BIM在裝配式建筑安裝的關(guān)鍵性技術(shù)研究與應(yīng)用

周 彬

（廣東省水利水電第三工程局有限公司 廣東 東莞 523710）

0 前言

國內(nèi)裝配式建筑正處于起步階段，裝配式相關(guān)技術(shù)的研究有利于提升企業(yè)綜合競爭力［1］。國內(nèi)采用裝配式與BIM 技術(shù)相結(jié)合的實(shí)例較少，經(jīng)驗(yàn)缺乏。沒有對BIM 的系統(tǒng)性實(shí)施對策及論證方法。預(yù)制件的族及建模標(biāo)準(zhǔn)不完善，針對裝配式BIM 的管理體系還不成熟。

1 工程概況

天悅家園項(xiàng)目占地29 130.93 m2，總建筑面積111 655.48 m2。地上部分包含3 棟28層商業(yè)住宅樓，1棟26層商業(yè)住宅樓以及1 棟3層幼兒園。本項(xiàng)目4棟商業(yè)住宅樓3層及以上均采用裝配式施工，采用疊合梁、疊合板、預(yù)制樓梯等構(gòu)件。

2 總體思路

2.1 通過Revit等建模軟件進(jìn)行裝配式構(gòu)件1∶1 建模還原［2］，利用BIM 相關(guān)平臺實(shí)現(xiàn)建模階段的建筑、結(jié)構(gòu)與機(jī)電專業(yè)之間的協(xié)同。通過模型進(jìn)行碰撞分析，對預(yù)制件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行管線綜合布置，在最短時間內(nèi)建立完整施工模型并能指導(dǎo)施工［3］。

2.2 通過Navisworks等軟件實(shí)現(xiàn)漫游、管線碰撞實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行4D 模擬吊裝施工和制作演示動畫。

3 模型建立

3.1 選取模擬吊裝對象及擬定模擬施工順序：以1號樓標(biāo)準(zhǔn)層作為模擬吊裝對象，解析該標(biāo)準(zhǔn)層的裝配式圖紙，確定建模思路及整體模擬施工順序。具體順序?yàn)椋孩偶袅ΜF(xiàn)澆段施工；⑵疊合梁吊裝（見圖1a）；⑶疊合板吊裝（見圖1b）；⑷預(yù)制沉箱吊裝（見圖1c）；⑸梁板現(xiàn)澆部分施工；⑹預(yù)制樓梯吊裝（見圖1d）。

圖1 構(gòu)件模型Fig.1 Component Model

3.2 確定預(yù)制構(gòu)件建模方式：考慮疊合梁板的規(guī)格較多，無法用統(tǒng)一的族來表達(dá)單個個體的全部特征，決定采用每一個預(yù)制構(gòu)件對應(yīng)一個族的方式來建模［4］。通過此種方式建模，能在發(fā)現(xiàn)存在問題后，直接對有問題的構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)修改，而不會影響其他構(gòu)件。而同類構(gòu)件中存在型態(tài)上的共性，可以通過特定類型進(jìn)行修改生成想要的構(gòu)件形狀，能節(jié)省建模時間。

3.3 疊合梁構(gòu)建要點(diǎn)［5］：

⑴錨固鋼筋長度、形狀及數(shù)量（用于分析不同預(yù)制件之間的鋼筋碰撞）；

⑵預(yù)制面凹槽形狀（構(gòu)建凹槽形狀用于分析疊合梁板的連接節(jié)點(diǎn)）；

⑶主次梁連續(xù)節(jié)點(diǎn)處的牛擔(dān)板定位（構(gòu)建牛擔(dān)板定位用于分析主次梁搭接位置的準(zhǔn)確性，并確定梁吊裝的正反面順序）。

3.4 疊合板、預(yù)制衛(wèi)生間沉箱構(gòu)建要點(diǎn)：

⑴錨固鋼筋方向及長度（構(gòu)建鋼筋方向能快速確定板的吊裝方向，起定位作用）；

⑵板邊形狀及尺寸（板邊設(shè)計(jì)具有不同的形狀，構(gòu)建還原能分析板四邊的連接情況）；

⑶洞口位置及板厚（通過洞口位置的構(gòu)建來校對預(yù)留洞口在預(yù)制件定位是否準(zhǔn)確，分析不同板厚處的節(jié)點(diǎn)連接大樣）。

