基于BIM技術的裝配式疊合板的深化設計

楊紅艷 張曉東

（遼寧工業大學土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，裝配式建筑正好滿足建筑產業化需求［1］。裝配式建筑工業化發展以綠色發展為導向，在現場拼裝預制構件，污染環境程度低、氣候限制比較少，具有節能環保、綠色高效、工業化程度高的特點，有助于建筑工業化及住宅產業化發展［2］。

BIM 技術是一種信息化技術，具有可視化、參數化、模擬化等特點。BIM 技術把整個建筑的數據、信息模型整合在一起，將其應用于項目的全生命周期，實現各單位人員的信息協同，可提高生產效率，節約成本，能有效縮短工期［3］。傳統的裝配式建筑深化設計無法將圖紙的信息精確展現，將BIM 技術應用于裝配式建筑中，利用其特點，能提高裝配式建筑的施工效率［4］。隨著信息技術的不斷發展，BIM 技術逐漸被應用于裝配式建筑項目中。Liang 等［5］基于BIM 技術裝配式住宅設計優化方法，設計出模塊化功能、模塊組合功能、模塊替換功能。研究結果表明，將BIM 技術運用于裝配式住宅項目中，可滿足客戶需求，使建筑空間得到有效利用。He［6］將裝配式建筑與BIM 技術相結合，結果表明，利用BIM 技術可視化、集成化、信息化等特點，能很好地解決構件拆分、預埋預留、鋼筋排布的碰撞問題，對預制構件形態能更加直觀地表達，使BIM技術在裝配式建筑中的應用更加靈活。

疊合樓板是裝配式建筑中的重要組成部分，生產過程簡單，工業化生產量大，能大大減少施工中現澆的工作量，從而減少人力，有效控制成本。本研究以某住宅樓項目為例，通過分析其閣樓層疊合樓板深化設計的過程及BIM 技術深化設計的優勢，提高裝配式建筑的可實施性及施工效率，為實際工程中實現裝配式建筑BIM技術奠定基礎。

1 基于BIM 技術的裝配式疊合板的深化設計內容

將BIM 技術應用于裝配式建筑疊合板中，對預制構件進行精細化設計，包括對疊合板拆分布置、鋼筋深化、構件連接點深化、孔洞預留等深化設計。通過對原有設計方案進行補充、改進，使其更加精確，從而達到廠家生產及施工標準。將BIM 技術與裝配式疊合板設計結合，提前發現施工過程中可能出現的問題，避免構件定位不準確和設計偏差，減少工程損失。

2 基于BIM 技術的裝配式疊合板的深化設計應用案例

2.1 工程概況

以某住宅樓小區B-10#樓工程項目為例，地面以上有8 層，局部為閣樓，建筑室內外高差為0.300 m、建筑物高度（室外地面到主要屋面板的板頂）為25.700 m、設計標高±0.000、相對于絕對標高為6.250 m、總建筑面積為5072.28 m2。該工程項目為剪力墻結構，閣樓層樓板采用預制疊合板。

2.2 疊合板設計參數

該工程項目的住宅樓閣樓層采用預制疊合板，樓層疊合板共88 塊，有17 種類型的預制板。疊合板厚度一般為60 mm，現澆混凝土層厚度為70 mm，總厚度為130 mm。疊合樓板混凝土強度等級為C30，底板鋼筋采用雙向布置，其采用HRB400 鋼筋，直徑分別為8 mm、10 mm，鋼筋間距為150 mm，四周預留外伸鋼筋長度。項目關于25～49 號軸軸對稱，因此預制板構件存在多種重復。對閣樓層疊合板進行統計，結果見表1。

表1 閣樓層疊合板統計

2.3 BIM技術在疊合板深化設計中的應用

2.3.1 疊合板構件拆分。疊合板構件拆分時應遵循板的拆分原則，優化設計板的尺寸，盡可能減少種類、工廠生產、后期運輸和安裝困難［7］。根據圖紙考慮板的單向性或雙向性。根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）中的規定，當長邊/短邊＞2時，宜設為單向板；當長邊/短邊≤2時，宜設為雙向板。板之間的拼縫方式及后澆帶寬度要根據建設單位、設計單位及構件生產單位要求決定板的規格［8］。該項目以閣樓層疊合板布置為例，進行拆分選擇，相同尺寸板塊設置同一編號，拆分的板設置在剪力墻、框架梁等位置，板縫避開房間照明。疊合板的拆分還要考慮機械設備的運輸長度和寬度，其寬度在3 m 內、長度在5 m 內［9］。疊合板拆分后如圖1所示。

