裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定方法研究

胡智源 山西應(yīng)用科技學(xué)院

隨著經(jīng)濟、科技的飛速發(fā)展及綠色發(fā)展理念的不斷深入，我國城市中出現(xiàn)了越來越多的裝配式綠色建筑。裝配式綠色建筑由于既具有裝配式建筑的優(yōu)勢，又具有綠色建筑的優(yōu)勢，已成為我國建筑的主要趨勢。但裝配式綠色建筑的設(shè)計要求也相對較高，尤其是梁柱節(jié)點固定設(shè)計。為有效提高其梁柱節(jié)點固定設(shè)計水平，應(yīng)加強相關(guān)實踐與研究，尋找科學(xué)有效的措施。

1 裝配式綠色建筑的概念

裝配式綠色建筑是裝配式建筑與綠色建筑的結(jié)合。在裝配式建筑的建造模式方面，可以將其類比為機械設(shè)備的生產(chǎn)模式，即先提前在零部件工廠中加工好各類零部件，再將零部件統(tǒng)一運送到機械設(shè)備生產(chǎn)工廠中拼裝組合成機械設(shè)備產(chǎn)品。裝配式建筑具備以下幾個特征：一是標準化設(shè)計，在一定共性條件下對各類預(yù)制結(jié)構(gòu)和構(gòu)件實施統(tǒng)一的標準，采取統(tǒng)一的模式；二是工廠化生產(chǎn)，遵照特定的標準提前批量化生產(chǎn)品質(zhì)統(tǒng)一的預(yù)制結(jié)構(gòu)和構(gòu)件；三是綜合成本低，主要因為減少了現(xiàn)場施工，實現(xiàn)了預(yù)制結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的批量生產(chǎn)；四是節(jié)能環(huán)保，主要因為無廢料、少污染[1]。

而綠色建筑是一種致力于實現(xiàn)節(jié)約資源、減少污染、保護環(huán)境、與自然和諧共生，提供健康、適用、高效使用空間的建筑，要求在建筑全壽命周期內(nèi)盡可能將對各種資源、能源的消耗量控制在最低水平，同時實現(xiàn)各種污染物質(zhì)（如廢氣、廢水、廢渣）排放量的最低化[2-3]。建設(shè)綠色建筑的根本目的是推動生態(tài)環(huán)境與建筑的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計概述

在裝配式綠色建筑設(shè)計中，梁柱節(jié)點固定設(shè)計是重點也是難點，其目的是提高結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力可靠。因此，有必要針對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計方面的問題展開深入研究，找出更加科學(xué)、合理且有效的方法。一般來說，在具體梁柱節(jié)點固定設(shè)計實踐中，都是基于裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點力學(xué)參數(shù)優(yōu)化指標，同時結(jié)合數(shù)值模擬與力學(xué)分析設(shè)計梁柱節(jié)點固定方案。

在相關(guān)固定技術(shù)方面，目前常用的裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定技術(shù)主要有3 種，分別是錨節(jié)點固定技術(shù)、基坑固定技術(shù)以及對拉鋼筋固定技術(shù)。應(yīng)根據(jù)裝配式綠色建筑的實際情況及其梁柱節(jié)點的固定要求選擇適合的固定技術(shù)，并結(jié)合雙鋼板混凝土組合墻的設(shè)計形式，最大限度保證梁柱節(jié)點的穩(wěn)定性。

3 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計的優(yōu)化策略

目前，針對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計相關(guān)方面的問題，不同業(yè)內(nèi)人士提出過不同的方法。例如，有業(yè)內(nèi)人士提出借助承載力與剛度，并根據(jù)裂縫形態(tài)對梁柱節(jié)點實施固定控制，根據(jù)其實際的錨固性能進行全面分析和有效參數(shù)解析。該方法在具體的實踐應(yīng)用中雖然實現(xiàn)了梁柱節(jié)點的固定，但仍存在固定搭接強度不夠理想的問題[4]。

還有業(yè)內(nèi)人士提出以若干非接觸式的錨固鋼筋為基礎(chǔ)，對梁柱節(jié)點實施固定控制。該方法在具體的實踐應(yīng)用中雖然從細節(jié)構(gòu)造方面提高了梁柱節(jié)點固定的可靠性、從傳力機制方面提高了梁柱節(jié)點固定的穩(wěn)定性，但客觀存在相應(yīng)理論和試驗支撐不足的問題[5]。

