PC 全裝配辦公樓工藝設(shè)計(jì)研究及 BIM 應(yīng)用

張金樹

（中鐵廣州工程局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458）

0 引言

濟(jì)南市作為全國(guó)第三個(gè)住宅（建筑）產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)城市，通過一系列建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展目標(biāo)和鼓勵(lì)政策的引領(lǐng)，催生出大批以生產(chǎn)預(yù)制混凝土（Precast Concrete，簡(jiǎn)稱 PC）為主的建筑產(chǎn)業(yè)化基地。其中濟(jì)南軌道中鐵管片有限責(zé)任公司全裝配式辦公樓就位于章丘明水經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的中鐵建筑產(chǎn)業(yè)化基地內(nèi)。

現(xiàn)以此棟樓的設(shè)計(jì)深化成果為基礎(chǔ)，運(yùn)行 BIM 和有限元，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)部分研究分析。

1 概述

1.1 軟件選擇

核心建模軟件采用歐特克 Rev it［1-2］，圖紙?zhí)幚聿捎?AutoCAD。安裝工藝的模擬和碰撞檢查采用 Navisworks Manage，有限元計(jì)算軟件采用邁達(dá)斯 Midas Civil。

1.2 技術(shù)資料

《濟(jì)南中鐵管片辦公樓設(shè)計(jì)圖和深化圖》、JGJ 1－2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、DB37/T 5020－2014《裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)工程預(yù)制構(gòu)件制作與驗(yàn)收規(guī)程》和 DB 37/T 5019《裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》［3］，濟(jì)南市關(guān)于裝配式建筑的有關(guān)規(guī)定及其他相關(guān)資料［4］。

1.3 構(gòu)件類型

本棟辦公樓有內(nèi)外剪力墻板、單雙向疊合樓板、疊合梁、外墻轉(zhuǎn)角板、樓梯、填充墻板等，共有663 塊 PC 構(gòu)件（見表 1）。

1.4 生產(chǎn)設(shè)備

兩條PC環(huán)形平模流水生產(chǎn)線（簡(jiǎn)稱流水線）、10 張 4 m×9 m 固定模臺(tái)、一座 2×120 強(qiáng)制式拌合站、四臺(tái)桁吊、一臺(tái)PC構(gòu)件運(yùn)輸車、兩臺(tái)龍門吊、裝載機(jī)、叉車、蒸汽鍋爐等機(jī)械設(shè)備。

表1 PC構(gòu)件匯總表

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝設(shè)計(jì)詳述

裝配式建筑需要針對(duì) PC 構(gòu)件和約束構(gòu)件，設(shè)計(jì)一系列與 PC 構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、連接有關(guān)的新工藝。并要有針對(duì)性的模具設(shè)計(jì)、預(yù)埋件安裝、運(yùn)輸和吊裝新器具、連接技術(shù)等，才能滿足裝配式建筑的全方位要求。

2.1.1 預(yù)制生產(chǎn)工藝

因施工現(xiàn)場(chǎng)與 PC 車間較近，不存在游牧式現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制的必要。

1）板式構(gòu)件：采用二條流水生產(chǎn)線進(jìn)行預(yù)制生產(chǎn)，其中一條流水線預(yù)制生產(chǎn)外墻板和內(nèi)墻板，另一條流水線預(yù)制生產(chǎn)單向和雙向疊合樓板。

進(jìn)行具體生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，本著適用、經(jīng)濟(jì)的原則，根據(jù)模臺(tái)和 PC 構(gòu)件尺寸，采用一塊模臺(tái)之上的雙塊、多塊式模具生產(chǎn)工藝，如圖 1 所示。

其中在預(yù)制生產(chǎn)三明治復(fù)合外墻板（簡(jiǎn)稱三明治板）時(shí)，采用北方通行的反打法進(jìn)行預(yù)制生產(chǎn)［5］，即先安裝 50 mm 厚的外墻板模板，澆筑墻板混凝土。再安裝 80 mm 厚聚苯保溫板，再按照拉結(jié)件布置圖逐個(gè)插入拉結(jié)件，最后安裝內(nèi)墻板模板，澆筑 200 mm 厚的內(nèi)墻板混凝土，如圖 2 所示。

2）異型構(gòu)件：采用固定模位法中的豎向法，進(jìn)行樓梯預(yù)制生產(chǎn)。

圖1 雙塊、多塊式模具布置圖

圖2 三明治板反打法示意圖（單位：mm）

2.1.2 塔吊選取

根據(jù)最重 PC 構(gòu)件力矩（4.96×L）與最遠(yuǎn)安裝距離力矩的比較（Tmax×Lmax）情況，選取最大的值，確定塔吊型號(hào)。

2.1.3 運(yùn)輸與安裝工藝

1）運(yùn)輸：選擇用構(gòu)件運(yùn)輸車進(jìn)行墻板豎向（往內(nèi)側(cè)傾斜）、疊合板水平疊放運(yùn)輸。

2）安裝：分為構(gòu)件安裝支撐、外墻板外掛架、構(gòu)件連接等內(nèi)容。

安裝支撐工藝設(shè)計(jì)主要有內(nèi)外墻板斜支撐、疊合板單柱支撐二部分內(nèi)容。經(jīng)比選，墻板采用單層兩根斜支撐工藝，疊合板采用兩排獨(dú)立支撐工藝。