圖1 疊合板拆分

2.3.2 疊合板鋼筋排布。疊合板桁架鋼筋是連接現澆混凝土及疊合板預制層的主要構件，能增強結構剛度，提供抗剪能力，形成整體受力，保證鋼筋與混凝土層不發生滑移。在對疊合板進行深化設計時，桁架規格采用B80，上下弦鋼筋直徑均為8 mm，腹桿鋼筋直徑4 mm，桁架鋼筋由一根上弦鋼筋、兩根下弦鋼筋及兩側腹桿鋼筋組成，經電焊形成倒V 字形的鋼筋焊接骨架。桁架鋼筋應沿長邊布置，孔洞預留及鋼筋間距等要根據樓板厚度進行布置，如圖2 所示。以預制1 號板尺寸2 600 mm×1 400 mm為例，根據圖紙要求，對板進行鋼筋排布、四周外伸長度設計、鋼筋的搭建方式等深化設計，用BIM 技術將鋼筋排布方式直觀展現。將C10、C8鋼筋分別水平、豎向布置，鋼筋三維布置如圖3所示。

圖2 疊合板鋼筋二維布置

圖3 疊合板鋼筋三維布置

2.3.3 疊合板節點連接。該項目PCB-9、PCB-10 和PCB-15、PCB-16 之間的連接是后澆混凝土，取后澆帶寬度為300 mm，如圖4 所示。疊合板的板底縱筋平直段長度為290 mm，末端設置135°的彎鉤。該板為雙向板，板面為粗糙面。

圖4 疊合板水平連接

2.3.4 疊合板與梁的節點連接。裝配式疊合梁能解決現場澆筑混凝土澆搗質量問題和克服搭接支架的困難，在工廠進行批量制作預制梁，可以克服施工困難和減少材料浪費。施工中構件間的節點連接是否準確關系到結構的使用安全，通過BIM 技術將節點間的連接直觀地表示出來，便于施工［10］。預制構件尺寸應根據實際施工尺寸進行調整，并根據建筑節點連接建立三維模型。該項目中預制板與梁間的連接如圖5所示。

圖5 疊合板與梁的節點連接

2.3.5 疊合板預埋預留深化。疊合板孔洞預留不準確是施工現場最常見的問題，通常會因鋼筋與孔洞碰撞等，導致設計人員及施工人員的工作難度加大，需要對設計圖紙進行二次定位，從而造成工期耽誤。構件深化人員應根據水暖、機電設計圖紙提前與機電深化人員進行溝通，能提前發現鋼筋碰撞。該項目在孔洞設計預留中，鋼筋與孔洞發生碰撞，因此要對鋼筋排布進行調整，如圖6 所示。以PCB-3板為例，鋼筋避讓及桁架鋼筋移動均要在孔洞周圍布置兩根直徑不小于10 mm 的鋼筋，補強鋼筋直徑、型號不變。

圖6 疊合板鋼筋與預留孔洞碰撞

2.3.6 疊合板吊裝點位。①疊合板吊裝荷載驗算。疊合板吊點的設置，宜設置在吊點正彎矩與板負彎矩相等位置處，其疊合板吊裝荷載驗算主要在于預制構件脫模階段［11］。目前裝配式項目大部分是以桁架鋼筋設置為吊點進行起吊，若預制構件達到混凝土抗壓強度的75%，且不小于15 N/mm 時方可脫模。預制板在吊裝之前應進行施工驗算，吊裝時動力系數為1.5，底板施工承載力驗算時荷載按疊合板自重加1.0 kN/m2的施工可變荷載計算，滿足吊裝要求［12］。

②疊合板吊裝作業。預制疊合板一般有單獨設置吊環和桁架鋼筋作為吊環的兩種設置方式。由于預制板錨固長度過長，單獨設置吊環容易導致吊環脫落，可利用疊合板桁架鋼筋吊點代替預埋吊環，能完全滿足吊裝要求［13］。疊合板的平面布置、構件質量、板的特點及吊裝承載力等都是吊裝階段要考慮的重要因素。為避免吊裝過程中板出現裂縫，要對吊點宜結合疊合板尺寸及質量問題進行設置，一般疊合板吊點宜設置為4個或6個，根據板尺寸設計，該項目的吊點數量為4 個。預制吊裝時，采用鋼絲繩吊鎖具進行吊裝。吊索水平夾角不宜大于60°、不應小于45°。預演吊裝時，應先檢查起重機及重物的穩定狀態、制動機器的可靠性、綁扎是否牢固，先將重物吊離地面0.2～0.5m 后，確認無誤后方可繼續起吊。如果發現疊合板在試吊時不處于水平狀態，應及時調整鋼絲繩，使板保持水平狀態。

