基于BIM技術(shù)的裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)深化設(shè)計研究

羅富中 姚大偉 楊經(jīng)緯 韓俊杰

摘要：裝配式建筑的快速發(fā)展對建筑設(shè)計領(lǐng)域提出了新的要求，而以BIM技術(shù)為代表的建筑信息化技術(shù)也為建筑的設(shè)計帶來了新的發(fā)展。本文以某裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)住宅項目為例對BIM技術(shù)在深化設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行研究，找出項目設(shè)計過程的要點與關(guān)鍵環(huán)節(jié)，總結(jié)BIM技術(shù)在項目應(yīng)用中的優(yōu)勢與效益，對項目設(shè)計過程中所發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析并提出了相應(yīng)的解決思路。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);裝配式建筑;剪力墻結(jié)構(gòu);深化設(shè)計

中圖分類號：TU241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? 文章編號：2096-6903（2021）07-0000-00

1 研究背景

2013年以來，中央及地方政府持續(xù)出臺大量相關(guān)政策，大力推廣裝配式建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，同時，隨著裝配式建筑技術(shù)體系的日趨成熟，我國裝配式建筑產(chǎn)業(yè)終于迎來了高速發(fā)展階段。根據(jù)住建部發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2020年，全國裝配式建筑新開工建筑面積共計6.3億㎡，占新建建筑面積的比例約為20.5%，較2019年增長50%，近5年平均增速超過50%?？偟膩砜?，近年來裝配式建筑發(fā)展迅猛，在促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，推動城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域綠色發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。

相較于新開工建筑面積的快速增長，BIM技術(shù)作為建筑產(chǎn)業(yè)信息化的核心技術(shù)之一，發(fā)展速度卻不可謂迅速。相較于發(fā)達(dá)國家，我國建筑產(chǎn)業(yè)信息化技術(shù)與BIM應(yīng)用水平較低，建筑企業(yè)信息化投入約占總產(chǎn)值的比例0.08%，而發(fā)達(dá)國家為1%左右。隨著我國建筑信息化產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，BIM技術(shù)將會將成為推動整個建筑行業(yè)持續(xù)高速高質(zhì)量發(fā)展的重要助力。

2深化設(shè)計內(nèi)容

相較于傳統(tǒng)建筑的設(shè)計流程，裝配式建筑在方案設(shè)計階段與施工圖設(shè)計階段都有額外的工作需要完成。在方案設(shè)計的同時，我們需要編制裝配方案，確定裝配式建筑相關(guān)指標(biāo)與基本的技術(shù)路線;而在施工圖階段，裝配式建筑還需要進(jìn)行專項設(shè)計，即需要對方案階段所確定的設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的拆分并對連接形式、節(jié)點構(gòu)造等進(jìn)行計算，滿足相應(yīng)地區(qū)的裝配式建筑計算細(xì)則，保證項目的順利實施，如圖1所示。

深化設(shè)計是項目設(shè)計過程中最末端、最精細(xì)、圖紙深度要求最高的階段，同時也是設(shè)計與施工之間承前啟后的部分，既需要充分滿足前期設(shè)計功能與安全等要求，同時還需要兼顧現(xiàn)場運輸與吊裝等各個階段的不同需求。通過BIM技術(shù)的運用，我們可以在深化設(shè)計階段充分整合建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、裝修等各專業(yè)需求，通過可視化的信息化模型解決前端問題與缺陷，消滅設(shè)計與施工間的信息偏差，指導(dǎo)后端生產(chǎn)與現(xiàn)場施工，通過施工模擬技術(shù)為施工組織設(shè)計提供依據(jù)，全方位保證項目綠色、高效實施。

本文以某裝配式剪力墻住宅項目為例，采用國標(biāo)裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)路線，通過Revit系列BIM軟件結(jié)合相關(guān)深化設(shè)計軟件，基于構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計，主要涉及預(yù)制剪力墻、預(yù)制梁、疊合板等多種類型的預(yù)制構(gòu)件。

