BIM 技術在裝配式PC 預制疊合板優化設計中的應用

李燕華

（中鐵十八局集團北京工程有限公司，北京 100162）

基于BIM 技術的裝配式建筑給工業與民用建筑施工帶來了新方式，尤其在進行優化設計、項目施工策劃、構架就位及關鍵工序穿插等方面，具有信息化、工廠化、標準化等新優勢。借助BIM技術建立標準化模型，通過相關數據收集、BIM碰撞檢查和相關糾錯排查功能進行集成化信息整合，可以實現最優設計指導施工，達到降本增效目的[1]。目前，高層工業與民工建筑裝配式施工中的裝配式疊合樓板，是把PC 預制疊合板和現澆混凝土進行結合，具有結構新穎、整體性強、剛度大、抗震性和抗裂性強等優點。根據北京市門頭溝區大峪化工廠棚戶區改造工程項目裝配式PC預制疊合板數量繁多、規格復雜、跨度大、工藝新、安全質量要求高、工期緊等工況，闡述裝配式PC預制疊合板（簡稱疊合板）施工難點、技術要點及應對措施，分析基于BIM 技術的疊合板施工優化設計及技術應用，介紹借助BIM 技術提高疊合板施工質量的QC 成果，得出BIM 技術在疊合板設計施工中具有降低誤差、提升效率、實現高效協同作業等優點。BIM 技術同裝配式建筑施工的結合是未來建筑設計施工趨勢，企業應廣泛引進并應用BIM 技術，促使建筑業更好發展。

1 項目概況

北京市門頭溝區大峪化工廠棚戶區改造工程（見圖1）一共含13 棟裝配式住宅樓（樓高16～18 層）及6 棟配套建筑等。建筑總面積達236 000 m2，周邊環境較為復雜且施工場地窄小。

圖1 北京市門頭溝大峪化工廠棚戶區改造項目效果

項目“PC 預制疊合板+現澆板”組成的樓板分兩部分進行施工。1 萬多塊疊合板（見圖2）通過設計、加工、生產完成預制后運至現場，吊裝完成后在其構件上進行混凝土澆筑，通過預制薄板與其上現澆混凝土部分共同受力，從而組合成樓板結構體系。每層PC 預制疊合板面積合計約1 500 m2，預制疊合板混凝土的設計強度等級為C30，樓板是以“70 mm 厚現澆板+60 mm 厚預制PC 預制疊合板”的結構形式進行組合，疊合板是雙向受力PC 預制構件。PC 預制疊合板借助板端兩側的框架梁或剪力墻進行施工，將8～10 mm雙向鋼筋配置在其底部。“預制PC 預制疊合板+現澆板”組成的樓板實物見圖3，構造示意見圖4。本項目各樓從第一層到頂層的疊合板中間位置都通過現澆后澆帶接縫連接，每個接縫寬度約為310 ～360 mm，接縫施工步驟主要有模板安裝、鋼筋綁扎以及混凝土澆筑等。

圖2 預制PC 預制疊合板構件

圖3 預制PC 預制疊合板+現澆板組成的樓板實物

圖4 預制PC 預制疊合板+現澆板組成的樓板構造

2 裝配式PC 預制疊合板優化設計施工重難點分析

（1）疊合板原設計單位依據單位屬地的地方標準進行初步設計，施工單位需要根據施工現場情況借助BIM 技術進行切合實際的優化設計。由于PC 預制構件的設計、預制、搬運、存放、吊裝、安裝等環節的時間和空間跨度都很大，工藝復雜，施工場地狹窄，如何細致全面地進行安全質量管控是重點[2]。

（2）疊合板總量龐大，構件尺寸五花八門，加上運距遠，難以控制吊裝和安裝精度，若組織不合理會破壞疊合板。施工時要依據疊合板的規格合理配備起重機型號，借助BIM 技術進行吊裝設計，確保塔吊的工作區域合理，實現資源的最大化利用[3]。

（3）樓板內預留眾多機電管線、水電管道等孔洞，需要借助BIM 技術進行防碰撞和疊合板的支撐系統設計，以確保達到一定的承載力，并制定合理的養護措施，實現結構內實外美[4]。