2.3.7 疊合板臨時支撐。疊合板最大優勢在于施工現場模具少且施工速度快。因此，減少現澆混凝土的同時，對有拼縫的板需要有更多的臨時支撐。該項目的模板采用鋁模板支撐，為了疊合板標高和支撐的有效調節，要把立桿之間的最大間距控制在2 m 內，第一道橫向支撐距離墻邊的距離不應大于0.5 m，如果間距相差過大，則應在獨立的立桿間增設支撐，并進行合理調整。在此基礎上，要用三角支撐架獨立加工，對支撐立桿進行臨時固定［14］。疊合板支撐體系如圖7所示。

圖7 疊合板支撐體系（單位：mm）

3 疊合板的制作與運輸

3.1 制作生產

預制疊合板要滿足裝配式建筑建造的質量與需求，需要設計單位、建設單位及構件加工單位共同協商。由于該疊合板由HRB400 級的鋼筋和C30 混凝土構成，在安裝疊合板時，要求預制板實體強度達到設計強度的100%，而出廠強度為75%即可運輸，在現場安裝時，疊合板可能因強度不夠而破裂。因此，需要與廠家協商，并規定疊合板提前15 d 生產，完成兩周的養護后，使安裝階段的板體強度更有保障［15］。

3.2 疊合板的運輸

預制疊合板在運輸前，要按照疊合板尺寸對支點木方進行合理布置，同一編號的疊合板必須分類放置一起運輸，不同類型的疊合板應分開存放。運輸時，預制板應采用平放運輸。當板跨度≤3.6 m時，跨中放置1條木方；當板跨度＞3.6 m時，跨中鋪設2 條墊木。墊木必須上下對齊和墊實，不得有一角落空，避免在運輸中因磕碰而導致疊合板碎裂。疊合板要根據構件出廠順序進行運輸，并根據實際情況設置臨時固定或保護裝置。

3.3 疊合板的堆放

疊合板的堆放場地要堅實、平整，且要保證地下有排水措施。應將疊合板底向下放平，不能倒置，且在板與板之間的桁架鋼筋側邊各放置一塊100 mm×100 mm 的木方，木方上還要墊上一層15 mm 以上的柔性墊和硬橡膠墊，以免發生變形而破裂，每堆放置疊合板層數不宜超過6 層［16］。疊合板堆放如圖8所示。

圖8 疊合板堆放示意

4 BIM技術深化設計的優勢分析

傳統的裝配式建筑通常是在二維圖紙中進行的，且各專業構件復雜且繁多，在對構件進行深化設計時，無法避免專業構件間的碰撞，降低構件的加工效率。因此，將BIM 技術與裝配式建筑結合起來，能直觀反映出構件連接之間的碰撞，并能及時調整。利用BIM 技術可視化、可參數化等特點，對構件拆分、鋼筋排布、洞口預留精確布置，相關設計人員根據模型與圖紙不匹配問題及時進行修改，減少誤差，提高準確率，為裝配式施工提供安全保障。由于BIM 技術對各專業方提出的需求進行整合與集成，避免各專業模型間的沖突，同時利用其進行深化設計，避免構件預留孔洞與鋼筋布置沖突，能有效避免施工現場二次施工帶來的浪費。在BIM技術與裝配式建筑結合的基礎上，應用BIM 技術進行深化設計，可減少重復建模，使鋼筋布置更加智能化、參數化，并為施工單位和構件生產單位提供信息共享，提高構件的生產效率與準確率。

5 結論

在建筑行業呈現工業化發展的時代，實現建筑標準化設計、工業化生產、裝配式施工是目前裝配式建筑工業化的關鍵環節。工業化大規模生產疊合板能很好解決施工現場澆筑混凝土困難，并節約材料和人工，提高施工效率，使裝配式建筑工業化發展更加高效。通過BIM 技術在裝配式疊合板的深化設計中的實際應用，得出以下結論。

①在疊合板深化設計時，各單位負責人要及時、有效溝通，應用BIM 技術將預制構件拆分布置，通過洞口預留、鋼筋避讓等進行精確定位，可避免圖紙多次變更，影響構件生產，從而提高施工質量和設計效率。

②疊合板是裝配式建筑中應用最多的構件，根據其規格少、組合多的原則，構件單位可實現規模生產預制板，但構件種類多、吊裝效率低、鋼筋綁扎困難、構件吊裝時開裂等問題還須進一步探索。

③通過將板進行預制，保證構件標準化，可提高生產效率，滿足節能環保需求，減少鋼筋浪費，在便于生產運輸的同時，解決了現場澆筑混凝土的困難。

④在深化設計過程中，考慮到構件生產、運輸、吊裝等可行性，要確保施工質量，為后續構件安裝提供有力支持，但要考慮運輸吊裝重量及運輸產生的費用。