基于BIM的預制裝配鋼結構住宅的設計流程研究

蔣玲玲

1. 上海市機械施工集團有限公司 上海 200072；

2. 上海面向典型建筑應用機器人工程技術研究中心 上海 200072

1 工程概況

上海市浦東新區某高層住宅項目為普通商品住宅，其中的4號樓采用了預制裝配鋼結構體系，其他樓均為預制裝配混凝土結構。該4號樓同與該項目內其他高層住宅相同，均為地下2層、地上14層的形式。作為二類高層住宅項目，其標準層外平面尺寸為43.94 m×12.35 m，層高3 m，每層共4戶。由于存在妥協于裝配式混凝土結構的戶型設計，造成了該鋼結構住宅在平面上存在較多的凹凸構造，在軸線上存在錯位，使鋼結構立柱的布置難度明顯增加（圖1）。

圖1 項目效果圖

2 設計流程

我們確定裝配式鋼結構住宅的正向設計的大方向：模塊設計→戶型設計→墻體設計→墻體拆分→構件裝配→統計工作量→輸出施工圖，并結合項目實際情況進行修正與調整[1-2]。

2.1 模塊與戶型設計

常見的裝配式住宅，采用的是剪力墻結構。在這種結構體系的基礎上，通常由基本模塊、拼接模塊、走道模塊、核心筒模塊等四大模塊組成。建筑面積的調整可隨BIM的應用聯動更新調整。鋼結構住宅最重要的是其核心筒模塊，本項目采用了鋼框架中心支撐結構形式。位于公共區域的鋼框架結構，承擔了傳統核心筒“交通和疏散”的建筑功能，在這一區域，主要由疏散樓梯間、電梯、電梯前室、走道等組成。

模塊設計包括核心筒設計和模塊優化。核心筒設計內容包括方案標高的設定，繪制墻體的方案，用“族”標注房間，繪制剪刀梯（疏散通道）。模塊優化內容包括運用模塊族，通過設計與組合構思樓層平面，結合明細表獲得大致的建筑面積與基本指標情況。受限于項目總體要求，核心筒和模型的設計與項目住宅群的總體風格一致，但通過基于BIM的明細表比對，得到了更優的結構穩定性及得房率指標。

戶型設計是對模塊的拼接形式多樣化的需求落地。需要同時滿足人們的生活需求，同時減少建筑物的構件類型。戶型設計內容首先是家具族的設計，這樣可以直接看到房間功能的合理性，并為其他專業的設計提供依據。戶型推敲則是在設計方案最優的情況下，進一步調整，選取建筑構件類型最少的戶型，去降低建筑成本。利用Revit中“階段”的功能，將構件分多階段統計與演示。根據模塊的組合設計戶型，設置門窗，插入家具、圖紙名稱、房間名稱等的標注，布置電器開關和插座。

2.2 構件族的設計

構件族的設計，就是在軟件實操過程中，設計金屬件（如預埋件）、預制裝配構件、整體衛浴構件等。

金屬件在裝配式建筑中的作用包括連接、加固、支撐，是重要的受力件。如金屬預埋件，在工廠中就預埋在預制混凝土構件中。它的設計有鋼片、螺栓螺母、銷栓、吊鉤吊環、拉鉤拉環以及灌漿套筒等。在裝配式鋼結構住宅中，這個金屬件可以是與墻板的連接件，也可以是吊裝施工所需要的掛耳。

預制裝配構件族的設計，需要正確表達三維尺寸，也要包含相應的信息量。常見的是預制混凝土結構的設計內容，通常包含疊合梁、剪力墻外墻族、蒸壓輕質混凝土隔墻族，以及預埋的86型暗盒和電氣面板等。而本項目的預制裝配構件族的設計，包括鋼筋混凝土疊合樓板族、預制夾芯保溫板的外墻族、輕鋼龍骨灌漿的分戶內墻族，以及蒸壓輕質混凝土分室內墻族。

2.3 裝配設計

裝配方案的深化：從模塊到戶型方案的設計，轉向裝配式建筑設計的深化過程。如墻體的劃分，設計內容包括墻的類型屬性劃分，現澆部分的剪力墻與填充墻類別的劃分，預制過渡部分預制墻與現澆墻類別的劃分。

現澆部分的設計：必須在裝配式深化設計前完成。在這個階段需要確定軸網與標號、現澆墻體的設計等，設計內容包括繪制施工放線使用的定位軸網。一般結構專業的承重梁柱需繪制軸網，建筑專業的填充墻或者現澆墻不一定需要繪制。