3 BIM 技術在裝配式PC 預制疊合板優化設計和施工中的應用

BIM 優化平臺在獲取疊合板結構內力數據與設計指標后，通過Revit 軟件結合疊合板施工順序、工藝復雜程度、施工成本等。為區分疊合板不同區域，給建筑模型不同區域渲染不同顏色。如果項目拆分區域較小，那么對疊合板進行直接編號以便拆分區域[5]。由于疊合板模具加工繁瑣、造價高昂，出于降本增效的目的，需通過BIM 技術優化設計模具，以實現模具最大化利用。為便于疊合板連接，其尺寸應依據工程實際進行優化設計，同時優化結構設計方案[6]。

3.1 疊合板優化設計

基于BIM 的裝配式建筑施工先決條件之一是進行科學合理的構建拆分。按照“少規格、多組合”規則，借助BIM 軟件對模具的數量及組合方式進行優化設計。對疊合板進行優化設計時，將結構模型和機電有效整合。另外輔助優化設計機電、水電安裝的預留預埋和其他專業的平面預留洞口。該工程共節省了70 多種疊合板板型，極大增加了模具通用性并提高了疊合板利用率。

3.2 疊合板施工節點優化設計

施工準備階段應進行整體策劃，主要包括：部署施工現場、起重設備選型、吊裝部署構件生產運輸及存放、模板支撐體系策劃等內容。

3.2.1 吊裝優化設計

在確保順利吊裝前提下，為了達到節約成本和方便快捷施工的目的，通過BIM 技術將主樓標準層依據區域板塊按順時針劃分為不同的吊裝區域，在每個區域提前吊裝中間板塊。根據PC 預制疊合板的不同板型及起吊受力進行驗算，提前預留樓板吊鉤位置，同時加強吊鉤鋼筋配置，保證疊合板結構受力均勻，能夠安全吊裝。借助現場塔機設備吊裝裝配式構件，按照構件自重和構件存放區域距離選擇塔機型號。依據吊裝計劃對疊合板進行詳細編號，然后依次進行疊放和吊裝，切不可間隔吊裝。起吊時，從預留的吊鉤位置進行作業，存放疊合板的先后次序與構件吊裝次序基本一致。由于本項目施工場地窄小，將所有PC預制構件進行統一集中存放，依據結構設計荷載相關規定，存放疊合板層數最好控制在6 層以內。

由于構件數量巨大且存放場地狹小，本項目借助物聯網技術，當構件生產完成后，把構件結構信息生成二維碼標識在構件上，二維碼信息通常包括疊合板生產日期、配筋、尺寸、構件對應編號、存放區域、吊裝次序等，保證PC 預制構件所有相關信息能夠進行追根溯源，實現裝配式施工信息化、精細化。

3.2.2 現澆板帶優化設計

本項目疊合板縫為整體式拼縫，借助BIM 技術優化設計310 ～360 mm 寬現澆板混凝土板帶。每個相鄰跨度的板帶確保拉通順直，這樣利于支設模板時的連續性，并能夠穩定控制支撐體系。由于疊合板通過雙向板受力，現澆板混凝土板帶兩側的疊合板底部伸出的鋼筋需要相互錯開，并在端部進行180°彎鉤設置。

3.2.3 疊合板端部支座節點優化設計

出于簡化施工工序、降低成本的目的，通過BIM 技術對支座節點進行優化設計，采取伸入框架梁或剪力墻10 mm 的方式。主樓結構施工通過附著式整體提升防護架結構體系，架體支撐支座設置在PC 預制疊合板上。為避免樓板局部受壓破壞，需對關鍵位置的鋼筋進行加密、加粗處理。

3.2.4 疊合板和墻體間的連接節點優化設計

施工過程中須確保疊合板和預制墻體連接節點數據的精確性。疊合板和墻體間的搭接通常存在相應的長度限制，一旦PC 預制疊合板長度有誤差，可能會造成爆漿等質量缺陷。借助BIM 技術提前進行數據分析，保證數據真實準確。此外，通過構件三維模型模擬分析施工過程和細節，會大為節約設計修改和施工成本，提高工效。

3.3 三維碰撞檢查

借助BIM 輔助軟件NavisWorks 的“clash detective”，對疊合板等裝配式構件施工進行三維碰撞檢查，通過對裝配式建筑的整體結構、各個構件、連接節點、施工環節進行全面而細致的數據搜集、分析和處理，能精準發現設計漏洞，及時修改疊合板位置、尺寸、鋼筋分布等，確保施工安全和精度，降低成本。

