裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

楊 旭 李晨光 鄧思華

(1.北京建筑大學(xué)，北京100044;2.北京市建筑工程研究院有限責(zé)任公司，北京100039)

引言

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)由預(yù)制混凝土構(gòu)件或部件通過(guò)各種可靠的方式進(jìn)行連接并與現(xiàn)場(chǎng)后澆混凝土形成的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)。它是實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化的一部分，也是現(xiàn)代建筑最為重要的結(jié)構(gòu)形式之一。

目前，國(guó)外裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)采用的設(shè)計(jì)方法[1][2]是基于性能的設(shè)計(jì)方法，該方法與整體現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法有很大的不同，它具有優(yōu)良的非線性特性。在線彈性范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的恢復(fù)性能良好;地震作用下，彈塑性變形發(fā)生在構(gòu)件的連接區(qū)域，而構(gòu)件本身并不會(huì)發(fā)生破壞，并且當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生之后，只需要對(duì)預(yù)制構(gòu)件連接處的受損部分進(jìn)行更換或者修復(fù)，即可正常使用。

國(guó)內(nèi)目前采用的裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法是建立在整體現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上的。利用該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)，地震作用下容易使預(yù)制構(gòu)件發(fā)生破壞。

本文研究的裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，主要包括四個(gè)環(huán)節(jié):即整體現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段、預(yù)制構(gòu)件拆分與歸并階段、三維碰撞檢測(cè)階段和預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)階段。

1 整體現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本階段與整體現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法一致，即當(dāng)設(shè)計(jì)人員得知業(yè)主的設(shè)計(jì)要求以后，根據(jù)要求，采用整體現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，完成一個(gè)初步的設(shè)計(jì)方案。

2 預(yù)制構(gòu)件拆分與歸并

當(dāng)初步的設(shè)計(jì)方案完成以后，需要按照以下幾個(gè)原則完成預(yù)制構(gòu)件的拆分和歸并:

1)預(yù)制構(gòu)件拆分之前，設(shè)計(jì)人員需要與負(fù)責(zé)同一項(xiàng)目的施工方進(jìn)行溝通，如果施工方尚未確定，應(yīng)在業(yè)主的同意的前提下，以一般施工水平為準(zhǔn)，確定此環(huán)節(jié)需要考慮的施工條件。譬如，預(yù)制構(gòu)件的吊具及承載能力等等;

2)拆分和歸并后的預(yù)制構(gòu)件盡可能地保證截面形狀相同，長(zhǎng)度方向可自由調(diào)整，這是構(gòu)件拆分時(shí)的基本原則;

3)拆分和歸并后的預(yù)制構(gòu)件，構(gòu)件種類要盡量減少，從而減少模板的種類，提高模板使用率;

4)了解初步設(shè)計(jì)方案中各個(gè)位置中梁、板、柱的功能和聯(lián)系，同時(shí)應(yīng)了解預(yù)制構(gòu)件制作方的制作方法和加工精度等內(nèi)容，以便于制定預(yù)制構(gòu)件的裝配方案;

5)應(yīng)滿足運(yùn)輸、堆放、安裝及質(zhì)量的控制要求。

依據(jù)上述原則，預(yù)制構(gòu)件拆分與歸并完畢以后，需要利用整體現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行重新計(jì)算，如果計(jì)算結(jié)果合理，滿足現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行下一環(huán)節(jié)，否則，需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果，有針對(duì)性地調(diào)整預(yù)制構(gòu)件的拆分與歸并方案，進(jìn)行再次計(jì)算，直至計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求為止。

3 三維碰撞檢測(cè)

當(dāng)拆分與歸并后的裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求以后。為了避免施工過(guò)程中，預(yù)制構(gòu)件的裝配不能順利進(jìn)行，特別是預(yù)制構(gòu)件外伸的鋼筋發(fā)生彼此碰撞，應(yīng)當(dāng)在裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中增加三維碰撞檢測(cè)環(huán)節(jié)。

隨著B(niǎo)IM(Building Information Modeling)技術(shù)的不斷發(fā)展和大力推廣[3]，空間可視化設(shè)計(jì)有了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，因此也使得裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的三維碰撞檢測(cè)變得簡(jiǎn)單易行。

裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)的三維碰撞檢測(cè)可以采用 Autodesk Revit Structure[4]和 Autodesk NavisWorks[5]進(jìn)行。

(1)Autodesk Revit Structure和Autodesk Navis-Works

Revit Structure是一款專門為結(jié)構(gòu)工程師提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與出圖的強(qiáng)大工具，它將多材質(zhì)的物理模型與獨(dú)立、可編輯的分析模型進(jìn)行了集成，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)建模和結(jié)構(gòu)文檔的準(zhǔn)備，并為常用的結(jié)構(gòu)分析軟件提供雙向鏈接，它通過(guò)參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型即時(shí)三維呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在施工前對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加精細(xì)的可視化設(shè)計(jì)。它可以通過(guò)協(xié)同工作跟建筑師、水暖工程師進(jìn)行多專業(yè)協(xié)調(diào)工作;“一處修改，處處更新”的理念，最大程度地減少了項(xiàng)目設(shè)計(jì)變更中的失誤，極大地提高了工程師的設(shè)計(jì)效率(圖1)。