斜支撐工藝：采用 Revit 模擬安裝內(nèi)外墻板、節(jié)點(diǎn)處墻板，根據(jù)斜撐上部（墻板預(yù)埋點(diǎn)）和下部現(xiàn)澆疊合層預(yù)埋點(diǎn)的位置，初步確定斜支撐桿傾斜角度，如圖 3 所示。

圖3 斜撐設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

單柱支撐工藝：模擬疊合板安裝前獨(dú)立支撐和工字梁布設(shè)，初步確定獨(dú)立支撐與墻板支座間距和單柱支撐個(gè)數(shù)。

在 Navisworks Manage 中將單柱支撐與斜撐進(jìn)行組合碰撞，逐根修整后確定二者各自位置坐標(biāo)，消除碰撞與錯(cuò)誤。最后生成斜撐位置預(yù)埋圖（同時(shí)修正 PC 構(gòu)件生產(chǎn)加工圖中預(yù)埋件位置）、獨(dú)立支撐布設(shè)位置圖。

2.1.4 工藝設(shè)計(jì)匯總

此棟全裝配式辦公樓采用預(yù)制生產(chǎn)和運(yùn)輸工藝（見表 2）和連接工藝如表 3 所示。

表2 預(yù)制生產(chǎn)與運(yùn)輸工藝設(shè)計(jì)匯總

表3 連接工藝設(shè)計(jì)匯總

2.2 工藝設(shè)計(jì)中相關(guān)計(jì)算

以墻板斜支撐、外掛架為例，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的計(jì)算說明。

2.2.1 墻板斜支撐設(shè)計(jì)

墻寬度為 5 4 0 0 m m，高度 H=2 8 8 0 m m，墻厚 3 0 0 m m，BH=1 9 6 0 m m，計(jì)算底部距離為 1 470 mm，斜撐長(zhǎng)度為 2 450 mm，如圖 3 所示。擬初選 Φ102×4 鋼管作斜撐桿。

采用 Midas Civil 建模計(jì)算：斜撐最大內(nèi)應(yīng)力為 4.07 MPa，支座水平剪切力為 4.1 kN，如圖 4、圖 5 所示。斜撐桿選擇 Φ102×4 鋼管可行，安全系數(shù)充足。

圖4 應(yīng)力圖

圖5 反力圖

2.2.2 墻板外掛架設(shè)計(jì)

圖6 外掛架側(cè)面圖

2）采用 Mid as Civ il 進(jìn)行建模計(jì)算，三角架水平橫桿最大內(nèi)應(yīng)力 38.91 M Pa，外側(cè)斜撐最大內(nèi)應(yīng)力 7.78 M Pa，如圖 8 所示。掛點(diǎn)處最大剪切力 5.78 kN，最大拉拔力 2.79 kN，如圖 9 所示。

3）主要焊縫檢算，見式（1）。

式中：T 為剪切力 5.78 kN；hf為焊角高度 4 mm；f 為焊縫金屬許擁剪切應(yīng)力 160 MPa。

L=5.78/（0.7×4×160）=12.9 mm，即當(dāng)焊縫有效長(zhǎng)度達(dá) 13 mm 以上，可滿足要求。

圖7 外掛架模型圖（單位：mm）

4）螺栓抗剪計(jì)算，見式（2）。

式中：T 為剪切力 5.78k N；A 為 M16 螺栓凈截面積 156.67 mm2。

б=（5.78×103）/156.67=36.89MPa＜［б］=115 MPa，滿足要求。

圖8 應(yīng)力圖

圖9 反力圖

5）選用 6850-16-70 型預(yù)埋件，查表進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，安全系數(shù)為 2.6，滿足要求。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，掛架平臺(tái)設(shè)計(jì)方案可行。

3 結(jié)語(yǔ)

在前期深化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，PC 構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)過程順利。構(gòu)件質(zhì)量，經(jīng)驗(yàn)收檢驗(yàn)，達(dá)到規(guī)范要求。進(jìn)入施工安裝階段后，工程進(jìn)度從最初半個(gè)月施工 1 層，到 10 d 施工 1 層，再到 7 d 施工 1 層，實(shí)現(xiàn)了最初預(yù)想的工期目標(biāo)。說明結(jié)合 BIM 技術(shù)，所采取的預(yù)制生產(chǎn)和安裝施工工藝得當(dāng)，使 PC 構(gòu)件裝配精度和效率得到了提高，滿足當(dāng)前裝配式建筑的工程質(zhì)量需求，為以后此類工程的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。