PKPM-BIM軟件在裝配式混凝土結構設計中的應用
——以裝配整體式剪力墻結構為例

卞 祝，楊富蓮，歐軍珺，葛清蘊，涂勁松，黎德光

(1.皖西學院 建筑與土木工程學院，安徽 六安 243000；2.江蘇省建筑園林設計院有限公司，江蘇 南京 210019)

隨著建筑行業的發展，裝配式建筑以其節能、環保、適應工業化的優勢，逐漸成為主要發展方向，在全國范圍內逐步廣泛應用[1]。國家2017年發布的《“十三五”裝配式建筑行動方案》中提出，到2020年實現裝配式建筑全面發展。裝配式建筑是指在工廠加工制作好建筑的部分或全部構件和配件(樓梯、樓板、墻板等)，通過可靠連接在現場裝配安裝而成的建筑。采用裝配式建筑可減少傳統施工現場腳手架、模板搭設等環節，減少現場澆筑養護受環境影響大等情況，解決人口下降勞動力不足等問題。但基于傳統結構設計方法，裝配式建筑的發展遇到一些問題：傳統二維設計時很難規避預制構件在施工安裝中遇到的如節點連接、鋼筋碰撞等問題，施工中發現問題后反饋溝通環節多、不及時，各專業各環節協同性差，導致施工效率低，大量預制構件的生產運輸和堆放養護的管理成本高，造價不低反升，裝配式建筑優勢難以發揮[2-4]。

BIM技術的快速發展，實現裝配式建筑的標準化、模數化、多方案對比優選以及多專業共享信息協同設計，從根本上打破傳統設計、施工方法對裝配式建筑發展的局限，做到施工前調整優化，極大地推動了裝配式建筑的發展[5-7]。有關行業標準、國標圖集、各地方標準圖集也都相應編制出版以保障并促進裝配式建筑的規范發展[8-10]。

PKPM-BIM是在PKPM設計軟件基礎上升級的三維可視化數字平臺[7]，本文以裝配整體式剪力墻公寓樓為例，闡述基于PKPM-BIM軟件平臺進行裝配式建筑的結構設計與深化拆分等問題。

1 PKPM-BIM軟件裝配式建筑設計模塊簡介

為適應裝配式設計要求，PKPM編制的裝配式建筑設計軟件PKPM-PC功能模塊主要包括：構件庫管理，裝配式方案，裝配式深化設計，構件加工圖，導出加工數據[11]。基于軟件的裝配式建筑結構設計主要包括兩大設計內容：第一部分，結構模型建立，預制構件指定，接力PKPM完成裝配式模型結構計算并生成相關配筋圖等結果；第二部分，精細化設計，將結構計算結果導回PBIM完成裝配式深化設計，包括三維深化拆分與預拼裝、碰撞檢查、預制率統計、構件加工詳圖、材料統計、BIM數據接力到生產加工設備等。

2 PKPM-BIM軟件在裝配整體式剪力墻結構設計中的應用

2.1 工程概況

本工程為黃山市某公寓樓，地上15層，丙類建筑，抗震設防烈度為6度，地震分組第一組，采用裝配整體式剪力墻結構，抗震等級四級。

2.2 結構建模

本工程在PKPM-BIM軟件啟動環境為“裝配式設計”模塊中進行設計，裝配式結構模型建立方式有三種，一種是交互建模，先建立傳統現澆結構再拆分構件，二是導入PM模型，三是接力建筑模型再轉結構模型。本工程運用PKPM-BIM軟件協同設計優勢，接力“.PBIMS”格式建筑模型文件，運用建筑轉結構功能，進入結構設計，工程整體結構模型如圖1所示。

圖1 裝配整體式剪力墻結構模型

2.3 結構計算分析

對于裝配式建筑，先指定預制構件屬性再接力PKPM進行結構整體計算，預制構件可從標準構件庫中選擇指定，滿足裝配式建筑模數化的要求，類型包括疊合板、預制剪力墻、預制外墻板、預制樓梯、疊合陽臺、預制陽臺和預制空調板等。

將模型導入PM進行整體計算，與傳統PKPM計算相同，根據建筑做法和結構類型進行荷載布置，SATWE前處理參數定義包括設置總信息、地震信息、風荷載信息等參數，計算得出各輸出文件，查看剛度比、剪重比、周期比等主要整體計算指標是否滿足要求并調整。

整體計算結果滿足要求后，將模型導回PBIM，設置高強度大直徑鋼筋后軟件自動配筋。圖2所示為計算輸出的一層梁超筋超限信息，通過增加疊合梁截面高度解決，對于超筋的墻通過增加墻長度來消除。

圖2 一層梁超筋超限信息

2.4 深化設計

要發揮裝配式建筑的優勢，關鍵是通過PBIM軟件完成對裝配式預制構件的深化拆分并進行碰撞檢查，做到施工前調整。同時軟件輸出詳細施工圖和加工詳圖，預制構件模型數據可直接接力工廠加工生產信息化管理系統及數控加工設備，進行鋼筋分類和機械加工、構件邊模自動擺放、管線開孔信息的自動化畫線定位、澆筑混凝土量的自動計算與智能化澆筑，達到無紙化加工，避免人工二次錄入可能帶來的錯誤，提高生產效率。

