基于BIM技術(shù)的上海某項目裝配式設(shè)計

丁 泓 Ding Hong 惲燕春 Yun Yanchun 袁華江 Yuan Huajiang

1 工程概況

上海市青浦區(qū)青浦新城63A-03A地塊愛多邦項目，是全國裝配式建筑科技示范項目、全國建筑業(yè)綠色施工示范項目、上海市裝配式建筑示范工程及上海市工業(yè)化科研的示范工程。項目位于上海市青浦新城東部，總建筑面積83 218.35m2，其中地上建筑面積56 917.49m2，包括8棟裝配式住宅和1棟商業(yè)樓，100%采用裝配式結(jié)構(gòu)，項目單體混凝土預(yù)制率≥45%。

該項目主要擁有四大技術(shù)特點：①創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)體系，包含雙面疊合剪力墻、全預(yù)制套筒剪力墻和預(yù)制預(yù)應(yīng)力框架三大PC結(jié)構(gòu)體系，且地下室外墻采用雙面疊合預(yù)制墻板；②集成化的技術(shù)應(yīng)用，即工業(yè)化外裝、工業(yè)化內(nèi)裝，如商業(yè)樓就是輕鋼外圍護外墻體系和PC預(yù)制預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)的集成化建筑；③先進的工藝工法，包括裝配式鋁膜、爬升式平臺、大空間可變房型和預(yù)應(yīng)力等；④信息化的管理模式，主要包括基于BIM信息平臺的智能化生產(chǎn)、4D模擬施工和信息化運維管理。特別是項目充分利用BIM信息化管理平臺協(xié)調(diào)業(yè)主、設(shè)計、生產(chǎn)、物流和施工各方，極大地提高建造效率和建筑質(zhì)量，是上海地區(qū)采用EPC施工總承包模式的示范工程。

本文將以8#樓為例，著重介紹其裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用全預(yù)制套筒剪力墻結(jié)構(gòu)體系，樓高51.6m；地上17層，建筑面積為10 980.21m2；地下1層，建筑面積為1 125.60m2?？拐鹪O(shè)防烈度7度（0.1g），設(shè)計地震分組為第一組；抗震設(shè)防類別為丙類，剪力墻抗震等級三級。根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1—2014）相關(guān)規(guī)定，剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強區(qū)宜現(xiàn)澆，因此，8#樓底部兩層為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，3層以上為裝配式結(jié)構(gòu)，裝配式結(jié)構(gòu)部件有全預(yù)制剪力墻、疊合樓板、疊合梁、預(yù)制樓梯、疊合陽臺板和預(yù)制空調(diào)板，單體預(yù)制率55%。

2 體系簡介

全預(yù)制套筒剪力墻結(jié)構(gòu)是國內(nèi)較早應(yīng)用的裝配式結(jié)構(gòu)體系，采用剪力墻身整體預(yù)制，上下預(yù)制墻體通過灌漿套筒連接，水平預(yù)制墻體則采用預(yù)留外伸筋錨入現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件的連接方式，達到建筑整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并滿足相應(yīng)抗震要求。

當前，該結(jié)構(gòu)體系在國內(nèi)的應(yīng)用已十分廣泛，各大院校連同企業(yè)進行了一系列全預(yù)制套筒剪力墻的相關(guān)試驗，以驗證各種狀況下結(jié)構(gòu)的抗震性和穩(wěn)定性。基于試驗結(jié)論，國家規(guī)范及行業(yè)規(guī)范也相繼出臺，對裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計進行有效指導(dǎo)和規(guī)范。目前，北京、上海、深圳等地均已建成相當規(guī)模的該體系裝配式建筑，裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計也趨于成熟，細節(jié)設(shè)計逐步完善。

但是，大部分全預(yù)制套筒剪力墻結(jié)構(gòu)的裝配式設(shè)計仍然處于二維設(shè)計階段，BIM技術(shù)僅僅運用于模擬建筑整體三維效果及節(jié)點連接，而未能將BIM技術(shù)真正體現(xiàn)在構(gòu)件設(shè)計、生產(chǎn)和施工的銜接中，導(dǎo)致裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計效率以及設(shè)計周期均無法得到保證。

3 基于BIM技術(shù)裝配式設(shè)計

裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是指預(yù)制構(gòu)件的拆分及構(gòu)件之間的連接設(shè)計，需要對裝配式建筑生產(chǎn)、運輸、吊裝施工進行全流程的考量。若僅從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā)，形成的裝配式設(shè)計成果往往造成后續(xù)工作不可控，易出錯，易返工。因此，基于BIM技術(shù)，結(jié)合建筑全流程工藝工法，是裝配式設(shè)計的必要手段。本文將主要針對剪力墻節(jié)點連接、疊合樓板連接以及預(yù)制樓梯間的裝配式設(shè)計進行闡述。