Autodesk NavisWorks能夠再現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，制定詳細(xì)的四維施工進(jìn)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)施工項(xiàng)目的可視化。在項(xiàng)目動(dòng)工之前，設(shè)計(jì)人員即可在真實(shí)的環(huán)境中體驗(yàn)所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)沖突檢測(cè)，并提供審閱解決方案，提高施工文檔的一致性、協(xié)調(diào)性和準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)化貫穿企業(yè)與團(tuán)隊(duì)的整個(gè)工作流程，幫助減少浪費(fèi)、提升效率，同時(shí)顯著減少設(shè)計(jì)變更，更加全面地評(píng)估和驗(yàn)證所用材質(zhì)和紋理是否符合設(shè)計(jì)意圖。

圖1 三維模型圖

(2)三維檢測(cè)方法

三維碰撞檢測(cè)時(shí)，首先應(yīng)該利用Autodesk Revit Structure軟件進(jìn)行三維建模，然后利用Autodesk NavisWorks軟件中的“Clash Detective”模塊進(jìn)行三維碰撞檢測(cè)。

Autodesk Navisworks中的“Clash Detective”工具可以有效的識(shí)別、檢查和報(bào)告三維項(xiàng)目模型中的碰撞，有助于降低模型檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

三維碰撞檢測(cè)的具體步驟如下:

1)從批處理中選擇需要進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目;

2)根據(jù)檢測(cè)要求設(shè)置碰撞檢測(cè)的規(guī)則;

3)選擇要在碰撞檢測(cè)中包括的所需項(xiàng)目，然后設(shè)置檢測(cè)類型選項(xiàng);

4)查看三維碰撞檢測(cè)結(jié)果;

5)對(duì)碰撞檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行排序，以表格的形式列出碰撞檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)而根據(jù)使用者需求，選擇指定的格式生成碰撞檢測(cè)報(bào)告。

4 預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)

預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)是裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)的深度應(yīng)滿足建筑、結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備等各專業(yè)以及構(gòu)件、制作、運(yùn)輸、安裝等各環(huán)節(jié)的綜合要求。

深化設(shè)計(jì)階段主要分三個(gè)階段，即鋼筋組裝圖設(shè)計(jì)、模具圖設(shè)計(jì)和吊裝圖設(shè)計(jì)三個(gè)環(huán)節(jié)。

(1)鋼筋組裝圖設(shè)計(jì)

預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)圖本質(zhì)上是鋼筋的組裝圖。本環(huán)節(jié)需要對(duì)每種類型的鋼筋進(jìn)行編號(hào)標(biāo)示，且保證編號(hào)唯一(圖2)。

(2)模具圖設(shè)計(jì)

圖2 鋼筋組裝圖

鋼筋組裝圖設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)預(yù)制構(gòu)件的尺寸及配筋完成預(yù)制構(gòu)件模具圖;根據(jù)預(yù)制構(gòu)件的裝配方法完成預(yù)制構(gòu)件裝配模具圖。

模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須要對(duì)模具的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，以防止構(gòu)件制作過(guò)程中水泥砂漿從預(yù)制構(gòu)件面和模板的連接面處溢出，同時(shí)應(yīng)保證模具和構(gòu)件連接緊密和混凝土的養(yǎng)護(hù)(圖3)。

當(dāng)預(yù)制構(gòu)件裝配模具圖設(shè)計(jì)時(shí)，由于后澆混凝土在連接部位使用的混凝土量較少，對(duì)模具的側(cè)面壓力也較小，設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)對(duì)模具的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行折減，但必須保證澆筑混凝土?xí)r模具不能發(fā)生移動(dòng)或者膨脹。

(3)吊裝圖設(shè)計(jì)

吊裝圖設(shè)計(jì)是裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要包括豎向構(gòu)件的吊裝設(shè)計(jì)和水平構(gòu)件的吊裝設(shè)計(jì)(圖4)。

在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮以下幾個(gè)因素:

1)吊具的種類和承載能力;

2)預(yù)制構(gòu)件上的吊環(huán)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸和裝配的影響;

3)預(yù)制構(gòu)件的堆放和運(yùn)輸。

5 裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中需加強(qiáng)與同一項(xiàng)目施工方的溝通，了解施工水平，以便于項(xiàng)目能夠順利完成;同時(shí)應(yīng)了解預(yù)制構(gòu)件的安裝和裝配方法，以保證設(shè)計(jì)完成的預(yù)制構(gòu)件不影響節(jié)點(diǎn)的裝配。

三維碰撞檢測(cè)階段，要盡可能細(xì)化模型分類，便于操作和定位;同時(shí)，當(dāng)模型載入NavisWorks時(shí)，應(yīng)先漫游一下模型，找出一些明顯的問(wèn)題，調(diào)整以后再使用“Clash Detective”，這樣可以減少一些碰撞檢測(cè)。

設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)完成的預(yù)制構(gòu)件圖，應(yīng)保證預(yù)制構(gòu)件裝配時(shí)，外伸鋼筋不發(fā)生碰撞，同時(shí)應(yīng)預(yù)留一定的設(shè)計(jì)公差，避免生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)生事故;設(shè)計(jì)完成的模具圖，在滿足功能要求基礎(chǔ)上，盡可能地提高模具使用的重復(fù)率和易操作性;預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)圖要明確標(biāo)明預(yù)制構(gòu)件與后澆混凝土結(jié)合面的制作形式及方法，準(zhǔn)確傳達(dá)出設(shè)計(jì)意圖，以保證施工的便捷性和結(jié)構(gòu)的抗震性能。

圖3 模具圖

圖4 吊裝圖

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