基于BIM技術的上海某項目裝配式設計

丁 泓 Ding Hong 惲燕春 Yun Yanchun 袁華江 Yuan Huajiang

1 工程概況

上海市青浦區青浦新城63A-03A地塊愛多邦項目，是全國裝配式建筑科技示范項目、全國建筑業綠色施工示范項目、上海市裝配式建筑示范工程及上海市工業化科研的示范工程。項目位于上海市青浦新城東部，總建筑面積83 218.35m2，其中地上建筑面積56 917.49m2，包括8棟裝配式住宅和1棟商業樓，100%采用裝配式結構，項目單體混凝土預制率≥45%。

該項目主要擁有四大技術特點：①創新的結構體系，包含雙面疊合剪力墻、全預制套筒剪力墻和預制預應力框架三大PC結構體系，且地下室外墻采用雙面疊合預制墻板；②集成化的技術應用，即工業化外裝、工業化內裝，如商業樓就是輕鋼外圍護外墻體系和PC預制預應力框架結構的集成化建筑；③先進的工藝工法，包括裝配式鋁膜、爬升式平臺、大空間可變房型和預應力等；④信息化的管理模式，主要包括基于BIM信息平臺的智能化生產、4D模擬施工和信息化運維管理。特別是項目充分利用BIM信息化管理平臺協調業主、設計、生產、物流和施工各方，極大地提高建造效率和建筑質量，是上海地區采用EPC施工總承包模式的示范工程。

本文將以8#樓為例，著重介紹其裝配式結構設計。采用全預制套筒剪力墻結構體系，樓高51.6m；地上17層，建筑面積為10 980.21m2；地下1層，建筑面積為1 125.60m2。抗震設防烈度7度（0.1g），設計地震分組為第一組；抗震設防類別為丙類，剪力墻抗震等級三級。根據《裝配式混凝土結構技術規程》（JGJ 1—2014）相關規定，剪力墻結構底部加強區宜現澆，因此，8#樓底部兩層為現澆混凝土結構，3層以上為裝配式結構，裝配式結構部件有全預制剪力墻、疊合樓板、疊合梁、預制樓梯、疊合陽臺板和預制空調板，單體預制率55%。

2 體系簡介

全預制套筒剪力墻結構是國內較早應用的裝配式結構體系，采用剪力墻身整體預制，上下預制墻體通過灌漿套筒連接，水平預制墻體則采用預留外伸筋錨入現澆邊緣構件的連接方式，達到建筑整體結構穩定，并滿足相應抗震要求。

當前，該結構體系在國內的應用已十分廣泛，各大院校連同企業進行了一系列全預制套筒剪力墻的相關試驗，以驗證各種狀況下結構的抗震性和穩定性。基于試驗結論，國家規范及行業規范也相繼出臺，對裝配式結構設計進行有效指導和規范。目前，北京、上海、深圳等地均已建成相當規模的該體系裝配式建筑，裝配式結構設計也趨于成熟，細節設計逐步完善。

但是，大部分全預制套筒剪力墻結構的裝配式設計仍然處于二維設計階段，BIM技術僅僅運用于模擬建筑整體三維效果及節點連接，而未能將BIM技術真正體現在構件設計、生產和施工的銜接中，導致裝配式結構的設計質量、設計效率以及設計周期均無法得到保證。

3 基于BIM技術裝配式設計

裝配式結構設計主要是指預制構件的拆分及構件之間的連接設計，需要對裝配式建筑生產、運輸、吊裝施工進行全流程的考量。若僅從結構設計角度出發，形成的裝配式設計成果往往造成后續工作不可控，易出錯，易返工。因此，基于BIM技術，結合建筑全流程工藝工法，是裝配式設計的必要手段。本文將主要針對剪力墻節點連接、疊合樓板連接以及預制樓梯間的裝配式設計進行闡述。

3.1 剪力墻節點設計

根據現行國家標準，相鄰預制剪力墻之間的邊緣構件宜采用后澆混凝土（圖1）。但是，基于對現有在建項目的實地考察和研究，邊緣構件的施工質量并不理想，附加連接鋼筋的放置與設計要求存在較大偏差，且施工效率低下。

鑒于此，本項目8#樓的剪力墻節點設計采用了全預制節點方式（圖2），即將施工難度大且質量無法把控的邊緣構件移至工廠生產，以保證節點區構件質量，而施工現場僅需要在剪力墻身軀進行簡單的一字型后澆連接，施工效率和質量大大提高。

在裝配式設計階段，基于BIM技術進行全預制節點連接設計。根據規范要求，可視化預制邊緣構件設計包括灌漿套筒布置、套筒鋼筋及箍筋設計，并精確設計外伸鋼筋長度和高度，保證其在同一水平面，便于現場施工附加箍筋的放置綁扎，同時用于指導此節點的施工工藝和流程（圖3）。基于BIM技術產生的構件數據直接傳遞至工廠中控端，因此，包括構件尺寸、鋼筋清單、預埋件清單、構件加工圖等，實現了設計到生產的數據無縫對接。

圖1 全預制套筒剪力墻L型節點連接大樣圖

圖2 8#樓剪力墻L型連接節點圖

圖3 基于BIM技術L型節點設計圖

3.2 疊合樓板連接設計

現有疊合樓板連接方式分為兩類，一類為后澆型，另一類為密拼方式。國內較常見的設計方式是如圖4所示的后澆型，整體性能較好，但同樣存在施工較繁瑣的缺點，需要大量的拼縫模板，且施工質量難以控制。