2.1 模型建立

在完成專項設(shè)計后，采用Bee-PC深化設(shè)計軟件在Revit平臺開始對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計。根據(jù)項目拆分方案，按樓層到樓棟的順序，基于單個構(gòu)件開始建立預(yù)制剪力墻、預(yù)制疊合梁、預(yù)制疊合板等部品部件BIM模型并將其調(diào)整至準(zhǔn)確位置，同時對現(xiàn)澆部分模型加以區(qū)分。完成模型后，可通過軟件功能快速計算裝配率與預(yù)制率等數(shù)據(jù)，確保設(shè)計符合要求。

2.2 筋排布及優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)對應(yīng)結(jié)構(gòu)專業(yè)施工圖調(diào)整預(yù)制構(gòu)件鋼筋排布，同時考慮不同預(yù)制構(gòu)件間的鋼筋碰撞問題，及時調(diào)整預(yù)制構(gòu)件鋼筋排布，必要時還需要向前端反饋問題并調(diào)整拆分設(shè)計方案，確保深化設(shè)計到工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場安裝的可實施性。本項目在鋼筋排布階段，通過對剪力墻、疊合梁、疊合板等預(yù)制構(gòu)件的配筋間距與配筋直徑進(jìn)行了大量優(yōu)化調(diào)整，如在墻板及疊合板類構(gòu)件中均采用間距200的間距，通過不同直徑與附加實現(xiàn)差異化配筋，同時還可以調(diào)整板邊第一根鋼筋的保護(hù)層厚度，使接縫兩側(cè)疊合板在實現(xiàn)鋼筋避讓的同時還能使用同一套模具，大大提高了本項目預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，減少不同種類的鋼模板用量，在提高效率的同時還降低了預(yù)制構(gòu)件的模板攤銷成本，發(fā)揮出了裝配式的核心優(yōu)勢。

2.3預(yù)留預(yù)埋設(shè)計

在建立預(yù)制構(gòu)件部品部件BIM模型的同時，還需要對電氣、給排水、暖通與精裝等各專業(yè)的預(yù)留預(yù)埋進(jìn)行深化設(shè)計。首先需要確定各專業(yè)預(yù)留預(yù)埋位置及產(chǎn)品規(guī)格，并在BIM模型中建立對應(yīng)型號的預(yù)埋件，對預(yù)留預(yù)埋件與鋼筋、桁架碰撞問題進(jìn)行處理，及時調(diào)整不合理設(shè)計，在優(yōu)化布置方案的同時，還便于統(tǒng)計原材料的需求數(shù)量。本項目預(yù)埋件較多，類型包括PVC線盒、金屬線盒、D50～D100止水節(jié)、D80～D150鋼套管等，單件預(yù)制構(gòu)件的預(yù)埋件數(shù)量最多超過了10個，存在較多的鋼筋避讓問題，局部無法實現(xiàn)鋼筋避讓的，還需采取截斷桁架，斷開、彎折或搭接等方法處理預(yù)制構(gòu)件鋼筋并額外附加加強(qiáng)鋼筋，或反饋機(jī)電及精裝專業(yè)人員調(diào)整設(shè)計方案。預(yù)埋件的深化設(shè)計是深化設(shè)計階段較為枯燥、繁瑣的工作，但其對整個裝配式建筑項目順利實施具有重要意義，只有在深化設(shè)計階段將各類預(yù)留預(yù)埋進(jìn)行精確的定位與避讓設(shè)計，才能減少后期問題，保證項目生產(chǎn)和施工階段的順利進(jìn)行，真正實現(xiàn)裝配式建筑的綠色高效，如圖2所示。