3.5 預(yù)制樓梯構(gòu)建要點(diǎn)：

⑴梯段尺寸（用于分析吊裝定位的空間位置及搭接尺寸）；

⑵預(yù)留洞口的定位（核對準(zhǔn)備建模預(yù)留洞口的定位，為現(xiàn)場現(xiàn)澆梁的預(yù)埋件定位提供指導(dǎo)）。

4 預(yù)制構(gòu)件碰撞分析［6］

所有預(yù)制構(gòu)件構(gòu)建完成后，通過原設(shè)計(jì)圖紙的軸線及標(biāo)高將預(yù)制構(gòu)件就位，通過軟件的三維模擬進(jìn)行碰撞檢查。檢查思路為：⑴檢查預(yù)制梁與預(yù)制梁之間的鋼筋碰撞，在存在相交的節(jié)點(diǎn)分析其鋼筋避讓、錨固長度是否合理，如果存在碰撞情況，上調(diào)鋼筋高度30～50 mm 或者用直錨變彎錨的形式進(jìn)行避讓［7］；⑵檢查預(yù)制梁與預(yù)制板的就位情況，確保擱置尺寸正確，擱置位置平整無空隙；重點(diǎn)分析降板及存在不同板厚節(jié)點(diǎn)處的連接（如陽臺降板50 mm）［8］。通過圖2進(jìn)行簡要介紹。

圖2a 節(jié)點(diǎn)處，因存在多條預(yù)制梁在剪力墻處交叉錨固，此時應(yīng)在保證錨固長度的前提下進(jìn)行鋼筋合理避讓，類似其它節(jié)點(diǎn)的位置較多，需具體分析每處的鋼筋長度及高度［9］；圖2b 節(jié)點(diǎn)處，可明顯看到兩塊板與預(yù)制疊合梁的搭接出錯，右邊板與梁邊連續(xù)存在空隙，而左邊板與梁邊發(fā)生了碰撞，經(jīng)核實(shí)設(shè)計(jì)圖紙此處為梁上邊凹口形狀錯誤，應(yīng)進(jìn)行鏡像對調(diào)才能滿足要求。通過模型的3D 可視能力，能提前發(fā)現(xiàn)此類問題，避免在后期現(xiàn)場吊裝時再發(fā)現(xiàn)而造成工期拖延。

圖2 模型圖Fig.2 Model Diagram

5 吊裝順序模擬

吊裝順序模擬是在正式吊裝前確定具體順序，及通過軟件的模擬能力尋找出吊裝過程中可能不合理或者應(yīng)改善的細(xì)節(jié)。同時還應(yīng)考慮構(gòu)件的堆放順序及裝車順序。本分析過程更注重提高吊裝的功效，減少起吊過程的構(gòu)件周轉(zhuǎn)，為現(xiàn)場吊裝進(jìn)行交底并提供技術(shù)指導(dǎo)［10］。具體分析及考慮要素如下：

5.1 吊裝區(qū)域劃分

以1號樓標(biāo)準(zhǔn)層作吊裝模擬，吊裝區(qū)域劃分為分單元吊裝。1號樓共有兩個單元，先吊裝一單元樓棟，后吊裝二單元樓棟。

5.2 吊裝戶型劃分

一單元共有4 個戶型，1 電梯前室；經(jīng)研究決定，先吊裝A1 戶型后吊裝電梯前室區(qū)域，再一起吊裝A2及 A2′戶型，最后吊裝 A1′戶型。

5.3 確定預(yù)制構(gòu)件吊裝順序

先綁扎剪力墻鋼筋，安裝鋁模支撐系統(tǒng)后澆筑剪力墻至2.4 m 高。然后吊裝疊合梁、疊合板，再吊裝預(yù)制沉箱。吊裝完成后綁扎現(xiàn)澆層鋼筋然后整體現(xiàn)澆，最后吊裝預(yù)制樓梯。

5.4 同類構(gòu)件的吊裝順序

疊合梁吊裝順序需考慮主次梁的連接關(guān)系，先吊裝主梁后吊裝次梁；疊合板需考慮構(gòu)件間的疊放關(guān)系，因各疊合板尺寸差異較大，需根據(jù)具體戶型考慮偏小的構(gòu)件放上層，尺寸大的構(gòu)件放底層。

完成分析和吊裝模擬后，將成果轉(zhuǎn)化為CAD 圖紙和構(gòu)件圖紙，使施工人員更直觀地掌握吊裝順序及構(gòu)件形態(tài)，有效提升施工質(zhì)量和相關(guān)人員的溝通協(xié)作效率［11］。