本項目8#樓從設計理念到設計方法，都是基于工業化可變房型住宅考慮，減少室內剪力墻的布置，達到室內空間最大化和靈活化，因而疊合樓板的跨度也較大，樓板總厚度達到180mm。根據設計規范并結合工廠生產、現場施工便捷性，疊合樓板拼縫設計為密拼型，參考國內密拼型樓板相關節點圖集，同時結合德國的試驗研究成果，優化密拼型節點連接，通過每邊雙排桁架鋼筋的設置來約束附加板底連接鋼筋，保證結構整體安全性（圖5）。

同樣，基于BIM技術設計密拼型疊合樓板（圖6），以保證拼縫處桁架鋼筋間距符合設計要求，并通過BIM系統將疊合樓板設計數據至工廠端口進行自動化生產，既提高了設計和生產效率，也優化了施工流程。

3.3 預制樓梯間設計

本項目設計為單層雙跑樓梯，其樓梯間休息平臺與標準層樓板、樓梯間外墻與標準層墻板存在錯層關系，因此，在裝配式設計過程中，合理的構件拆分及現場吊裝流程是需要考慮的關鍵因素。

圖7為樓梯間平面拆分結構布置圖，平面拆分依然按照章節2.1的方式，采用邊緣構件與剪力墻整體預制方式，連接節點設計為500mm現澆平直段。

圖8為樓梯間左視圖，可以看出，其樓梯間外墻PCQ23與樓梯側墻PCQ2為錯層布置。如此布置方式主要有兩方面好處：①保證了PCQ23中窗戶的整體性，避免因為窗戶一拆為二導致的立面效果及窗戶拼縫漏水隱患；②PCQ23在樓梯休息平臺處連接，與樓板、邊緣構件一同澆筑，整體性好，且施工難度降低，防水性能好。

在現場安裝階段，本項目斜撐布置如圖9所示。外墻PCQ23支撐于休息平臺上，樓梯側墻PCQ2/PCQ3上部互撐于下層墻板，下部通過角鋼限制其橫向位移，形成穩定的三角形結構。

穩定狀態下，由風力產生的斜支撐承載力應滿足如下設計承載力：

式中，Geq—全預制套筒剪力墻等效自重，動力系數取1.2；

圖4 后澆型疊合樓板連接節點圖

圖5 8#樓密拼型疊合樓板連接節點圖

圖6 基于BIM技術疊合樓板拼縫連接節點圖

圖7 樓梯間平面拆分結構布置圖

圖8 樓梯間左視圖（套筒僅為示意）

Fw—作用于剪力墻水平方向的風力；

T—斜支撐承載力設計值；

θ—斜支撐與剪力墻的夾角；

b—剪力墻厚度；

e—剪力墻重心與支點距離。

根據計算得出的斜支撐承載力，進一步復核斜支撐固定埋件的安全性。

此外，結合BIM三維施工模擬，分析預制墻板、預制樓梯、預制休息平臺的吊裝方案，指導施工有序進行，避免因預制構件吊裝順序抑或支撐方式錯誤而導致無法正常施工（圖10、11）。

4 創新技術

此項目8#樓從實際工程應用出發，率先采用多種新型技術，在簡化設計和保證結構性能的前提下，大大提高了施工效率。

4.1 鋼絲繩連接環設計

鋼絲繩連接環是由高強度鋼絲繩和鍍鋅薄鋼板金屬盒制作而成，通常用于墻體間的連接，通過鋼絲繩和混凝土抗剪鍵，把水平力從一個構件傳到另一個構件（圖12）。

由于鋼絲環連接設計為弱連接，無法在剪力墻中應用，因此，針對此項目結構設計，在不影響剪力墻的情況下，應用于填充墻的連接中，以提高項目工業化程度。對本項目某一墻板的原設計連接節點（圖13）進行優化后，形成如圖14所示的新型連接節點，其L型轉角邊緣構件預制，與其相連的外圍護填充墻預制。采用此連接方式避免了原設計的鋼筋綁扎、螺栓連接及模板支設，節省了設計、生產、施工等各環節的工作量。

圖9 安裝階段斜支撐布置方式及力學模型圖

圖10 BIM技術樓梯間安裝模擬圖

圖11 現場樓梯間安裝

圖12 鋼絲繩連接環連接示意圖

圖13 原設計連接節點圖

圖14 優化后新型連接節點圖

4.2 暗栓式連接設計

8#樓樓梯間采用裝配式設計，針對休息平臺與周邊全預制剪力墻的連接問題，若采用普通疊合板式桁架樓板，四周的外伸錨固鋼筋會極大影響吊裝效率。因此，在項目開展前期，進行了與項目同戶型、同比例的樣板房試生產，對一系列創新研究進行嘗試，其中就包括裝配式樓梯間的暗栓式休息平臺連接設計。

在全預制剪力墻中預留連接孔洞，通過預留在休息平臺中的可拉伸式暗栓埋件，將暗栓與孔洞對準后錨入并灌漿，使其四點受力（圖15、16）。

圖15 暗栓式連接設計圖

圖16 休息平臺俯視圖

此連接方式不需要在邊模預留外伸筋槽口，難度低從而生產效率高，且吊裝就位極其簡單，施工難度很小。但是，此連接件成本較高，國內暫時較難實現大面積推廣應用。

5 結語

通過對裝配式設計細節的研究及BIM系統的支撐，本項目得以在各階段順利開展，為今后的裝配式建筑奠定了良好的理論和實踐基礎。作為全國裝配式建筑科技示范項目，本項目從建筑到結構，從外裝到內裝，從設計到施工，均以BIM信息化為載體，大膽嘗試新工藝、新工法，借以推動住宅產業化的發展。