裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的BIM和裝配式施工技術(shù)應(yīng)用
——以重慶市青少年活動(dòng)中心項(xiàng)目為例

湯婷婷

（重慶應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，重慶 401520）

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展背景

“十四五”規(guī)劃提出我國(guó)將加快新能源、綠色環(huán)保等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)能源低碳清潔利用，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型。當(dāng)前，我國(guó)減少碳排放工作已經(jīng)進(jìn)入控制總量階段。作為和工業(yè)、交通業(yè)并稱(chēng)能源消耗的三大部門(mén)之一的建筑業(yè)，綠色低碳發(fā)展是必經(jīng)之路。近年來(lái)，國(guó)家在綠色環(huán)保方面對(duì)建筑業(yè)提出了更高的要求，大力發(fā)展綠色建筑是新時(shí)期生態(tài)文明建設(shè)的重要措施。鋼結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)，節(jié)省材料，本身就是裝配式，施工過(guò)程節(jié)地、節(jié)水又節(jié)能，建筑材料可循環(huán)使用，回收率高，是綠色建筑的優(yōu)選結(jié)構(gòu)[1]。基于裝配式建筑綠色節(jié)能減排效益相對(duì)傳統(tǒng)建筑更加突出，推廣鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑，將傳統(tǒng)化的工地現(xiàn)場(chǎng)施工建造模式向構(gòu)件預(yù)制工廠化、施工裝配化、管理信息化的現(xiàn)代建造模式過(guò)渡[2]，進(jìn)而促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)建筑向產(chǎn)業(yè)化、數(shù)字化方向邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)綠色環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)。

鋼結(jié)構(gòu)可在短時(shí)間內(nèi)完成大面積堅(jiān)固安全的構(gòu)件搭建，有著“多快好省”的口碑。國(guó)家相繼出臺(tái)多項(xiàng)政策，積極推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)住宅和農(nóng)房建設(shè)，鼓勵(lì)公共建筑優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)。在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的有力推動(dòng)下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在超高層辦公樓、大跨空間結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房、機(jī)場(chǎng)航站樓等公共建筑中得到了廣泛應(yīng)用。

2 重慶市青少年宮項(xiàng)目介紹

重慶市青少年活動(dòng)中心項(xiàng)目位于重慶兩江新區(qū)園博園內(nèi)，預(yù)計(jì)于2022年6月1日交付使用，建成之后將成為重慶的城市文化名片與面向國(guó)際的新時(shí)代地標(biāo)建筑，同時(shí)也是重慶首個(gè)全鋼結(jié)構(gòu)裝配式公共建筑。重慶市青少年活動(dòng)中心效果圖如圖1所示。該項(xiàng)目由兩個(gè)單體組成，建設(shè)規(guī)模約為47 000 m2，主體結(jié)構(gòu)全部采用鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件，整體用鋼量約12 000 t。非承重圍護(hù)墻主要采用單元式幕墻組裝，內(nèi)隔墻采用ALC輕質(zhì)條板和輕鋼龍骨墻板組裝。屋面網(wǎng)架為空間雙曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，采用單元式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和吊裝，項(xiàng)目采用裝配式深化設(shè)計(jì)、全過(guò)程BIM控制管理，將復(fù)雜的建筑形體化解為盡量統(tǒng)一模數(shù)的構(gòu)件進(jìn)行拼裝。

圖1 重慶市青少年活動(dòng)中心效果圖

3 BIM模型管理平臺(tái)的應(yīng)用

項(xiàng)目采用的全過(guò)程BIM模型管理平臺(tái)是一款以BIM模型為核心的貫穿項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、招采、施工、驗(yàn)收、運(yùn)維各階段的項(xiàng)目全生命周期管理系統(tǒng)。根據(jù)項(xiàng)目參與方的不同需求，可對(duì)平臺(tái)的層級(jí)結(jié)構(gòu)和功能模塊進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置。通過(guò)模型、文檔、流程和圖表4大模塊的應(yīng)用，平臺(tái)能對(duì)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行跟蹤管理，并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行中的各種資料信息統(tǒng)一管理，使參與各方溝通協(xié)作更加順暢方便。

BIM模型模塊包含了結(jié)構(gòu)、建筑、機(jī)電、裝修、幕墻等專(zhuān)業(yè)模型建立和輕量化拆分處理功能，讓使用者在PC端及移動(dòng)端能輕松快速查看相應(yīng)的具體模型。系統(tǒng)支持將BIM模型任意拆解，生成新的BIM模型，可供項(xiàng)目參與方根據(jù)需要拆分出部分模型進(jìn)行深化討論，同時(shí)提高現(xiàn)場(chǎng)模型查看時(shí)的便捷性等。

