新型裝配式混凝土建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究

張金丹

(賀州學(xué)院建筑與電氣工程學(xué)院 廣西 賀州 542899)

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是一種快速高效、低耗環(huán)保、可工業(yè)化的建筑形式,在國(guó)內(nèi)外得到快速發(fā)展和應(yīng)用[1-2]。裝配式建筑把整體建筑拆分成部件,進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),工廠完成疊合板、疊合梁、柱、剪力墻等構(gòu)件的制作,再運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接和組裝。整體的建造主要包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和裝飾。但在實(shí)踐應(yīng)用過程中,建造的各個(gè)過程都存在一些問題,阻礙了裝配式建筑的發(fā)展。如在設(shè)計(jì)階段針對(duì)不同的項(xiàng)目很難做到標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化設(shè)計(jì),在構(gòu)件生產(chǎn)階段臺(tái)模的使用效率不高,在輸運(yùn)階段預(yù)制構(gòu)件伸出的鋼筋容易彎折、變形,甚至導(dǎo)致混凝土破損、缺角,影響外觀和質(zhì)量[3]。在安裝和裝飾階段問題更加嚴(yán)重,為達(dá)到“等同現(xiàn)澆”的設(shè)計(jì)理念,通過預(yù)留鋼筋后澆帶現(xiàn)澆混凝土,但不同的預(yù)制構(gòu)件鋼筋的預(yù)留很容易導(dǎo)致鋼筋碰撞問題,特別是節(jié)點(diǎn)區(qū)域?？偟恼f來最主要的原因就是裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化程度不高,導(dǎo)致裝配式建筑在實(shí)踐的過程中受到阻礙出現(xiàn)種種問題。因此本文提出建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)拆分一體化設(shè)計(jì)以及基于BIM技術(shù)的裝配式建筑一體化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)新型裝配式混凝土建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

1 建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)拆分一體化設(shè)計(jì)

1.1 建筑平面設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)拆分一體化設(shè)計(jì)

裝配式建筑設(shè)計(jì)不同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),裝配式混凝土建筑設(shè)計(jì)不僅要適應(yīng)我國(guó)各地建筑使用功能的要求,同時(shí)也要滿足工業(yè)化建造的要求,以“少規(guī)格、多組合”的原則,遵循模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、集成化的建筑設(shè)計(jì)。

在建筑方案設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮后期深化設(shè)計(jì)階段,便于結(jié)構(gòu)拆分,對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。如建筑平面X和Y方向可選取相同的軸網(wǎng)尺寸,保證疊合梁構(gòu)件長(zhǎng)度和寬度尺寸一致,可設(shè)計(jì)不同的梁高,減少鋼筋碰撞,方便施工吊裝,并且可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)再對(duì)配筋、構(gòu)造相近的疊合梁構(gòu)件進(jìn)行歸并,進(jìn)一步減少疊合梁構(gòu)件尺寸;柱尺寸可根據(jù)軸網(wǎng)尺寸選取相同的經(jīng)濟(jì)尺寸;板構(gòu)件的設(shè)置也盡可能保證板長(zhǎng)寬方向的尺寸相同,即次梁軸線的劃分不一定按主梁長(zhǎng)度進(jìn)行等分,而是考慮使區(qū)間內(nèi)的板寬尺寸相同來確定次梁軸線。

確定好軸網(wǎng)尺寸后,平面設(shè)計(jì)再根據(jù)房間不同的使用功能在開間不變的基礎(chǔ)上,進(jìn)深以基本模數(shù)100mm或其他模數(shù)進(jìn)行延伸擴(kuò)展,確定多種基本平面形狀進(jìn)行多樣化組合,形成不同的個(gè)性化平面。

1.2 建筑立面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)拆分一體化設(shè)計(jì)

裝配式混凝土建筑立面設(shè)計(jì)不僅要滿足建筑美觀、經(jīng)濟(jì)、多樣化等需求。同時(shí)根據(jù)裝配式建筑的特點(diǎn),建筑外立面造型變化不宜過多,可通過將靈活可變的元素融入標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中,再通過不同組合及做法,創(chuàng)造豐富的立面形式。

如對(duì)于框架結(jié)構(gòu)體系的裝配式建筑,由于外墻不承重,空間布置可以更靈活,其建筑外立面設(shè)計(jì)更具創(chuàng)意性。可利用預(yù)制梁和預(yù)制柱,形成方格網(wǎng)立面;或采用梁凸出,柱子凹入,強(qiáng)調(diào)橫向線條;也可以采用柱子凸出,梁凹入,強(qiáng)調(diào)豎向線條等;通過構(gòu)件位置的變化,呈現(xiàn)不同的建筑風(fēng)格。對(duì)于采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系的建筑外立面,由于外墻是結(jié)構(gòu)墻體,建筑師可發(fā)揮的空間較小。但設(shè)計(jì)師可通過調(diào)整剪力墻板的質(zhì)感,顏色,分隔縫等,或采用預(yù)制飄窗以及一體化面磚等手法豐富立面造型。