基于此，本文針對現(xiàn)有各種方法中存在的這些問題提出一種新的梁柱節(jié)點固定策略，即依托于節(jié)點受剪性能對整體結(jié)構(gòu)實施全面優(yōu)化。首先，利用框架中節(jié)點混凝土應(yīng)力分析法，通過科學(xué)、全面的分析合理選擇出剪力墻結(jié)構(gòu)的埋件錨固方式；其次，基于預(yù)應(yīng)力度與屈服響應(yīng)分析，實現(xiàn)梁柱節(jié)點的等強連接；最后，通過縮短搭接鋼筋與鋼板間的距離、增大鋼筋與鋼板間的不平衡力矩來提高梁柱節(jié)點固定的穩(wěn)定性和可靠性。

3.1 梁柱節(jié)點連接形式

在裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計中，對于具體梁柱節(jié)點連接形式的確定是一項關(guān)鍵問題。在具體的實踐應(yīng)用中，結(jié)合具體的梁柱節(jié)點應(yīng)力參數(shù)進行分析，基礎(chǔ)選用的是鋼筋混凝土筏板，對嵌入式錨固法、埋件式錨固法兩種方法進行綜合利用，建立梁柱節(jié)點的錨固連接模塊，結(jié)合各種先進的固定技術(shù)，配置雙鋼板混凝土組合墻，并充分借助梁柱節(jié)點兩側(cè)的栓釘，以達到最終的梁柱節(jié)點固定目的。

由于基礎(chǔ)是鋼筋混凝土筏板，因此需要先在梁柱節(jié)點的嵌入鋼板上做穿孔處理，再采用錨桿固定法。與此同時，針對帶肋鋼筋采用埋件式錨固法實現(xiàn)有效搭接，并結(jié)合相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)分析，依據(jù)對拉鋼筋檢測結(jié)果和鋼板應(yīng)變檢測結(jié)果合理確定梁柱節(jié)點的墻—鋼筋混凝土基礎(chǔ)參數(shù)，以此來進一步優(yōu)化配置，提高梁柱單元的抗震性能。

3.2 梁柱節(jié)點材料的本構(gòu)關(guān)系

在裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定中，需要應(yīng)用多種多樣的梁柱節(jié)點材料，因此在進行梁柱節(jié)點固定設(shè)計之前，先要深入研究裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點材料的本構(gòu)關(guān)系。一般情況下，梁柱節(jié)點材料主要應(yīng)用在墻面預(yù)處理的粘接中、貼墻的粘接中、板材的粘接中、陶瓷墻地磚鋪設(shè)的粘接中、地板鋪設(shè)的粘接中以及地毯鋪設(shè)的粘接中等?？偟膩碚f，梁柱節(jié)點材料的應(yīng)用一是能夠大大提高防水性能，二是能夠大大提高密封性能，三是能夠大大提高彈性性能，四是能夠大大提高抗沖擊性能，而這些性能既關(guān)系著建筑的美觀度與舒適度，又關(guān)系著實際施工質(zhì)量和施工效率。

在具體的實踐應(yīng)用中，采用框架中節(jié)點的混凝土應(yīng)力分析法對梁柱節(jié)點的承載力與預(yù)應(yīng)力進行準確計算，構(gòu)建梁柱節(jié)點材料的本構(gòu)關(guān)系模型，再進一步針對單軸受力下的梁柱節(jié)點本構(gòu)關(guān)系展開分析。

3.3 梁柱節(jié)點受剪性能整體結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析

首先，通過采取搭接鋼筋的具體布置方式，綜合且全面地分析梁柱節(jié)點的搭接傳力情況，對其節(jié)點的承載力、剛度等重要參數(shù)進行充分明確，構(gòu)建梁柱節(jié)點的應(yīng)力參數(shù)分析模型，實現(xiàn)在鋼板底部焊接的鋼板間對柱與基礎(chǔ)錨固區(qū)域的應(yīng)力參數(shù)進行解算。其次，構(gòu)建抗剪承載力計算模型，結(jié)合埋件式錨固法，依據(jù)預(yù)應(yīng)力度分析、屈服響應(yīng)分析等明確節(jié)點縱向強度。最后，構(gòu)建有限元模型，計算混凝土受壓應(yīng)力。