3.4 疊合板鋪裝優化設計

為優化PC 預制疊合板的鋪裝方案，通過BIM技術提前模擬分析疊合板支撐以及預制墻體支撐，調整支撐螺栓位置等，避免兩者出現碰撞，確保施工有序推進。

3.5 疊合板模板支撐體系質量控制

疊合板支撐體系須結合工程實際進行優化設計，為保證支撐系統符合整體穩定性，框架梁和樓板支撐進行統一設計施工。該房建工程標準層高為2.9 m，由于樓板跨度及框架梁截面尺寸大，如果疊合板通過獨立支撐件進行支撐，可能會引起失穩現象。選用扣件式鋼管腳手架進行支撐。為確保整體穩定性，在支撐架頂部借助U 形支托并外加方鋼橫撐（見圖5）。施工人員要對PC 預制疊合板的就位進行尺寸復核，規定為：支撐間高度差和板底支撐都不大于0.2 cm、標高差不大于0.3 cm，通常把懸挑板調高0.2 cm。

圖5 PC 預制疊合板模板支撐體系

4 提高疊合板接縫的施工合格率

在疊合板后澆帶接縫施工中，預防錯臺、漏漿、平整度差等難度較大，如無法避免該類問題，將導致后續天棚裝修難以進行。對此需先對混凝土進行剔鑿或找平，但這樣會影響工期及成本。本項目借助BIM 技術則提高了疊合板施工質量QC活動，具體舉措如下所述。

4.1 模板設計和防漏漿施工質量控制

定型木模板選取1.5 cm厚木模板及4 cm×8 cm方木制作而成。將此款方木制作成主龍骨，相互間距為90 cm。為節約成本，可多次循環使用定型木模板和主龍骨方。為防止混凝土漏漿，安裝模板后用2 cm 寬雙面膠條順著現澆板帶粘貼封閉。

4.2 吊模工具設計和接縫混凝土錯臺防治

針對疊合板后澆帶接縫錯臺等重難點問題，運用BIM 軟件進行施工模擬分析。要求在混凝土初凝前排除模板變形隱患，通過使用限位模具，確保模板加固100%合格，采用長400 mm、直徑16 ～ 22 mm 鋼筋廢料和14 mm 螺絲桿焊接，制成T 型吊桿。BIM 軟件設計的T 型吊桿模擬見圖6、結構示意見圖7、實物見圖8。組合相應的山型卡和螺母，制作吊模工具及加固模板，使模板與疊合板貼合嚴密，防止錯臺的出現。吊模工具加固模板結構示意及施工分別見圖9、圖10。

圖6 BIM 軟件設計的T 型吊桿模擬

圖7 T 型吊桿結構示意

圖8 T 型吊桿實物

圖9 吊模工具加固模板結構示意

圖10 吊模工具加固模板施工

4.3 后澆帶接縫QC 活動效果

借助BIM 技術優化設計，通過采取吊模工具加固模板，混凝土澆筑時采取“點振法”振搗方式，減少對模板、鋼筋擾動的同時確保混凝土密實性，有效解決了疊合板后澆帶接縫一次性成功率低的問題，提高了裝配式混凝土結構質量合格率，接縫100%合格，每層樓可節省施工時間6 h，極大地提高了效率。本項目13 棟樓，地上最低16層、最高18 層，取平均數17 層，施工層數共為13×17=221 層，每層需模板工20 名，按照日（8h）平均工資300 元計算，則節省人工費：（18h-12h）×300（元）/8（h）×20×221（層）=99.45（萬元），即借助BIM 進行QC 活動后經濟效益為99.45 萬元。

5 結語

本項目實例證明：通過BIM 技術優化設計預制疊合板施工能及時糾正設計缺陷和錯誤，極大地減輕工作量。借助BIM 技術數據共享平臺，設計人員可協同作業，及時溝通，有效提高協同作業效率。同時，技術人員可通過該平臺互相監督，降低設計出錯率。BIM 技術通過三維模型精算出疊合板結構鋼筋配置等情況，自動核算數據，提升了設計效率。另外通過設計吊模工具，極大提高疊合板接縫質量，合格率達到100%，提高了設計工效和施工質量，達到降本增效的目的。