裝配式建筑信息化拆分及參數(shù)化設計應用

孫 璨 曾凡耀 王欽民 王曉璐 殷良慧

(1.東莞理工學院 生態(tài)環(huán)境與建筑工程學院，東莞 523808；2.深圳市市政設計研究院有限公司，深圳 518029)

近年來，國家和地方政府相繼出臺相關政策，大力支持建筑工業(yè)化，扶持裝配式建筑發(fā)展。2016年10月1日，國務院辦公廳印發(fā)了《關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》，總體要求包括推動建造方式創(chuàng)新，大力發(fā)展裝配式混凝土建筑，不斷提高裝配式建筑在新建建筑中的比例，促進建筑產(chǎn)業(yè)轉型成功； 2017年4月12日，廣東省人民政府辦公廳《關于大力發(fā)展裝配式建筑的實施意見》，主要分為兩個五年目標，對珠三角城市群、常住人口大于300萬的粵西北地區(qū)地級市中心城區(qū)和全省其他地區(qū)關于裝配式建筑占新建建筑面積比例做出最低比例要求[1-2]。

政府推動裝配式建筑發(fā)展，本質上是因其比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆方式效率更高，同時更加節(jié)能環(huán)保[3]。但是，由于裝配式構件在拆分設計后，同一類型構件沒有統(tǒng)一標準，導致了設計預制構件的通用性差，設計效率無法提升，加工時也易出現(xiàn)鋼筋定位困難等問題[4-6]。

因此，將BIM技術與裝配式建筑相結合，利用BIM技術的可視化和參數(shù)化特性，加快設計流程，減少加工錯誤：在設計階段，將預制構件進行參數(shù)化管理，實現(xiàn)快速拆分和模塊化設計； 在生產(chǎn)階段，實現(xiàn)生產(chǎn)前期準確定位鋼筋信息、生產(chǎn)中全面了解構件信息、后期運維有數(shù)據(jù)可查詢[7-8]。

本文以某裝配式住宅項目成果為例，重點闡述應用BIM技術進行裝配式建筑結構拆分及參數(shù)化設計的應用成效。該建筑高10層，總建筑面積約5 400m2，設計使用年限50年。結構類型為框架結構。涉及的預制構件類型有：預制柱、預制梁和預制疊合板。

1 裝配式建筑拆分設計

在基于BIM的裝配式建筑設計過程中， 由于需要對現(xiàn)澆結構進行拆分，因此在拆分設計的過程中， 需要將連續(xù)的模型或構件，在符合國家相關規(guī)范及構件廠生產(chǎn)設計要求的前提下，擬定好構件的拆分方案，進行逐個拆分，使其形成獨立的部分，并盡量減少構件種類， 以便構件廠進行構件的生產(chǎn)及加工。

根據(jù)有關規(guī)范制定好拆分設計方案后， 利用BIM軟件，建立預制構件模型， 將原先在現(xiàn)澆施工圖基礎上建立的BIM模型， 拆分為由不同的構件連接而組成的裝配式BIM模型[9-10]。

1.1 基于BIM的建筑結構拆分設計流程

本項目是在現(xiàn)澆結構設計模型的基礎之上，使用Revit軟件實現(xiàn)的拆分設計，流程如下：

(1)現(xiàn)澆模型建模

根據(jù)現(xiàn)澆建筑、結構施工圖，使用Revit繪制現(xiàn)澆施工圖BIM模型。

(2)柱的拆分

根據(jù)結構設計圖，按照不同截面尺寸的順序，將現(xiàn)澆柱用預制柱參數(shù)族替代。

(3)梁的拆分

根據(jù)結構設計圖，按照不同截面尺寸的順序，將現(xiàn)澆梁用預制疊合梁參數(shù)族替代。

(4)板的拆分

方法類似柱、梁構件，采用預制疊合樓板族替代現(xiàn)澆樓板。

上述流程完成后，即實現(xiàn)了現(xiàn)澆框架結構的BIM拆分設計(圖1)，該模型可視為施工圖BIM模型的深化，可用于構件加工圖出圖、碰撞檢查和施工模擬等。

