某鋼筋混凝土宿舍樓裝配式結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計方法與分析*

肖龍榮 周文勇 高金賀

(東華理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

1 概述

裝配式建筑主要是對建筑設(shè)計過程中部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行預(yù)制選擇，并按照設(shè)計要求進行裝配的一種新型建筑形式。其具有施工便捷、成本低、安全系數(shù)高的特點，能夠滿足現(xiàn)代化城市建設(shè)的基本要求[1]。美國、德國于20世紀70年代出臺了相關(guān)法案及規(guī)范開展裝配式結(jié)構(gòu)的研究與實踐。我國于2016年也相繼提出了裝配式結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展規(guī)劃，裝配式建筑結(jié)構(gòu)將成為未來建筑領(lǐng)域的主流思想。但目前，裝配式結(jié)構(gòu)仍面臨建筑行業(yè)標準體系及產(chǎn)業(yè)鏈不完善、專業(yè)型人才缺乏、施工技術(shù)要求高等問題[2]。

另一方面，建筑信息模型技術(shù)(BIM技術(shù))匯集了設(shè)計數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、碰撞檢測數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、維護信息、運營信息等多方面的信息。因此，BIM技術(shù)在整個項目周期中表現(xiàn)出可視性、模擬性、關(guān)聯(lián)性、協(xié)調(diào)性，優(yōu)化性以及系統(tǒng)化管理六大特點。國外建筑工程中BIM技術(shù)的應(yīng)用較國內(nèi)成熟，制定了一些BIM技術(shù)應(yīng)用的標準和規(guī)章。我國的BIM技術(shù)應(yīng)用剛剛起步，目前僅有少數(shù)大型項目采用了BIM技術(shù)，BIM技術(shù)人才奇缺，BIM技術(shù)應(yīng)用鏈條尚未打通，并未大范圍推廣使用[3]。

綜合上述兩大建筑領(lǐng)域的新技術(shù)與新思想，裝配式建筑結(jié)構(gòu)的信息化技術(shù)模型在我國現(xiàn)階段的工程領(lǐng)域中，還存在著應(yīng)用實例較少、設(shè)計流程碎片化、應(yīng)用效果不突出等問題[4]。

本文針對上述問題，對某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的宿舍樓采用裝配式建筑結(jié)構(gòu)理念，運用PKPM-BIM軟件進行裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。其設(shè)計流程與方法有助于擴展裝配式建筑結(jié)構(gòu)的信息化技術(shù)實例應(yīng)用，適應(yīng)我國裝配式建筑結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展規(guī)劃。

2 工程項目概論

本工程為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的宿舍樓，位于江西省井岡山市。抗震設(shè)防烈度為6度，場地類別為I0類，粗糙程度為C類。本宿舍樓為鋼筋混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，共有7個自然層，總高25.7 m，占地面積1 141.92 m2。單體裝配率要求不小于50%，樓板為桁架疊合板、預(yù)制柱、疊合梁、裝配式內(nèi)墻。

3 基于PKPM-BIM軟件平臺的裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

為實現(xiàn)本工程項目裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念以及采用BIM信息化設(shè)計模式，結(jié)構(gòu)設(shè)計的流程如圖1所示。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，裝配式結(jié)構(gòu)理念體現(xiàn)在方案設(shè)計中對預(yù)制構(gòu)件進行指定。BIM信息化模型體現(xiàn)在基于參數(shù)信息的整體分析、構(gòu)件設(shè)計及深化設(shè)計。

3.2 信息模型的創(chuàng)建

本項目在裝配式建筑設(shè)計前期將預(yù)制構(gòu)件的幾何尺寸及內(nèi)部鋼筋的直徑、長度以及鋼筋保護層厚度、地震信息、調(diào)整信息等能全面反映與建筑參數(shù)相關(guān)的信息輸入到PKPM-BIM軟件中，利用BIM技術(shù)平臺完成對數(shù)據(jù)的處理，形成標準層設(shè)計模型，通過專業(yè)化的信息輸入達到精準高效的建筑模型輸出效果。

3.3 裝配式構(gòu)件的指定

本項目首層全部采用現(xiàn)澆，以加強整體可靠性，其他層的梁構(gòu)件都進行預(yù)制梁指定。梁構(gòu)件以疊合梁方式預(yù)制，預(yù)留一定高度的現(xiàn)澆層與樓板現(xiàn)澆，增強整體性，如圖2所示。對于板構(gòu)件，除衛(wèi)生間樓板以外，其余板構(gòu)件均進行預(yù)制指定。板構(gòu)件的預(yù)制方式與梁構(gòu)件類似，其中預(yù)制層為60 mm厚，現(xiàn)澆層為70 mm厚，如圖3所示。對于柱構(gòu)件，除邊柱外的其余柱構(gòu)件均進行預(yù)制指定，如圖4所示。內(nèi)墻全部進行預(yù)制指定，如圖5所示。

3.4 標準層裝配式構(gòu)件的拆分及方案整合

在完成裝配式構(gòu)件指定后，應(yīng)用PKPM-BIM軟件對梁、板、柱構(gòu)件進行預(yù)制構(gòu)件拆分。

本項目中，梁構(gòu)件的拆分采用矩形截面和凹口截面兩種截面形式。其中，主梁采用凹口截面，凹槽深度為50 mm，有利于板構(gòu)件的預(yù)制層和預(yù)制梁的組裝，便于施工，如圖6所示；在有次梁搭接處的預(yù)制梁上設(shè)置牛擔(dān)板，其可靠性更高，應(yīng)用較多，如圖7所示；在外邊梁上采用翻邊，翻邊高度為220 mm，其作用是可免去支模過程，如圖8所示。對于次梁，采用矩形截面，不對截面進行任何處理，只設(shè)置抗剪鍵槽，如圖9所示。