3.4 梁柱節(jié)點應(yīng)力優(yōu)化

通過靜力單調(diào)拉伸試驗法，使鋼筋與鋼板間的不平衡力矩增大，構(gòu)建梁柱節(jié)點搭接模型，得出搭接位置變化指標。參考錨桿體支護的實際順序，根據(jù)具體的混凝土支撐柱情況來綜合、全面詳細地對梁柱節(jié)點的應(yīng)力結(jié)構(gòu)參數(shù)展開分析，真正實現(xiàn)梁柱節(jié)點的強有力固定。

4 裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定的BIM 設(shè)計

在裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計中，可以引入先進的BIM 技術(shù)，基于BIM 系統(tǒng)進行設(shè)計優(yōu)化。BIM 技術(shù)主要有以下幾個優(yōu)勢：一是模擬性，在建筑設(shè)計過程中通過結(jié)合BIM 技術(shù)可以行之有效地實現(xiàn)對設(shè)計方案的全方位模擬，從而及時檢測出設(shè)計方案中的不足之處，并擺脫了時間、空間對建筑設(shè)計的限制，支持隨時隨地觀看模擬結(jié)果、進行設(shè)計優(yōu)化調(diào)整；二是協(xié)調(diào)性，利用BIM 技術(shù)進行建筑設(shè)計，可以通過有效協(xié)調(diào)多方來實現(xiàn)對設(shè)計方案的合理優(yōu)化；三是可視化，在利用BIM 技術(shù)開展具體的建筑設(shè)計工作時，可以構(gòu)建出一個建筑三維BIM 模型，從而將建筑空間結(jié)構(gòu)關(guān)系顯示出來，實現(xiàn)可視化[6-8]。

4.1 梁柱節(jié)點構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計

梁柱節(jié)點構(gòu)件設(shè)計是裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計中的關(guān)鍵，利用BIM技術(shù)可以實現(xiàn)梁柱節(jié)點構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計。

首先，應(yīng)明確標準化與模數(shù)化原則，盡量減少梁柱節(jié)點構(gòu)件類型，從而降低成本，同時對于一些較為復(fù)雜的梁柱節(jié)點構(gòu)件，若采用預(yù)制構(gòu)件無法滿足要求，則可以選擇采用現(xiàn)澆方式進行處理。其次，需做好對梁柱節(jié)點構(gòu)件在加工、生產(chǎn)以及運輸?shù)雀黜棴h(huán)節(jié)的綜合性分析，尤其要充分考慮到構(gòu)件生產(chǎn)和運輸?shù)目尚行耘c便利性。再次，在梁柱節(jié)點構(gòu)件的拆分方面，BIM 系統(tǒng)中的Structural Precast for Revit 插件具有重要的應(yīng)用價值，通過該插件可對構(gòu)件進行合理分類與高效整理。最后，在梁柱節(jié)點構(gòu)件深化設(shè)計中，需先基于BIM 系統(tǒng)建立一個完善的構(gòu)件庫，從構(gòu)件庫中選擇合適的梁柱節(jié)點構(gòu)件，并構(gòu)建相應(yīng)的建筑三維BIM 模型，從而輔助開展深化設(shè)計。

4.2 方案可視化設(shè)計

傳統(tǒng)的建筑設(shè)計中主要是應(yīng)用CAD二維設(shè)計系統(tǒng)，但很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤或一些其他方面的問題。BIM 技術(shù)具有可視化設(shè)計功能，因此利用BIM 技術(shù)進行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計能夠?qū)⒘褐?jié)點的相關(guān)信息數(shù)據(jù)直觀、清晰地展示出來，以實現(xiàn)梁柱節(jié)點固定方案的可視化設(shè)計。

首先，在實踐中，只需在BIM 系統(tǒng)中輸入裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，以構(gòu)建出相應(yīng)的建筑三維BIM模型，即能夠清晰全面地展示出梁柱節(jié)點固定設(shè)計方案。其次，基于BIM 技術(shù)能夠從全局上把控裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計中的數(shù)據(jù)修改問題，并自動實現(xiàn)設(shè)計更新，從而大大提升設(shè)計的科學(xué)性與合理性。最后，依托建筑三維BIM 模型能夠有效發(fā)現(xiàn)實際裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定方案中存在的缺陷，從而在施工前及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，避免后期出現(xiàn)返工情況。