施工工藝模擬模塊能將典型復(fù)雜節(jié)點(diǎn)BIM模擬施工，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)畫(huà)交底，實(shí)施者能更直觀地了解工藝流程。施工進(jìn)度模擬模塊可以通過(guò)4D動(dòng)態(tài)BIM模型展現(xiàn)施工進(jìn)度，通過(guò)對(duì)總進(jìn)度計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)度相比較確保工期按時(shí)推進(jìn)[3]。場(chǎng)地動(dòng)態(tài)管理模塊可以針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狹小的場(chǎng)地，利用BIM技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)地布置的動(dòng)態(tài)管理，直觀地查看各階段的平面規(guī)劃。

在傳統(tǒng)BIM基礎(chǔ)模塊的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目通過(guò)定制開(kāi)發(fā)，基于BIM輕量化技術(shù)，應(yīng)用了包括圖紙管理、質(zhì)量驗(yàn)收、設(shè)備管理、安全管理、現(xiàn)場(chǎng)管理、協(xié)同派單等模塊。

圖紙管理平臺(tái)通過(guò)收集匯總過(guò)程中不同專(zhuān)業(yè)各個(gè)版本施工圖紙，讓參建各方統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，提高溝通效率。

質(zhì)量和安全管理平臺(tái)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)端上傳過(guò)程中的各類(lèi)管理資料，形成閉環(huán)記錄。比如，作業(yè)人員信息登記查詢(xún)，相關(guān)特種作業(yè)人員必須做好人員資格審核流程的審核后方可作業(yè)；材料進(jìn)場(chǎng)取樣復(fù)試單，所有實(shí)體單據(jù)和檢驗(yàn)報(bào)告上傳系統(tǒng)，形成系統(tǒng)化的管理流程，精細(xì)化管理現(xiàn)場(chǎng)所有材料的檢驗(yàn)結(jié)果，確保施工質(zhì)量材料的安全。

協(xié)同派單主要是根據(jù)項(xiàng)目參與人員工作內(nèi)容配置其對(duì)應(yīng)的工作模塊配發(fā)各單位管理人員賬號(hào)，在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于BIM模型的問(wèn)題討論和解決工作流，再結(jié)合移動(dòng)通信，及時(shí)通知相關(guān)人員，提高各方溝通效率。不同的崗位設(shè)置不同的權(quán)限和分工，工作人員登錄本人賬號(hào)僅能查看自己的工作，可避免因?yàn)椴僮魇д`影響B(tài)IM模型的信息丟失和發(fā)布無(wú)效信息等問(wèn)題，簡(jiǎn)化了流程，提高了效率。

4 裝配式施工技術(shù)的應(yīng)用

該項(xiàng)目作為重慶首個(gè)全鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑，項(xiàng)目裝配率達(dá)到77%以上，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、管理的信息化和構(gòu)件生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化，具有極大的推廣和示范意義。各部位的裝配式設(shè)計(jì)如表1所示。如果按照傳統(tǒng)方式施工，項(xiàng)目建設(shè)需要近一年時(shí)間，而工廠通過(guò)數(shù)字化管理，裝配式建造方式只花了4個(gè)月左右，將項(xiàng)目建設(shè)時(shí)間提前了半年多。同時(shí)，豎直的結(jié)構(gòu)件預(yù)制鋼柱和水平結(jié)構(gòu)件預(yù)制鋼梁的自重輕，方便運(yùn)輸和吊裝，拆卸、搬遷方便，對(duì)不滿(mǎn)意的部分可以隨時(shí)進(jìn)行拆卸重組，對(duì)使用壽命期結(jié)束的建筑可以回收利用，既可以減少垃圾的堆積，還可以節(jié)約資金。碳排放量降低、建筑垃圾的減少，真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的。

表1 重慶市青少年活動(dòng)中心項(xiàng)目建筑各部位的裝配式設(shè)計(jì)對(duì)照表

預(yù)制裝配式樓板應(yīng)按“應(yīng)用盡用”原則采用，即應(yīng)在所有適合的內(nèi)隔墻和樓板部位均予以實(shí)施，不允許一個(gè)項(xiàng)目中只在部分樓棟中采用的現(xiàn)象出現(xiàn)。同一種結(jié)構(gòu)體系宜采用一種裝配式樓板類(lèi)型，如混凝土結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)優(yōu)先采用疊合樓板；而對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)優(yōu)先采用壓型鋼板組合樓板，也可采用疊合樓板。

該項(xiàng)目采用的是壓型鋼板組合樓板，樓板由樓面層、組合板和鋼梁3部分組成，利用開(kāi)口樓承板作為永久性模板，往上澆筑混凝土構(gòu)成整體樓板。這種樓板具有鋼筋混凝土的強(qiáng)度高、剛度大、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也輕巧便捷，便于搬運(yùn)和安裝，也方便管線(xiàn)的安裝。因其自重輕、施工速度快、承載能力更好，而廣泛應(yīng)用于大空間建筑和高層建筑。