(a)疊合層澆筑前的BIM模型

(b)澆筑完成后的BIM模型圖1 基于BIM的拆分設計模型

1.2 基于BIM的預制構件拆分設計要點

結合拆分設計流程，對預制構件的拆分設計要點闡述如下。

1.2.1 預制柱的拆分

由于框架結構預制構件是以等同現(xiàn)澆原則設計的。所以，預制柱在拆分設計建模時，除應符合現(xiàn)行國家標準《混凝土結構設計規(guī)范(2015年版)》GB 50010-2010的要求外，還要滿足以下條件，以保證設計的構件性能等同現(xiàn)澆框架結構(如圖2)。

圖2 預制柱構造建模示意圖

(1)柱縱向受力鋼筋直徑≥20mm。

(2)矩形柱截面寬度≥400mm且大于同方向梁寬1.5倍。

(3)柱縱向受力鋼筋在柱底采用套筒灌漿連接時，箍筋加密區(qū)長度≥縱向受力鋼筋連接區(qū)域長度+500mm； 套筒上端第一道箍筋距離套筒頂部應≤50mm。

(4)預制柱頂部表面應設置≥6mm的粗糙面。

(5)預制柱的底部應設置鍵槽，深度≥30mm，鍵槽端部斜面傾角≤30°。

1.2.2 預制疊合梁的拆分

裝配整體式框架結構中，如采用預制疊合梁，則在拆分設計時應注意：

(1)對于抗震等級為一、二級的疊合框架梁，宜采用整體封閉箍筋(如圖3-a)； 截面形式可采用矩形截面或凹口截面，本文工程案例采用矩形截面形式(如圖3-b)。

(a)整體封閉箍

(b)矩形截面預制梁圖3 預制梁的拆分構造設計示意圖

(2)箍筋加密區(qū)在設計建模時，應從梁端500和1.5hb(梁高)中取大值來劃定箍筋加密區(qū)范圍，其余則為非加密區(qū)，這樣便可確定箍筋間距、數(shù)量、縱筋斷開位置等參數(shù)，然后運用BIM軟件進行建模，就可以完成對梁縱筋和箍筋的創(chuàng)建。

(3)框架梁的后澆混凝土疊合層厚度宜≥150mm，次梁則宜≥120mm。

(4)預制梁與后澆混凝土疊合層之間的結合面應設置粗糙面； 預制梁斷面設置貫通截面的鍵槽，深度≥30mm，傾斜角≤30°。

1.2.3 預制樓板的拆分

圖4 疊合板的拆分設計示意圖

裝配整體式結構的樓板多采用疊合板，疊合板的拆分應按照戶型的開間、戶型模數(shù)、板厚進行拆分。疊合板設計時，除了應該符合現(xiàn)行國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》GB 50010-2010的要求外，還應符合下列規(guī)定：

(1)疊合板的預制板厚度不宜<60mm，后澆混凝土疊合層厚度不應<60mm。

(2)預制疊合板與后澆混凝土疊合層之間的結合面應設置凹凸深度≥4mm的粗糙面。

(3)根據(jù)疊合板的跨度，>3m且≤6m的疊合板，設計與建模時，宜采用桁架鋼筋混凝土疊合板。>6m的疊合板則宜采用預應力混凝土預制板。

本文工程案例拆分設計及建模時采用桁架鋼筋混凝土疊合板，受力形式按雙向板，接縫構造為無接縫。在熟悉以上設計原則和要點后，可以運用BIM軟件，進行拆分設計建模。為了實現(xiàn)高效的預制構件建模，還應運用參數(shù)化建模的方法，實現(xiàn)快速建模和模塊化設計。

2 預制構件參數(shù)化設計

Revit如今是我國建筑行業(yè)BIM軟件體系中使用最廣泛的軟件之一，其參數(shù)化構件族是在Revit中設計使用的所有建筑構件的基礎，于是本文案例工程選擇了Revit進行預制構件的參數(shù)化設計。