2.4.1 深化拆分

拆分構件主要包括預制板、預制梁和預制墻，拆分方案以標準層為例。結合規范《裝配式混凝土建筑技術標準》(J/T51231—2016)和《裝配式混凝土結構技術規程》(JGJ1—2014)的規定給出關鍵構件的尺寸和拆分做法[8-9]。其中底部加強層的豎向承重構件采用現澆，頂層水平構件現澆。

對于預制板，如圖3(a)，主要考慮板的類型和尺寸，通過方案對比選擇造價低、吊裝次數少的方案：采用有倒角帶有135 ℃彎鉤鋼筋端頭的雙向板，等分方式排布，后澆帶連接，后澆帶取300 mm。對于130 mm厚的預制板，統一為60 mm現澆加70 mm預制桁架鋼筋，距板邊200 mm，桁架鋼筋間距500 mm。控制板最大寬度在2400 mm，長度不超過4800 mm。另外進行了空調板和陽臺板的拆分。如圖3(b)所示，對于預制梁，主要考慮梁的類型和現澆高度，經過方案對比選擇對無主次梁搭接、與剪力墻在平面內搭接的梁進行拆分，施工難度低、進度快，但水平裝配率較低，最終采用矩形截面預制梁，箍筋選組合封閉箍，梁的現澆層=150 mm板厚+10 mm縫寬=160 mm，錨固板錨固。結合施工安裝順序，將先吊裝梁的底筋設置在后吊裝梁底筋的下部。

圖3 預制構件

預制墻如圖3(c)所示，包括預制外墻和內墻，主要考慮控制墻的尺寸、重量和規格種類，選擇全灌漿套筒連接，上側直錨，下側全套筒灌漿，接頭套筒處保護層厚度為25 mm，避免滑絲。綜合考慮吊裝、運輸及施工難易程度要求，將預制墻長度控制4000 mm左右，重量控制在5 t以下，將拆分后長度相近的墻合并成同規格預制墻，內墻通過調節現澆節點尺寸控制墻種類，減少規格、降低成本。進行了連梁掛板和隔墻的拆分。

2.4.2 碰撞檢查

碰撞類型主要包括鋼筋與鋼筋的碰撞、鋼筋與混凝土的碰撞及混凝土間的碰撞。碰撞避讓原則為：預制構件間鋼筋發生碰撞的，優先調整板底筋，其次調整梁底筋，混凝土間碰撞調節構件現澆高度，如圖4所示例。另外基于PKPM-BIM軟件平臺可協同建筑電氣專業進行管線碰撞檢查和調整。

圖4 碰撞檢查及參數調整示例

根據檢查結果，依據構件ID追蹤定位，并通過PKPM-BIM軟件三維可視化功能實現多角度動態碰撞檢查，準確直觀解決了裝配式建筑施工中遇到的碰撞問題，實現施工前調整，減小后續施工難度，提高效率。

2.4.3 結構施工圖和工藝詳圖

圖5 預制墻、梁、板施工詳圖示例

圖6 預制墻、梁、板工藝詳圖示例

圖7 短暫工況驗算

圖5、6所示為部分預制構件結構施工圖和工藝詳圖，PKPM-BIM軟件自動生成輸出全樓詳細預制構件施工圖和預制構件工藝詳圖，細化到每個預制構件詳細配筋圖，保證圖紙與模型的一致性且精度高，圖紙可發布成DWG格式。預制構件加工后再運到施工現場，根據編號合理堆放，做到設計、加工、施工全套系統標準化、管理可視化、數字化。

2.5 短暫工況驗算

短暫工況驗算主要包括預埋件的選擇、預制構件的吊裝和脫模。如圖7所示，對驗算不滿足要求的外墻通過調整外葉墻板的型號來解決吊裝承載力不足、安全系數不夠的問題。對于驗算不滿足的預制梁，增加預埋件數量以減小吊裝過程中所受彎矩，提高安全系數。

2.6 裝配率和算量統計

圖8 裝配率統計

由圖8可知軟件統計本工程裝配率為54%，根據規范《裝配式建筑評價標準》(GB/T51129—2017)中第3、4條[10]，裝配率達到規定的50%，可視本工程為裝配式建筑。在裝配率滿足的前提下，對模型不斷優化，降低施工難度控制造價,考慮目前國內裝配式結構設計、施工系統并非相當完善，本工程設計不追求過高裝配率。

圖9所示為軟件導出的材料統計清單和構件清單列表部分，軟件自動統計出主要構件算量，包括預制構件的重量、體積、所用混凝土和鋼筋用量等，為造價人員進一步詳細統計算量提供可靠參考。

圖9 部分統計清單

3 結語

通過PKPM-BIM軟件平臺，對裝配整體式剪力墻公寓樓進行結構設計，借助BIM技術信息化優勢，進行多方案對比優化完成從建模、結構計算、深化拆分設計、碰撞檢查再到施工圖和加工數據輸出，較好解決了裝配式建筑施工過程中遇到的鋼筋碰撞、節點連接及預制構件多難管理等問題，達到施工前控制，裝配式建筑的標準化、模數化優勢得以發揮。實現建筑、結構、施工和給排水多專業在同一平臺下共享信息，按統一標準和規則協同設計，提高效率，降低人材機及時間成本，節約資源，真正做到綠色發展。