主體部分的裝配：將鋼結構的梁柱、鋼混疊合樓板等族庫依次載入項目中，在對應位置進行設計，生成裝配式建筑的主體部分。設計內容包括梁、柱、疊合樓板的載入、檢查、拼接、標記，預制墻體的載入與標記。此外，需對受力鋼結構部分的深化設計，包括節點的連接形式，以及機電管線的梁上開孔提前預留并加固。

樓梯設計：包括設計梯梁、梯板、梯段等，生成樓梯平臺板，進而完成預制樓梯構件。

建筑外立面：設計外立面，1層常見架空層，采用石材外墻，2層及以上為住戶層，而本項目內鋼結構住宅的外立面需與其他高層住宅保持一致，采用預制夾芯保溫板的設計，外墻板吊點和節點等設計。

2.4 明細表的統計與計算

利用明細表統計預制構件數量，提取材質信息統計材料。由于BIM軟件的應用，建模過程中采用“常規模型”制作的墻板、采用“樓板”制作的疊合板，可以直接得到數量。通過公式計算還可以得到吊裝時構件的重力。材料的統計主要是混凝土材料的統計，在建模過程，即建族的過程中，要注意區分混凝土的材質。

裝配式建筑核心參數共2個，預制率和裝配率，可在軟件中實現快速估算。

根據GB/T 51129—2015《工業化建筑評價標準》規定，預制率的計算可以簡單理解為預制裝配構件的混凝土用量占總混凝土用量的百分比。裝配率的定義沒有明確的國家標準，主要是判斷預制構件和成品構件在總構件中的比重。在本項目內其他混凝土剪力墻裝配式住宅的預制率為40%，而本結構住宅因主體結構全預制，總預制率達到了75%。

2.5 生成施工圖

施工圖首先包括裝配圖，自動生成，表達預制構件連接和裝配關系的圖紙，設計內容包括平面大樣圖，即設計比例大于1∶100的圖紙，又稱詳圖。預制裝配的圖紙主要包括預埋件大樣圖、板大樣圖。

施工圖還包括構件拆分圖，可自動生成，即構件的詳細信息表。

裝配式混凝土建筑為了抗震需要，墻體和梁等最后會形成整體。但是在施工時，有預制、現澆和后澆的區別。通過拆分圖，表達其信息。在混凝土的預制裝配剪力墻體系中，沒有立柱，故主要拆分剪力墻外墻、剪力墻內墻、內隔墻。在建模時利用“公制常規模型”生成墻體，可以使用“圖例”功能，生成完整的墻體拆分圖，并加入墻體明細表。而在鋼結構預制裝配體系中，Tekla模型的建立和節點的設計本身為獨立的，不存在如混凝土剪力墻需要二次拆分的情況，因而設計和出圖效率大為提升。

3 針對項目施工難點的深化設計

本住宅樓的支撐體系為鋼框架結構，主結構鋼梁、鋼柱連接節點均為剛接，局部次梁連接節點為鉸接，基于BIM計算，鋼結構總質量約800 t，鋼材材質為Q345B，構件總計約2 025根，其中鋼梁1 540根，鋼柱分段后399根，斜撐86根（圖2）。

圖2 鋼框架支撐結構體系

由于住宅主體構件截面較小，且規格較多，節點區域構造復雜，焊接變形方面很難把控。因此，基于BIM模型建立生產數據庫，通過采用自動化裝配焊接設備，針對小截面、復雜節點完成自動組裝、拼接等工作，提高加工精度及工效。住宅建筑設計不同于商業建筑的大空間，鋼結構住宅設計必須考慮套內戶型問題，軸線存在錯位情況，但鋼柱不可選用大截面尺寸，以免影響室內空間。因此，基于BIM模型，通過設置寬扁柱解決軸線錯位問題，實現建筑開間的布局，同時避免對套內空間產生過多影響（圖3）。此外，本項目的外墻板種類規格較多，質量較重，存在較多異形構件，部分為偏心異形構件，安裝難度較大、安裝精度要求高。因此，通過BIM模擬，確定構件重心位置，以及構件之間的搭接關系，以確定外墻板安裝順序。