裝配式建筑對(duì)外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的防水保溫、隔音防火等性能要求較高。按照“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應(yīng)用”的要求，亟須豐富和完善具有輕質(zhì)、圍護(hù)、保溫、裝飾、防水、隔汽、隔聲等功能于一體的外圍護(hù)系統(tǒng)。建筑設(shè)計(jì)中?？紤]用蒸壓加氣混凝土條板夾芯墻、預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)裝配式輕鋼龍骨復(fù)合墻板、預(yù)應(yīng)力混凝土夾芯復(fù)合墻等復(fù)合墻體來(lái)提高外墻的整體性能[4]。

該項(xiàng)目的圍護(hù)墻體及內(nèi)隔墻采用的ALC輕質(zhì)條板和輕鋼龍骨輕質(zhì)隔墻。ALC輕質(zhì)條板具有保溫、隔熱、隔音等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)放射性，生產(chǎn)過(guò)程不產(chǎn)生有害氣體，材料成本相對(duì)較低，綠色環(huán)保。在安裝過(guò)程中，ALC板的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)特點(diǎn)既能保證節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，又能使板與板之間拼裝簡(jiǎn)單，從而提升施工效率。輕鋼龍骨輕質(zhì)隔墻以往多用于室內(nèi)隔斷，外墻圍護(hù)多采用砌體砌塊等砌筑做法，施工工序繁多工期也長(zhǎng)，而將輕鋼龍骨輕質(zhì)隔墻用于外墻，采用多種連接固件固定，防震、防塵、隔音，不僅施工簡(jiǎn)單、安裝靈活牢固、不易變形，干法作業(yè)還可以降低施工能耗，提高施工效率，縮短施工周期。

5 裝配式內(nèi)隔墻的裂縫問(wèn)題及防治措施

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一些質(zhì)量通病。比如，裝配式施工技術(shù)不嫻熟，導(dǎo)致安裝過(guò)程中部分部件局部損壞；不同材料之間的連接措施生硬，如內(nèi)墻板與鋼結(jié)構(gòu)主體交接處缺乏有效構(gòu)造措施，后期存在接縫開(kāi)裂隱患；新型外墻板的細(xì)部構(gòu)造如接縫、收口以及調(diào)整施工誤差的構(gòu)造處理還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

其中，隔板墻的柱、墻、梁、隔板與隔板之間的連接處出現(xiàn)裂縫，細(xì)節(jié)部分處理難度大是裝配式鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目最常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。原因是多方面的，有墻板安裝前的含水率超標(biāo)，導(dǎo)致安裝后收縮大；未使用專(zhuān)用黏結(jié)砂漿，或黏結(jié)砂漿質(zhì)量不合格；墻板之間未采用擠密安裝工藝，砂漿不飽滿(mǎn)，引起收縮裂縫；隔墻板木楔拆除過(guò)早，導(dǎo)致墻體連接處拉裂；墻板安裝養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足，未等經(jīng)過(guò)7 d便開(kāi)槽，引起墻體連接處出現(xiàn)裂縫；水電管線(xiàn)開(kāi)槽時(shí)未用專(zhuān)用開(kāi)槽機(jī)械，對(duì)墻體振動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致連接處開(kāi)裂；嵌縫砂漿養(yǎng)護(hù)不到位引起裂縫。

針對(duì)開(kāi)裂這個(gè)質(zhì)量通病，必須從多個(gè)方面采取有效的措施進(jìn)行控制。現(xiàn)場(chǎng)做好防雨措施，嚴(yán)格控制含水率；采用專(zhuān)用黏結(jié)砂漿，加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)，避免使用不合格產(chǎn)品；采用擠密施工工藝，使其連接更密實(shí)；而裝好的墻板要養(yǎng)護(hù)7 d以上才可拆除木楔；拼縫設(shè)置玻纖網(wǎng)格布、鋼絲網(wǎng)抗裂；嚴(yán)格控制各工序的間歇時(shí)間；開(kāi)槽時(shí)要使用專(zhuān)用的切割機(jī)械，減少因振動(dòng)引起的裂縫；嵌縫砂漿完成后，要及時(shí)進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)。

6 結(jié)語(yǔ)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑采用工廠化加工，不需要外腳手架和室內(nèi)模板支撐，節(jié)能節(jié)地，材料可回收，擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，屬于典型的綠色建筑。但由于在設(shè)計(jì)施工等方面裝配式鋼結(jié)構(gòu)都和傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)大有不同，更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性大打折扣，所以對(duì)建設(shè)團(tuán)隊(duì)的要求也很高。在工程項(xiàng)目建設(shè)的不同階段，通過(guò)綜合運(yùn)用BIM技術(shù)，利用其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可以?xún)?yōu)化施工方案、縮短工期，有效提高信息管理水平和裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的生產(chǎn)建設(shè)效率，達(dá)成控制成本的目的。目前，我國(guó)現(xiàn)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)隔墻、保溫體系等相關(guān)技術(shù)方面發(fā)展還不完善，配套技術(shù)研究有待加強(qiáng)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)與政策推廣，以及新型建筑施工技術(shù)的應(yīng)用，可以更好地推動(dòng)裝配式技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)建筑中的運(yùn)用。