創(chuàng)建預制參數(shù)化構件主要有以下流程：

(1)選擇族樣板，一般選擇公制常規(guī)模型族樣板；

(2)進行構件族類別的選擇，根據(jù)構件類型需求選擇對應的構件族類別。例如預制參數(shù)化柱構件選擇結構柱族類別，預制參數(shù)化疊合梁構件選擇結構框架族類別等；

(3)根據(jù)預制構件參數(shù)化設計需要將預制構件劃分成各個組件(俗稱零件)，然后進行組件的創(chuàng)建，并進行組件邏輯約束；

(4)對組件邏輯約束包括注釋工具欄下的尺寸標注約束，實例屬性欄的限制條件約束，和修改工具時的操作約束；

(5)添加對應組件約束的各種參數(shù)，將參數(shù)與組件約束進行關聯(lián)，并進行參數(shù)測試。測試出現(xiàn)錯誤提示，則需要重新進行組件邏輯約束。如參數(shù)測試成功，則進行下一組件的參數(shù)化驅動設計，直至預制構件劃分成的所有組件參數(shù)測試成功，預制參數(shù)化構件完成(如圖5)。

圖5 預制構件參數(shù)化設計流程圖

2.1 預制柱參數(shù)化設計

預制柱參數(shù)化構件包含三部分組件：第一部分是柱混凝土外形組件參數(shù)化，第二部分是柱縱筋組件參數(shù)化，第三部分是柱箍筋組件參數(shù)化。

使用拉伸功能創(chuàng)建第一部分柱混凝土外形組件，并將底部與參照標高鎖定約束，其他部分利用注釋欄的尺寸標注進行鎖定約束，并添加長、寬、高對應參數(shù)進行關聯(lián)。

利用空心拉伸功能創(chuàng)建鍵槽，根據(jù)拆分設計要求，當預制柱底部設置的鍵槽深度≥30mm，鍵槽端部斜面傾角≤30°，那么鍵槽需要建成隨預制柱的長寬變化而變化的等腰梯臺。以預制柱底端的參照標高為x軸，柱底中部為y軸作為預制柱構件的直角坐標系(如圖6)，參數(shù)化需要計算鍵槽底端和頂端的坐標與預制柱長寬坐標的關系。其公式如下：

長=x； 寬=y，鍵槽底端兩點坐標為

圖6 鍵槽截面梯形示意

根據(jù)鍵槽截面梯形的四個頂點坐標創(chuàng)建隨長寬變化而變化的因變量參數(shù)； 采用空心拉伸功能創(chuàng)建空心拉伸組件，在梯形截面基礎上，利用尺寸標注工具進行鎖定約束，并與因變量參數(shù)進行聯(lián)動，且鍵槽拉伸寬度與柱寬y一致； 最后利用剪切工具將之前建立的柱混凝土外形組件減去空心拉伸，完成柱混凝土外形組件的建立。

第二部分是柱縱筋組件參數(shù)化，需要利用拉伸創(chuàng)建一根縱筋，添加縱筋半徑參數(shù)實現(xiàn)縱筋半徑參數(shù)化，并與由縱筋中心畫的兩條參照平面輔助線組成模型組，由此可以進行縱筋數(shù)量參變的位置鎖定約束。通過陣列、修改工具時的操作約束和添加保護層厚度、縱筋半徑、箍筋半徑等參數(shù)，由此計算出箍筋內(nèi)皮至混凝土外側距離，將對應參數(shù)與約束關聯(lián)達到b邊縱筋數(shù)量參變。以縱筋b邊最后一根縱筋再進行原來的操作即可達到h邊縱筋的數(shù)量參變，由此實現(xiàn)縱筋數(shù)量參變(如圖7)。