2.4 深化設(shè)計階段的驗算與設(shè)計

為了保證預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)與施工安全，我們需要對構(gòu)件生產(chǎn)過程中的脫模與吊運，施工過程中的吊裝與斜撐等各種工況進(jìn)行驗算與設(shè)計，而其中最關(guān)鍵的就是吊點設(shè)計。合理的吊點設(shè)計能夠有效的避免預(yù)制構(gòu)件吊裝過程中產(chǎn)生的開裂和安全風(fēng)險。從深化設(shè)計角度出發(fā)，吊點設(shè)計主要考慮工廠脫模吊裝和現(xiàn)場安裝吊裝兩個階段，要對兩種不同工況分別進(jìn)行正截面混凝土法向拉應(yīng)力、混凝土開裂彎矩、鋼筋屈服強(qiáng)度等分析驗算，最終計算出合理的設(shè)計方案;同時，還要根據(jù)預(yù)制構(gòu)件自身重量、鋼筋排布、安裝方式、節(jié)點碰撞等各種因素，合理選擇不同的吊點形式并配置對應(yīng)的吊點加強(qiáng)鋼筋。例如在本項目中，預(yù)制外墻的吊點的設(shè)計考慮到墻板類構(gòu)件較重，采用了預(yù)埋吊環(huán)的設(shè)計，在減少吊點數(shù)量、提高吊裝效率的同時保證里吊裝過程的安全;疊合梁的吊點設(shè)計考慮到剪力墻住宅項目的梁截面與跨度較小、重量較輕的特點，采用了預(yù)埋吊釘?shù)姆桨?，既保證了吊裝安全，也避免了疊合梁后澆部分在鋼筋綁扎時出現(xiàn)的梁上部縱筋、疊合板胡子筋等與吊環(huán)鋼筋碰撞的問題，方便現(xiàn)場施工人員操作;預(yù)制疊合板的吊點采用了在桁架鋼筋波谷處布置加強(qiáng)鋼筋并在桁架波峰處設(shè)置吊點的形式，既可以減少吊環(huán)鋼筋的用量，節(jié)省材料，還可以避免因為吊環(huán)鋼筋高出疊合層板面，需要在完成吊裝后二次切割吊環(huán)鋼筋的問題等等。

2.5 裝配式連接節(jié)點構(gòu)造

本項目所采用的裝配式技術(shù)路線為裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系，即構(gòu)件通過可靠的方式進(jìn)行連接，與現(xiàn)場后澆混凝土、水泥基灌漿料等形成整體結(jié)構(gòu)，共同抵抗荷載，其核心理念為“等同現(xiàn)澆”的裝配式建筑設(shè)計，所以安全可靠的節(jié)點連接方式是保證結(jié)構(gòu)適用性、安全性與耐久性的關(guān)鍵。預(yù)制構(gòu)件的連接類型按其工藝可分為濕式連接或干式連接，本項目主要預(yù)制構(gòu)件類型包括預(yù)制外墻、預(yù)制疊合梁、預(yù)制疊合板、預(yù)制陽臺及預(yù)制樓梯等，均采用濕式連接的形式，主要包括后澆混凝土連接與灌漿套筒連接。后澆混凝土連接即在同一標(biāo)高的相鄰預(yù)制外墻或預(yù)制疊合板等預(yù)制構(gòu)件間設(shè)置后澆混凝土帶，完成吊裝后在現(xiàn)澆區(qū)域綁扎搭接鋼筋后用混凝土將其澆筑成一個整體。套管灌漿連接就是在預(yù)制構(gòu)件鋼筋連接部位預(yù)埋高強(qiáng)度的灌漿套筒，在安裝時將另一側(cè)預(yù)留豎向鋼筋插入對應(yīng)灌漿套筒內(nèi)并用高強(qiáng)度無收縮的灌漿料填充密實，形成可靠連接的整體。而根據(jù)所連接的構(gòu)件類型，連接節(jié)點還可分為墻-梁節(jié)點、主-次梁節(jié)點、墻-墻節(jié)點、梁-板節(jié)點等，這些連接節(jié)點除需滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計安全、可靠等各方面的要求外，還需要利用BIM技術(shù)進(jìn)行節(jié)點鋼筋的碰撞避讓設(shè)計，避免現(xiàn)場施工時因鋼筋問題導(dǎo)致安裝困難。一般來說，預(yù)制構(gòu)件在工廠完成生產(chǎn)，其產(chǎn)品質(zhì)量較現(xiàn)場澆筑會有較大提升，而到了現(xiàn)場施工階段，連接節(jié)點的施工質(zhì)量往往取決于現(xiàn)場工人與管理人員素質(zhì)，如套筒灌漿技術(shù)施工質(zhì)量的不可視性更增加了質(zhì)量管理難度，毫不夸張的說，節(jié)點連接是裝配式建筑實施過程中至關(guān)重要的一環(huán)，對建筑的質(zhì)量、安全，乃至整個項目的成敗起著決定性作用，如圖3所示。