3.1 剪力墻節(jié)點設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)行國家標準，相鄰預(yù)制剪力墻之間的邊緣構(gòu)件宜采用后澆混凝土（圖1）。但是，基于對現(xiàn)有在建項目的實地考察和研究，邊緣構(gòu)件的施工質(zhì)量并不理想，附加連接鋼筋的放置與設(shè)計要求存在較大偏差，且施工效率低下。

鑒于此，本項目8#樓的剪力墻節(jié)點設(shè)計采用了全預(yù)制節(jié)點方式（圖2），即將施工難度大且質(zhì)量無法把控的邊緣構(gòu)件移至工廠生產(chǎn)，以保證節(jié)點區(qū)構(gòu)件質(zhì)量，而施工現(xiàn)場僅需要在剪力墻身軀進行簡單的一字型后澆連接，施工效率和質(zhì)量大大提高。

在裝配式設(shè)計階段，基于BIM技術(shù)進行全預(yù)制節(jié)點連接設(shè)計。根據(jù)規(guī)范要求，可視化預(yù)制邊緣構(gòu)件設(shè)計包括灌漿套筒布置、套筒鋼筋及箍筋設(shè)計，并精確設(shè)計外伸鋼筋長度和高度，保證其在同一水平面，便于現(xiàn)場施工附加箍筋的放置綁扎，同時用于指導(dǎo)此節(jié)點的施工工藝和流程（圖3）?；贐IM技術(shù)產(chǎn)生的構(gòu)件數(shù)據(jù)直接傳遞至工廠中控端，因此，包括構(gòu)件尺寸、鋼筋清單、預(yù)埋件清單、構(gòu)件加工圖等，實現(xiàn)了設(shè)計到生產(chǎn)的數(shù)據(jù)無縫對接。

圖1 全預(yù)制套筒剪力墻L型節(jié)點連接大樣圖

圖2 8#樓剪力墻L型連接節(jié)點圖

圖3 基于BIM技術(shù)L型節(jié)點設(shè)計圖

3.2 疊合樓板連接設(shè)計

現(xiàn)有疊合樓板連接方式分為兩類，一類為后澆型，另一類為密拼方式。國內(nèi)較常見的設(shè)計方式是如圖4所示的后澆型，整體性能較好，但同樣存在施工較繁瑣的缺點，需要大量的拼縫模板，且施工質(zhì)量難以控制。

本項目8#樓從設(shè)計理念到設(shè)計方法，都是基于工業(yè)化可變房型住宅考慮，減少室內(nèi)剪力墻的布置，達到室內(nèi)空間最大化和靈活化，因而疊合樓板的跨度也較大，樓板總厚度達到180mm。根據(jù)設(shè)計規(guī)范并結(jié)合工廠生產(chǎn)、現(xiàn)場施工便捷性，疊合樓板拼縫設(shè)計為密拼型，參考國內(nèi)密拼型樓板相關(guān)節(jié)點圖集，同時結(jié)合德國的試驗研究成果，優(yōu)化密拼型節(jié)點連接，通過每邊雙排桁架鋼筋的設(shè)置來約束附加板底連接鋼筋，保證結(jié)構(gòu)整體安全性（圖5）。

同樣，基于BIM技術(shù)設(shè)計密拼型疊合樓板（圖6），以保證拼縫處桁架鋼筋間距符合設(shè)計要求，并通過BIM系統(tǒng)將疊合樓板設(shè)計數(shù)據(jù)至工廠端口進行自動化生產(chǎn)，既提高了設(shè)計和生產(chǎn)效率，也優(yōu)化了施工流程。

3.3 預(yù)制樓梯間設(shè)計

本項目設(shè)計為單層雙跑樓梯，其樓梯間休息平臺與標準層樓板、樓梯間外墻與標準層墻板存在錯層關(guān)系，因此，在裝配式設(shè)計過程中，合理的構(gòu)件拆分及現(xiàn)場吊裝流程是需要考慮的關(guān)鍵因素。

圖7為樓梯間平面拆分結(jié)構(gòu)布置圖，平面拆分依然按照章節(jié)2.1的方式，采用邊緣構(gòu)件與剪力墻整體預(yù)制方式，連接節(jié)點設(shè)計為500mm現(xiàn)澆平直段。

圖8為樓梯間左視圖，可以看出，其樓梯間外墻PCQ23與樓梯側(cè)墻PCQ2為錯層布置。如此布置方式主要有兩方面好處：①保證了PCQ23中窗戶的整體性，避免因為窗戶一拆為二導(dǎo)致的立面效果及窗戶拼縫漏水隱患；②PCQ23在樓梯休息平臺處連接，與樓板、邊緣構(gòu)件一同澆筑，整體性好，且施工難度降低，防水性能好。