4.3 智能化設(shè)計

BIM 設(shè)計本質(zhì)是利用了“族”的方式來體現(xiàn)建筑工程中的各類構(gòu)件，從而及時進行設(shè)計反饋，為后續(xù)設(shè)計提供科學(xué)參考。依托BIM 系統(tǒng)中自帶的Revita、MagiCAD 等先進繪圖軟件和插件，可以根據(jù)實際需求對裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點構(gòu)件做出任意調(diào)整和修改，并精準確定各類組件的具體位置，實時掌握組件在不同位置時的具體表現(xiàn)情況，從而大大提升設(shè)計的智能化水平。

4.4 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計

梁柱節(jié)點固定設(shè)計是裝配式綠色建筑設(shè)計中的重要內(nèi)容之一，其并非一項完全獨立的工作，而是與其他專業(yè)的設(shè)計相互聯(lián)系、相互影響。因此在裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計中，需與其他專業(yè)做好配合，通過多專業(yè)協(xié)同來有效完成設(shè)計工作，從而避免不同專業(yè)之間產(chǎn)生沖突。

BIM 技術(shù)是目前最有效的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計技術(shù)，在BIM 系統(tǒng)中構(gòu)建出建筑三維BIM 模型后，將梁柱節(jié)點固定設(shè)計與其他專業(yè)設(shè)計進行互通，即可輕松實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，無論哪個專業(yè)的哪項設(shè)計發(fā)生了改變，梁柱節(jié)點固定設(shè)計中與其相關(guān)聯(lián)的部分也都會隨之進行自動調(diào)整。

4.5 模擬施工演示

模擬性功能是BIM 技術(shù)的代表性功能之一，利用BIM 技術(shù)進行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對梁柱節(jié)點固定施工全過程的有效模擬演示。在實踐中，只需在BIM 系統(tǒng)中輸入裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，以構(gòu)建出相應(yīng)的建筑三維BIM 模型，再基于建筑三維BIM 模型來仿真模擬梁柱節(jié)點固定施工的過程。當整個施工過程被模擬出來以后，便能在施工前發(fā)現(xiàn)一些與實際施工相悖的設(shè)計缺陷或不合理地方，并及時進行優(yōu)化調(diào)整。

4.6 碰撞檢測

在建筑設(shè)計中，碰撞檢測是一項重要工作，其目的是檢查建筑設(shè)計方案中各部分之間是否存在沖突，若存在沖突，則需進行優(yōu)化調(diào)整。由于BIM 系統(tǒng)具備碰撞檢測功能，利用BIM 技術(shù)進行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對梁柱節(jié)點固定方案的高效化、智能化以及精準化碰撞檢測，并同時指導(dǎo)后續(xù)的優(yōu)化調(diào)整工作。在實踐中，只需在BIM系統(tǒng)中輸入裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，以構(gòu)建出相應(yīng)的建筑三維BIM 模型，再啟動BIM 系統(tǒng)自帶的碰撞檢測功能，即可有效完成碰撞檢測工作，同時系統(tǒng)還會給出異常問題報告。

4.7 三維技術(shù)交底

過去的裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定施工中，都是基于二維圖紙進行技術(shù)交底，容易導(dǎo)致施工人員出現(xiàn)認知偏差，不能清晰了解設(shè)計意圖，由此引發(fā)一系列施工問題。但BIM 技術(shù)的應(yīng)用能夠有效解決該問題?；贐IM 技術(shù)可以進行三維技術(shù)交底，通過對工程的三維BIM模型進行渲染處理，來向施工人員直觀立體地呈現(xiàn)出設(shè)計效果與施工流程。

5 結(jié)語

在裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計中，應(yīng)重點對梁柱節(jié)點連接形式進行合理選擇，對梁柱節(jié)點材料本構(gòu)關(guān)系進行有效建模和分析，對梁柱節(jié)點受剪性能進行整體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，并對梁柱節(jié)點應(yīng)力進行優(yōu)化。

此外，還應(yīng)積極引入先進的BIM 技術(shù)，基于BIM 系統(tǒng)進行裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計和施工優(yōu)化，包括梁柱節(jié)點構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計、方案可視化設(shè)計、智能化設(shè)計、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計、模擬施工演示、碰撞檢測以及三維技術(shù)交底等，如此才能夠有效提高裝配式綠色建筑梁柱節(jié)點固定設(shè)計水平。