圖7 柱縱筋組件參數(shù)化設計詳圖

Revit族參數(shù)化絕大多數(shù)是利用尺寸標注工具約束聯(lián)動組件實現(xiàn)參數(shù)化設計。利用尺寸約束組件實現(xiàn)參數(shù)化的前提是，組件尺寸變化的邊或頂點相關聯(lián)的工作平面，能與參照線或參照平面相關聯(lián)，尺寸參數(shù)實質是驅動參照平面輔助線或參照線實現(xiàn)組件參數(shù)化聯(lián)動。通俗說，就是尺寸約束要求組件已經(jīng)存在，只有存在的組件才能關聯(lián)參照平面輔助線或參照線。然而縱筋長度的參數(shù)化包含柱高以及縱筋伸出柱長度兩個自變量，而且縱筋是數(shù)量化創(chuàng)建不能與參照輔助線關聯(lián)，驅動參照平面輔助線實現(xiàn)參數(shù)化聯(lián)動關系。為實現(xiàn)物體數(shù)量參變及長度多段參變設計，利用公式運算，縱筋長度Z=y(柱高)+h(縱筋伸出長度)，添加縱筋長度參數(shù)并與縱筋實例屬性拉伸點限制條件進行聯(lián)動關系實現(xiàn)縱筋長度參數(shù)化?？v筋下部設置灌漿套筒，參數(shù)化設計與縱筋基本一致(如圖8)。

圖8 柱縱筋組件數(shù)量長度參數(shù)化示意圖

第三部分是柱箍筋組件參數(shù)化，平剖出一個工作面，利用放樣進行箍筋實體的繪制。以柱截面中心為原點，平行h邊為x軸，平行b邊為y軸建立直角坐標系，添加箍筋的b邊與y軸和h邊與x軸的距離參數(shù)：

l1=(柱寬-箍筋半徑×2-2× 保護層厚度)/2

l2=(柱長-箍筋半徑×2-2×保護層厚度)/2

將l1、l2參數(shù)與放樣創(chuàng)建的箍筋實體進行關聯(lián)使箍筋能夠隨著柱寬或柱長、箍筋半徑、保護層厚度變化而變化。依據(jù)設計原則，箍筋加密區(qū)長度≥縱向受力鋼筋連接區(qū)域長度+500mm； 套筒上端第一道箍筋距離套筒頂部應≤50mm，箍筋加密區(qū)距離套筒頂部50mm處開始設置下部加密區(qū)、中部非加密區(qū)，以及上部加密區(qū)，直接驅動加密區(qū)或非加密區(qū)長度和加密區(qū)與非加密區(qū)間距即可實現(xiàn)箍筋參數(shù)化。

2.2 預制疊合梁參數(shù)化設計

預制疊合梁參數(shù)化設計與預制柱構件參數(shù)化設計大體相似，按照拆分設計原則，以及創(chuàng)建預制柱構件參數(shù)化的細節(jié)實現(xiàn)了預制疊合梁混凝土外形組件尺寸參數(shù)化以及保護層厚度參數(shù)化； 下部受力筋的排數(shù)，每排根數(shù)、第二排縱筋高度、受力筋半徑和兩端伸出長度參數(shù)化； 箍筋加密區(qū)與非加密區(qū)長度以及加密區(qū)間距參數(shù)化以及鍵槽粗糙面的參數(shù)設置(圖9)。

圖9 預制疊合梁參數(shù)化示意圖

表1 預制柱構件參數(shù)化設計中的參數(shù)示意及公式

2.3 預制桁架板參數(shù)化設計

預制桁架板參數(shù)化設計采用長度模塊，寬度以及板厚采用參數(shù)化設計。依據(jù)拆分設計原則預制桁架板長度在(3000-6000)mm的范圍以300mm遞進分成11個模塊，達到模塊化設計。桁架鋼筋結合拆分設計建模并實現(xiàn)了數(shù)量參數(shù)化使其滿足相鄰桁架鋼筋間距≤600mm的設計要求(圖10)。

圖10 預制桁架板參數(shù)化示意圖

3 結語

本文結合裝配式建筑工程實踐案例，重點闡述了利用BIM技術對裝配式構件實施參數(shù)化設計、統(tǒng)一裝配式構件拆分設計標準的實施流程及方案，能大大提高裝配式構件加工和現(xiàn)場安裝的工作效率，在較大程度減少人工錯誤，同時在施工階段通過節(jié)點的精準設置和定位加快施工進度。應用實踐效果表明，BIM技術與裝配式建筑相結合，能深度挖掘BIM技術在裝配式建筑中的應用價值，推動裝配式建筑往更高效、高質量方向發(fā)展。