對于板構(gòu)件的拆分，本項目均按雙向板拆分。以本項目的第2自然層板構(gòu)件拆分為例，宿舍房間和陽臺的板構(gòu)件均采用等分的方式拆分，拆分出若干塊寬度相同的預(yù)制板，如圖10，圖11所示；走廊上的板構(gòu)件采用模數(shù)化的方式拆分，拆分出1塊1 650 mm和4塊1 200 mm的預(yù)制板，具體如圖12所示。通過這種拆分方式，實現(xiàn)了本項目裝配式建筑少規(guī)格、多組合的設(shè)計要求。

在本項目中，柱構(gòu)件設(shè)置矩形抗剪鍵槽，增強抗剪能力，鍵槽寬度為150 mm，長度為200 mm，深度為3 mm，內(nèi)縮尺寸為0 mm，鍵槽坡高為10 mm。預(yù)制柱留有700 mm厚的現(xiàn)澆層，便于節(jié)點連接，增加節(jié)點的可靠性，如圖13所示。

在完成所有預(yù)制構(gòu)件的拆分后，利用PKPM-BIM軟件進行標準層復(fù)制、樓層組裝，最終拼接成整體框架。

3.5 信息模型的整體分析及裝配率統(tǒng)計

為考察本項目結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性，進行了信息模型的整體分析。分析采用了PKPM-BIM設(shè)計軟件中SATWE計算分析，主要從自振周期、振型曲線、地震力、位移角、軸壓比、剛度比等指標進行考察，部分評價指標如表1所示。同時，依據(jù)分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)設(shè)計的信息模型進行再優(yōu)化。

表1 信息模型評價指標匯總表

為滿足國標裝配率建筑標準，本項目對建筑的主體結(jié)構(gòu)、圍護墻和內(nèi)隔墻采用裝配式建筑理念。根據(jù)裝配率計算公式得出本項目的裝配率為60%，屬于A級裝配式建筑。本項目的裝配率計算匯總表如表2所示。

表2 裝配率計算匯總表

3.6 配筋設(shè)計及深化設(shè)計調(diào)整

配筋設(shè)計流程中，為了減少鋼筋碰撞現(xiàn)象，盡量采用大直徑鋼筋進行配筋，并采用PKPM-BIM軟件平臺進行深化設(shè)計調(diào)整。鋼筋碰撞檢查則為其最重要的一步。本項目應(yīng)用PKPM-BIM軟件對第2自然層進行鋼筋碰撞檢查，共發(fā)現(xiàn)有537處鋼筋碰撞，主要分為梁構(gòu)件的箍筋與板構(gòu)件的沿跨長方向鋼筋、梁構(gòu)件的底筋與柱構(gòu)件的鋼筋、梁構(gòu)件的底筋與梁構(gòu)件的底筋三類鋼筋碰撞。在解決這三類鋼筋碰撞之前，首先處理疊合板和疊合梁的底筋問題，應(yīng)用PKPM-BIM軟件將疊合板的底筋進行自動避讓并對疊合梁采用縱筋彎折的方式進行縱向避讓和采用預(yù)制截面內(nèi)縱筋彎折的方式進行水平避讓。下面將以實例說明在本項目中解決這三類鋼筋碰撞的方法。

對于梁構(gòu)件的箍筋和板構(gòu)件的沿跨長方向鋼筋碰撞，本項目采用修改板構(gòu)件沿跨長方向鋼筋的排列參數(shù)，而不修改梁箍筋排列參數(shù)的方法有效的避免鋼筋碰撞，如圖14所示。對于梁構(gòu)件的底筋與柱構(gòu)件的鋼筋碰撞，本項目采用同時修改柱構(gòu)件的側(cè)面鋼筋和上下鋼筋參數(shù)的方法避免鋼筋碰撞，如圖15所示。對于梁構(gòu)件的底筋與梁構(gòu)件的底筋碰撞，本項目采用修改梁的底筋排列參數(shù)的方法進行鋼筋避讓，如圖16所示。為有效的解決本項目鋼筋碰撞現(xiàn)象，采用如圖17所示的流程。

3.7 導(dǎo)出結(jié)構(gòu)模型及相關(guān)圖紙

基于上述步驟，為實現(xiàn)裝配式建筑一體化和精細化設(shè)計目標，本項目對梁板柱等預(yù)制構(gòu)件進行編號，形成了生產(chǎn)車間所需要的材料統(tǒng)計清單。同時導(dǎo)出結(jié)構(gòu)模型相關(guān)的定位圖、模板圖、平面布置圖、節(jié)點大樣圖、深化設(shè)計詳圖等裝配式設(shè)計圖紙，為建筑施工人員提供施工參照。本項目最終結(jié)構(gòu)專業(yè)信息化模型如圖18所示。

4 結(jié)語

本項目基于PKPM-BIM軟件平臺，對鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)進行了裝配式設(shè)計，提出了合理的設(shè)計流程與預(yù)制構(gòu)件拆分模式。通過計算分析，結(jié)構(gòu)滿足性能要求，裝配率達到了60%的A級裝配式建筑。本設(shè)計流程可為BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑設(shè)計全過程普及和推廣提供參考，共同提高設(shè)計行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用水平。

另外，本文所采用的設(shè)計理念與思路得到了東華理工大學(xué)建筑工程學(xué)院余海滔、張宇軒和北京構(gòu)力科技有限公司深圳分公司艾顯書的指導(dǎo)與幫助。