6 構(gòu)件堆放模擬

在完成吊裝順序模擬后，根據(jù)確定的順序來推算構(gòu)件堆放順序，并考慮以下三個主要因素［12］：

6.1 堆放區(qū)域劃分

堆放區(qū)域分單元堆放，同一單元樓棟的構(gòu)件統(tǒng)一堆放在同一區(qū)域；另細(xì)分疊合板堆放區(qū)與疊合梁堆放區(qū)、預(yù)制樓梯及預(yù)制沉箱堆放區(qū)。

6.2 構(gòu)件疊放

疊合梁由于占地面積較小，可采用平放的方式。疊合板占地面積較大，采用疊放的方式，原則上不超過6層一堆。預(yù)制沉箱采用2層一堆的疊放方式，構(gòu)件堆放之間需考慮工作面寬度。

6.3 同類構(gòu)件堆放順序

疊合梁（見圖3）的堆放將同一戶型的梁歸類的同一位置，方便吊裝人員快速識別構(gòu)件，并在構(gòu)件上標(biāo)記編號及吊裝方向；疊合板（見圖4）疊放同樣按同一戶型進(jìn)行編號歸類，面積由大到小逐層往下到上進(jìn)行疊放，同樣需標(biāo)注好編號及吊裝方向。

圖3 預(yù)制疊合梁堆放模擬Fig.3 Prefabricated Stacked Beams

圖4 預(yù)制疊合板及沉箱堆放模擬Fig.4 Prefabricated Laminated Plywood and Caisson Stacking Simulation

7 研究實(shí)施總結(jié)

裝配式建筑作為一種行業(yè)新工藝，有別于傳統(tǒng)現(xiàn)澆做法。目前在建筑住宅領(lǐng)域的推行還不夠廣泛，存在施工經(jīng)驗(yàn)不足，缺乏本專業(yè)工藝作業(yè)人員，并且預(yù)制構(gòu)件在預(yù)制廠生產(chǎn)完成后運(yùn)送至施工現(xiàn)場，如果構(gòu)件出錯需返廠重做，需花費(fèi)較長時間等待，造成窩工和拖延工期。故運(yùn)用BIM 技術(shù)3D 可視化技術(shù)，能夠提前進(jìn)行施工工藝問題排除及現(xiàn)場人員技術(shù)交底，有利于項(xiàng)目順利開展。

而本次BIM 工作主要通過上述預(yù)制構(gòu)件族創(chuàng)建、構(gòu)件碰撞分析、吊裝模擬、構(gòu)件堆放模擬等四大部分進(jìn)行研究，提供基于BIM 在裝配式建筑安裝施工的技術(shù)研究方法［13］。本技術(shù)核心在于預(yù)制構(gòu)件族的創(chuàng)建方式，若使用傳統(tǒng)現(xiàn)澆梁板柱的Revit 原生族，疊合梁板的一些特性無法在模型里體現(xiàn)。原建模過程是采用混凝土與鋼筋分開創(chuàng)建，在研究過程中，為更好的還原預(yù)制構(gòu)件形態(tài)，決定與實(shí)際預(yù)制構(gòu)件一樣，構(gòu)件族里包含鋼筋、企口、凹槽面等具體細(xì)節(jié)［11］。通過此創(chuàng)建族的方法，能為后續(xù)的碰撞分析提供更高的精度和準(zhǔn)確性，此也為本研究的重點(diǎn)?；诟哌€原族的創(chuàng)建進(jìn)行構(gòu)件碰撞分析，將問題節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，并反饋至設(shè)計(jì)院及預(yù)制廠，提前解決構(gòu)件的設(shè)計(jì)不合理及錯誤之處。

吊裝及堆放是裝配式施工的要點(diǎn)，合理的順序安排能大大提升施工速度和效率，本次BIM 運(yùn)用研究也總結(jié)了吊裝及堆放分析的要點(diǎn)［14］。通過本次BIM 技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用，為現(xiàn)場施工提供了可靠的指導(dǎo)，也對BIM 在裝配式建筑安裝的應(yīng)用有了系統(tǒng)性的總結(jié)方法和手段。從時間和經(jīng)濟(jì)成本控制的角度，為項(xiàng)目開展節(jié)省了工期和成本，為后續(xù)企業(yè)在裝配式施工中積累經(jīng)驗(yàn)，有重大的戰(zhàn)略意義。