3 BIM深化設(shè)計的效益分析

BIM技術(shù)與裝配式建筑的關(guān)系如同雙生，彼此需要，彼此成就，BIM技術(shù)為裝配式建筑的發(fā)展提供了有力支撐，是裝配式建筑設(shè)計與管理的重要工具;而裝配式建筑為BIM技術(shù)提供了舞臺，只有現(xiàn)代化的建筑產(chǎn)業(yè)也能真正發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)質(zhì)量與效率的提升，品質(zhì)與成本的雙贏。

BIM技術(shù)的引入對裝配式建筑的深化設(shè)計有著顯著的提升，而從整個項目實施流程來看，BIM技術(shù)同樣影響深遠(yuǎn)。在前期設(shè)計階段，基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計與傳統(tǒng)二維深化相比，其最大的區(qū)別就在于可視化、參數(shù)化與集成化?？梢暬櫭剂x就是以三維模型的形式展示建筑設(shè)計與部品部件細(xì)節(jié)，簡單直觀，準(zhǔn)確易理解，無論是內(nèi)部校核還是對外交流，可視化的模型都讓人能夠快速理解意圖、交流調(diào)整;參數(shù)化就是將建筑與部品部件變成完整、準(zhǔn)確的參數(shù)化指標(biāo)，無論是建筑總體的統(tǒng)計分析還是細(xì)節(jié)處的建模修改，參數(shù)化的模型數(shù)據(jù)都能在不同階段、不同軟件間準(zhǔn)確傳遞;集成化不僅包含了部品部件對其附屬預(yù)留預(yù)埋的集成，更是集成了建模與規(guī)范圖集信息，在建模過程中實時聯(lián)動規(guī)范圖集，輔助設(shè)計師完成設(shè)計任務(wù)。而在后期的生產(chǎn)與施工過程中，采用BIM技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計的項目既能通過部品部件模型輸出BOM信息統(tǒng)計表，連接生產(chǎn)端自動化生產(chǎn)線加工生產(chǎn)，大大提高生產(chǎn)效率與準(zhǔn)確性，又能將模型數(shù)據(jù)用于施工單位的現(xiàn)場布置、施工吊裝等模擬，為現(xiàn)場施工組織設(shè)計與項目管理提供依據(jù)與參考，助力項目精細(xì)化管理，實現(xiàn)降本增效。

4應(yīng)用難點分析與解決思路

BIM技術(shù)對于深化設(shè)計的顯著提升是毫無疑問的，但就目前BIM技術(shù)與裝配式建筑的發(fā)展應(yīng)用情況而言還存在較多的問題與較大提升空間，這些問題不僅是BIM技術(shù)與深化設(shè)計自身問題導(dǎo)致，也是整個建筑產(chǎn)業(yè)鏈和建筑體系現(xiàn)狀所決定的，需要從主管部門到各級單位，全產(chǎn)業(yè)共同努力才能解決。

4.1 BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM技術(shù)的發(fā)展從時間上來說還為時尚短，各家BIM平臺公司百花爭鳴，涌現(xiàn)了大量BIM相關(guān)應(yīng)用，這也導(dǎo)致了BIM技術(shù)領(lǐng)域缺少統(tǒng)一，權(quán)威的應(yīng)用平臺，設(shè)計、施工、造價等不同方向都有公司在爭相研制，各有所長，乃至于結(jié)構(gòu)的計算與其他專業(yè)的BIM模型都不在同一個平臺。盡管激烈的競爭在一定程度上促進(jìn)了BIM技術(shù)的快速發(fā)展進(jìn)步，但客觀上也大大降低了產(chǎn)業(yè)鏈上各專業(yè)、各環(huán)節(jié)的溝通傳遞效率。從國家層面，BIM數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化正在逐步展開，隨著《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51212-2016）等一系列國家標(biāo)準(zhǔn)的出臺，相信在不久的將來，BIM技術(shù)在建筑產(chǎn)業(yè)一定大有可為。