圖3 住宅節點區域構造與寬扁柱設計

由于特殊的鋼結構深化設計的要求，進而對鋼結構的加工提出了較高的要求。鋼構件截面小、鋼板厚，細長型的焊縫均為全熔透，焊接變形的控制極高。在深化設計完成后，基于鋼構件工廠的數字聯控技術，將BIM模型聯動鋼結構數字生產線，包括箱形柱、梁自動化裝、焊接設備。通過相貫線切割設備的雙頭切割系統，自動實現并保證了鋼構件的兩端面相貫線形位公差的精度和長度在尺寸上的偏差，符合設計要求；通過雙工位端面設備的伺服控制系統，自動實現對鋼箱形柱兩端平行度及長度尺寸的精度控制，保證構件主要連接面貼合率98%以上；通過利用焊接機器人，為梁-柱節點進行全位置焊接（圖4）。節點通過各種形式的定位工裝夾具進行定位裝配，并在變位器的作用下，將焊縫變位到可焊位置，同時變位器和機器人相互協調連動，通過遠程編程指導機器人完成各焊縫的全位置自動焊接。

圖4 鋼結構數字化切割與焊接機器人

鋼構件加工運至現場將直接進行吊裝作業，因此在深化設計階段需提前根據吊裝手段預留施工吊耳，并模擬施工工況。鋼柱的吊裝采用4根高強鋼絲繩配合卸甲使用，起吊時采用一端四點吊裝的方式，吊耳使用鋼柱上端連接耳板，緩慢回直，構件吊裝至指定位置后，與上節鋼柱預留端頭使用臨時螺栓連接耳板固定，待完成臨時固定后進行鋼柱校正焊接（圖5）。鋼梁吊裝選用鋼柱吊裝同規格吊具，鋼梁起吊前先在鋼梁兩端焊縫位置處安裝吊籃一同起吊，吊裝鋼梁采用兩點吊的形式，吊耳選用鋼梁上翼緣靠碼板。鋼梁吊裝至指定位置后，連接節點為剛接形式的首先使用臨時螺栓進行固定，待鋼梁矯正完成后，電焊工進行鋼梁焊接；連接節點為鉸接形式的鋼梁，待鋼梁到達指定位置后，使用高強螺栓進行連接。

圖5 鋼柱鋼梁的吊耳設置與螺栓連接位置BIM模擬示意

混凝土預制構件同樣需要采用吊裝的方式，其中疊合樓板采用四點吊裝的方式，吊耳直接選用樓板自身桁架鋼筋，疊合樓板安裝方式為直接擱置在鋼梁上翼緣，與鋼梁上翼緣搭接距離為20 mm，施工過程中，通過在底部設置臨時支撐保證其結構穩定性。預制樓梯分段為一梯段一節，即1層樓梯分為2段。同樣的四點吊裝方式，但是因樓梯為異形構件，因此在吊裝時需使用手拉葫蘆調節構件重心，保證構件在吊裝過程中上下兩塊休息平臺處于水平位置（圖6）。預制樓梯安裝方式為兩端直接擱置在鋼梁上，其中預制樓梯與鋼梁連接位置處有預制灌漿孔，需將鋼梁上栓釘套入灌漿孔內，待樓梯安裝到位后進行二次灌漿。

圖6 預制混凝土樓梯安裝BIM模擬示意

在機電安裝與裝飾方面，采用與結構協同的一體化設計方式，即機電平面管線排布，在鋼結構設計及裝修方案設計階段進行提資，平面樓層內管線根據提資要求，采用穿梁、繞梁形式。層間管線通過樓板預留洞口沿梁柱邊緣排布，后經裝飾面層包裹（圖7）。在裝飾設計過程中，針對鋼結構住宅存在凸梁、凸柱的問題，采用木飾面、背景墻、窗簾盒等方式，在保證效果的基礎上進行一定調整。

圖7 機電與裝飾的一體化設計

4 結語

1）在設計過程中，需要根據鋼結構住宅需求不斷優化，如傳統鋼結構搭配壓型鋼板組合樓板，而本項目通過采用預制的鋼混疊合樓板，通過鋼梁上的栓釘實現更可靠的連接。此外，隨著樓層的上升，鋼柱截面也可以在安全穩定的情況下逐步縮小截面，以降低鋼結構的自重和用鋼量大的高額造價。

2）應不斷關注預制構件的制作，盡量減少構件種類，提高構件的重復利用率，降低建筑成本。

3）要考慮降低施工難度，如本項目為了提高住宅衛生間的層高占用率及解決排水噪聲的問題，使用了同層排水，因而導致了結構降板，增大了樓板的吊裝難度。

4）應采用更具有標志性的尺寸模數，以減少構件數量，同時積極采用國家標準中的圖集構件，考慮鋼構件和其他構件在生產制造環節易發生的問題，以降低造價、便于施工。

5）在設計過程中，要考慮現場施工的作業工況，如吊裝作業中吊耳和鋼絲繩等受力構件，結構穩定用的臨時支撐等的布置位置與通用性，將有助于提高施工現場的效率和安全性。