在現(xiàn)場安裝階段，本項目斜撐布置如圖9所示。外墻PCQ23支撐于休息平臺上，樓梯側(cè)墻PCQ2/PCQ3上部互撐于下層墻板，下部通過角鋼限制其橫向位移，形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)。

穩(wěn)定狀態(tài)下，由風力產(chǎn)生的斜支撐承載力應(yīng)滿足如下設(shè)計承載力：

式中，Geq—全預(yù)制套筒剪力墻等效自重，動力系數(shù)取1.2；

圖4 后澆型疊合樓板連接節(jié)點圖

圖5 8#樓密拼型疊合樓板連接節(jié)點圖

圖6 基于BIM技術(shù)疊合樓板拼縫連接節(jié)點圖

圖7 樓梯間平面拆分結(jié)構(gòu)布置圖

圖8 樓梯間左視圖（套筒僅為示意）

Fw—作用于剪力墻水平方向的風力；

T—斜支撐承載力設(shè)計值；

θ—斜支撐與剪力墻的夾角；

b—剪力墻厚度；

e—剪力墻重心與支點距離。

根據(jù)計算得出的斜支撐承載力，進一步復(fù)核斜支撐固定埋件的安全性。

此外，結(jié)合BIM三維施工模擬，分析預(yù)制墻板、預(yù)制樓梯、預(yù)制休息平臺的吊裝方案，指導(dǎo)施工有序進行，避免因預(yù)制構(gòu)件吊裝順序抑或支撐方式錯誤而導(dǎo)致無法正常施工（圖10、11）。

4 創(chuàng)新技術(shù)

此項目8#樓從實際工程應(yīng)用出發(fā)，率先采用多種新型技術(shù)，在簡化設(shè)計和保證結(jié)構(gòu)性能的前提下，大大提高了施工效率。

4.1 鋼絲繩連接環(huán)設(shè)計

鋼絲繩連接環(huán)是由高強度鋼絲繩和鍍鋅薄鋼板金屬盒制作而成，通常用于墻體間的連接，通過鋼絲繩和混凝土抗剪鍵，把水平力從一個構(gòu)件傳到另一個構(gòu)件（圖12）。

由于鋼絲環(huán)連接設(shè)計為弱連接，無法在剪力墻中應(yīng)用，因此，針對此項目結(jié)構(gòu)設(shè)計，在不影響剪力墻的情況下，應(yīng)用于填充墻的連接中，以提高項目工業(yè)化程度。對本項目某一墻板的原設(shè)計連接節(jié)點（圖13）進行優(yōu)化后，形成如圖14所示的新型連接節(jié)點，其L型轉(zhuǎn)角邊緣構(gòu)件預(yù)制，與其相連的外圍護填充墻預(yù)制。采用此連接方式避免了原設(shè)計的鋼筋綁扎、螺栓連接及模板支設(shè)，節(jié)省了設(shè)計、生產(chǎn)、施工等各環(huán)節(jié)的工作量。

圖9 安裝階段斜支撐布置方式及力學(xué)模型圖

圖10 BIM技術(shù)樓梯間安裝模擬圖

圖11 現(xiàn)場樓梯間安裝

圖12 鋼絲繩連接環(huán)連接示意圖

圖13 原設(shè)計連接節(jié)點圖

圖14 優(yōu)化后新型連接節(jié)點圖

4.2 暗栓式連接設(shè)計

8#樓樓梯間采用裝配式設(shè)計，針對休息平臺與周邊全預(yù)制剪力墻的連接問題，若采用普通疊合板式桁架樓板，四周的外伸錨固鋼筋會極大影響吊裝效率。因此，在項目開展前期，進行了與項目同戶型、同比例的樣板房試生產(chǎn)，對一系列創(chuàng)新研究進行嘗試，其中就包括裝配式樓梯間的暗栓式休息平臺連接設(shè)計。

在全預(yù)制剪力墻中預(yù)留連接孔洞，通過預(yù)留在休息平臺中的可拉伸式暗栓埋件，將暗栓與孔洞對準后錨入并灌漿，使其四點受力（圖15、16）。

圖15 暗栓式連接設(shè)計圖

圖16 休息平臺俯視圖

此連接方式不需要在邊模預(yù)留外伸筋槽口，難度低從而生產(chǎn)效率高，且吊裝就位極其簡單，施工難度很小。但是，此連接件成本較高，國內(nèi)暫時較難實現(xiàn)大面積推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

通過對裝配式設(shè)計細節(jié)的研究及BIM系統(tǒng)的支撐，本項目得以在各階段順利開展，為今后的裝配式建筑奠定了良好的理論和實踐基礎(chǔ)。作為全國裝配式建筑科技示范項目，本項目從建筑到結(jié)構(gòu)，從外裝到內(nèi)裝，從設(shè)計到施工，均以BIM信息化為載體，大膽嘗試新工藝、新工法，借以推動住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。