4.2 深化設(shè)計與前端專業(yè)協(xié)同問題

深化設(shè)計是整個設(shè)計階段最末端的環(huán)節(jié)，也是對接生產(chǎn)最直接最緊密的環(huán)節(jié)，這也決定了深化設(shè)計的特點，即要在保證符合前端設(shè)計要求的同時，讓預(yù)制構(gòu)件能夠順利生產(chǎn)吊裝。而目前來說方案設(shè)計、施工圖設(shè)計、裝配式專項設(shè)計、深化設(shè)計往往由不同單位完成，等到前端的施工圖與裝配式專篇完成后才有深化設(shè)計人員介入，各家單位各專業(yè)自顧自地設(shè)計，缺乏通盤考慮，大量問題都匯集到深化設(shè)計專業(yè)，深化設(shè)計需要與上游專業(yè)、單位反復(fù)溝通，修改，大大降低了設(shè)計效率與設(shè)計質(zhì)量。想要解決這一問題，一方面需要深化設(shè)計專業(yè)的提前介入，比如由總承包單位統(tǒng)籌設(shè)計與施工，選擇方案、施工圖與深化一體化的設(shè)計單位，或是安排深化設(shè)計從方案階段開始全程介入，跟蹤并解決影響后期生產(chǎn)施工的核心問題，另一方面也需要前端的設(shè)計人員改變傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的粗獷設(shè)計理念，從而提高項目拆分深化與生產(chǎn)施工的質(zhì)量和效率。

4.3標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計問題

建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的第一步就是從源頭設(shè)計開始，用工業(yè)化的理念開展建筑標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化、模塊化的設(shè)計。目前，重慶地區(qū)裝配式設(shè)計領(lǐng)域還是以現(xiàn)澆施工圖+裝配式專項設(shè)計+深化設(shè)計的模式為主，而從傳統(tǒng)理念出發(fā)的設(shè)計方案往往在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方面較為匱乏，大量的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計既加大了深化設(shè)計的拆分與深化難度，同時還增加了工廠生產(chǎn)和現(xiàn)場安裝的工作量。而解決這一問題不僅需要前端設(shè)計單位具備標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化、模塊化的設(shè)計理念，更需要從政策、市場經(jīng)濟(jì)的邏輯與普通民眾的消費觀等更高層面來統(tǒng)籌推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型升級。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)在這些年的快速發(fā)展令人驚嘆，而BIM技術(shù)在深化設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展更是日新月異，以嗡嗡科技為代表的一系列深化設(shè)計軟件正在不斷地拓展BIM技術(shù)的疆界，將傳統(tǒng)的二維深化設(shè)計的陣地蠶食殆盡?？陀^的說，盡管BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用中還存在諸多問題，但它所帶來的巨大提升是顯而易見的。作為一名設(shè)計從業(yè)人員，更是要順應(yīng)時代的潮流，不斷學(xué)習(xí)新技術(shù)與新工具，在實踐中成長，畢竟“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”！

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收稿日期：2021-06-05

作者簡介：羅富中（1994—），男，苗族，重慶黔江人，本科，工程師，從事裝配式建筑設(shè)計與研究工作。

Research on Deepening Design of Precast Shear Wall Structure Based on BIM Technology

LUO Fuzhong，YAO Dawei，YANG Jingwei，HAN Junjie

（Chongqing China State Construction Hailong Liangjiang Construction Technology Co.，Ltd.，Chongqing 401139）

Abstract：The rapid development of prefabricated buildings has put forward new requirements in the field of architectural design， and building information technology represented by BIM technology has also brought new development to architectural design. This paper takes a prefabricated shear wall structure residential project as an example to study the application of BIM technology in deepening design， find out the key points and key links of the project design process， summarize the advantages and benefits of BIM technology in the project application， analyze the problems in the project application and propose corresponding solutions.

Keywords：BIM technology; Prefabricated building; Shear wall structure; Deepening design