。根據之前完成的BIM施工模擬視頻以及施工指導，確保現場工業化住宅結構組裝的順利進行。

2.3 BIM技術組裝的要點

與結構自動拆分相同，基于BIM技術的結構組裝也需要考慮其各環節的要點，主要有以下兩點。

2.3.1 碰撞檢查

碰撞檢查是BIM技術應用于結構組裝最明顯也是最重要的一點。復雜鋼筋節點的三維施工模擬，可保證每個構件在組裝時順利到位。

2.3.2 清晰的施工指導

施工指導必須淺顯易懂，過于復雜專業的術語會造成現場工人組裝時似懂非懂，妨礙組裝的順利進行。基于BIM技術的動畫施工模擬，可以更好地傳達指導意義。

圖7 基于BIM技術的模型碰撞檢查

3 實例介紹

當前，各地工業化住宅項目數量龐大。寶業集團的疊合板式剪力墻體系在多年實踐運用中積累了大量經驗，并在國內對于工業化住宅規范不完善的情況下，通過一系列試驗并結合多年施工經驗，參與制定了針對疊合板體系的地方標準，使BIM技術的自動拆分在數據庫參數標準化上有了依據。

2014年底，寶業集團與上海現代建筑設計集團聯合打造的上海第一幢疊合板體系示范項目樓順利結頂。此項目結構體系為疊合板式混凝土剪力墻結構，是由疊合板式剪力墻、疊合樓板、疊合式梁、疊合式陽臺、預制樓梯和預制空調板，輔以必要的現澆混凝土剪力墻、邊緣構件、梁等共同形成的剪力墻結構體系。項目創新性地采用大開間設計手法，通過結構優化，將剪力墻全部布置在建筑外圍，內部空間無任何剪力墻與結構柱，使用戶可根據不同需求對室內空間進行靈活分割。整個項目流程以BIM信息化技術為平臺，通過模型數據的無縫傳遞、鏈接設計與制造環節，提高質量和效率。

3.1 項目結構自動拆分標準

根據章節1.2的標準設定，將項目的各個標準予以確定，并錄入BIM系統中。以疊合板式剪力墻為例，具體信息如下。

（1）預制板厚度：項目剪力墻厚度為200mm，根據預制板定義標準將內外葉板厚度設定為50mm，中間空心層為100mm，同時根據結構施工圖確定混凝土材質C35。

（2）預制內外葉板高差：根據項目樓板厚度140mm，設定疊合板式剪力墻內外葉板高差為140mm，即0.14m。

（3）預制板最大尺寸及重量：通過協同構件廠生產的設備模臺寬度，確定預制板的兩條邊長不可同時超過3m，并根據項目標準層總體的剪力墻布置，確定預制板重量控制在3.0t以內，滿足構件自動拆分和塔吊噸位的要求。

（4）連接節點：在滿足建筑開窗、結構計算，方便現場施工、結構拆分的情況下，將L型節點現澆區域開口定位為300mm和400mm，一字型為400mm。

3.2 項目基于BIM技術的結構自動拆分

項目首層的結構自動拆分之前，首先需要通過BIM設計軟件將所有三維建筑墻體自動轉化為預制構件，根據之前設置的結構拆分標準，將剪力墻轉化為內外葉板厚50mm、高差140mm，尺寸邊長不同時大于3m，且重量不超過3t的疊合板式剪力墻（圖8、9）。其次，通過標準化節點實現結構自動拆分，將疊合板式剪力墻連接處自動生成L型或者一字型標準節點（圖10），其中紫色區域為標準化拆分節點。

3.3 項目基于BIM技術的結構組裝

（1）BIM技術在結構組裝中的體現主要是在碰撞檢查上。因此，首先要根據BIM軟件內梅切克的構件深化設計，對節點組裝進行施工模擬。

（2）進行整體施工場地模型搭建，包括運輸車輛、塔吊布置等信息，并將住宅模型整合入施工場地（圖11）。

（3）進行4D階段規劃，包括在項目建造過程中合理制定施工計劃，精確掌握施工進度，優化使用施工資源，并科學進行場地布置。接著，根據BIM施工指導進行現場預制構件的組裝工作（圖12），并對一些安全注意事項予以警示。

3.4 工程項目總結

根據對該示范工程從設計、生產、運輸到現場施工全流程的實施總結，結合寶業集團在工業化住宅領域多年的研發、施工經驗，筆者認為，基于BIM技術的工業化住宅結構自動拆分與組裝應具備以下特點。

（1）BIM可視化設計：這是實現結構自動拆分的基礎，也是BIM技術應用于工業化住宅最直觀的特點。

（2）構件設計參數標準化：這是實現預制構件一鍵生成的關鍵，也極大方便了后期結構自動拆分。

（3）拆分節點標準化：只有節點標準化了，才可以利用BIM技術根據標準化節點數據實現拆分標準化。

（4）拆分大板化：在符合現行規范的條件下，盡量采用大板形式，以此減少自動拆分節點，更容易實現標準化節點。

圖8 三維建筑剪力墻

圖9 三維疊合板式剪力墻

圖10 三維疊合板式剪力墻自動拆分

圖11 整體施工場地模型搭建

圖12 根據BIM施工指導現場預制構件的組裝

4 結語

隨著工業化建筑的迅速發展，基本的結構拆分已不是難點。但是，信息化時代必須具備從結構拆分上升為結構自動拆分的能力，其中的問題需要通過深入研究及大量工程實踐來探討解決,而通過BIM技術將結構自動拆分所需數據進行集成是必經之路，因此，工業化住宅的結構設計、制造、運輸、安裝數據傳遞技術是接下來迫切需要研究解決的課題。希望通過本研究基于BIM技術對結構自動拆分和組裝的理解和應用示例，能給業內人士新的思路，一起推動工業化住宅向信息化、智能化的演變。

Study on Automatic Disassembling and Assembling Technology for Industrialized Residential Structure

The paper analyzed BIM technology based automatic assembling and disassembling technology for industrialized residential structure. According to present situation and requirements of Chinese industrialized residences, it analyzed BIM technology's advantages for structural automatic disassembling and assembling, studied BIM technology's standard and procedure in stages of automatic disassembling and assembling, and summarized attentions in the process of disassembling and assembling. The feasibility and reasonability of this study was also verif i ed according to application in practical projects.

BIM, industrialized residences, automatic disassembly, assembly technology

上海市科學技術委員會科研計劃項目（14DZ1202100）。

惲燕春，寶業集團上海建筑工業化研究院結構所所長，工程師。