一般來說對(duì)裝配式混凝土建筑立面設(shè)計(jì),應(yīng)避免設(shè)計(jì)大量的裝飾性構(gòu)件,尤其應(yīng)避免設(shè)計(jì)與建筑不同壽命的裝飾性構(gòu)件,減少建筑后期運(yùn)維成本,以節(jié)約造價(jià),縮短工期。同時(shí)基于裝配式建筑的特點(diǎn),混凝土預(yù)制構(gòu)件的外形不懼復(fù)雜,只恐重復(fù)率不高,因此建筑的外墻、陽臺(tái)板、空調(diào)板、外窗、遮陽設(shè)施及裝飾等部品部件宜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),將這些具有建筑功能的立面構(gòu)件,通過單元組合、色彩搭配、交錯(cuò)設(shè)置等方式,形成豐富多樣的立面造型,兼顧建筑效果與使用功能的統(tǒng)一。

2 BIM技術(shù)在裝配式建筑一體化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

產(chǎn)業(yè)化是建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì),而裝配式建筑是實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的重要手段,可以促進(jìn)建筑業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級(jí)。發(fā)展建筑工業(yè)化,離不開建筑信息化,為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和信息化的深度融合,將BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)建筑的信息化與工業(yè)化,是建筑業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)[4]。

2.1 基于BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是裝配式建筑的核心原則,是實(shí)現(xiàn)裝配式建筑品質(zhì)提升、提高效益效率和節(jié)約工期的重要方法和措施。而要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),就要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。傳統(tǒng)裝配式建筑“先整體分析后拆分設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)思路常帶來預(yù)制構(gòu)件的種類繁多的問題,使設(shè)計(jì)的構(gòu)件與工廠生產(chǎn)的構(gòu)件不匹配,進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)計(jì)返工增多。因此基于BIM技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的核心是建立預(yù)制構(gòu)件庫(kù),項(xiàng)目所需的絕大部分構(gòu)件可直接從預(yù)制構(gòu)件庫(kù)中選取,無需自行設(shè)計(jì),并且預(yù)制構(gòu)件庫(kù)中的構(gòu)件與工廠生產(chǎn)模具相匹配,可以批量生產(chǎn)直接使用,從而大大提高裝配式建筑的設(shè)計(jì)和工廠生產(chǎn)效率。

在預(yù)制構(gòu)件信息庫(kù)的基礎(chǔ)上,再協(xié)同各專業(yè)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和深化設(shè)計(jì)。建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備和裝修專業(yè)等各專業(yè)的設(shè)計(jì)師從建筑標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的構(gòu)件庫(kù)中選擇相互匹配的構(gòu)件或部品部件等模塊來組建模型并進(jìn)行各自設(shè)計(jì)流程的協(xié)同,這樣不僅能提高建模的標(biāo)準(zhǔn)化程度和效率。同時(shí)通過協(xié)同工作,不斷豐富BIM模型信息,最終形成集成各專業(yè)設(shè)計(jì)信息的綜合設(shè)計(jì)模型。并且BIM技術(shù)具有沖突檢測(cè)的功能,能夠智能檢測(cè)設(shè)計(jì)模型中存在的“錯(cuò)、漏、碰、缺”等沖突,各專業(yè)設(shè)計(jì)人員可以及時(shí)糾正設(shè)計(jì)中的沖突,降低設(shè)計(jì)失誤率,真正提高裝配式建筑的設(shè)計(jì)效率。

2.2 基于BIM技術(shù)自動(dòng)化生產(chǎn)

裝配式預(yù)制構(gòu)件工程生產(chǎn)是裝配式建筑特有的環(huán)節(jié),針對(duì)裝配式預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn),基于BIM可視化、參數(shù)化等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的自動(dòng)化加工,提高預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。即設(shè)計(jì)人員與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠家對(duì)模型中相關(guān)信息進(jìn)行共享,直接獲取模型中構(gòu)件的尺寸、材料、構(gòu)件的鋼筋等級(jí)等參數(shù)信息。再通過計(jì)算機(jī)等技術(shù)與生產(chǎn)設(shè)備相連,把相應(yīng)模型信息導(dǎo)入控制系統(tǒng),即可完成對(duì)預(yù)制裝配式建筑構(gòu)件的自動(dòng)化生產(chǎn)和加工。基于BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)之間的信息共享,整個(gè)過程能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無紙化生產(chǎn),不僅極大極高生產(chǎn)效率,同時(shí)節(jié)約工人的勞動(dòng)成本,降低造價(jià)。

2.3 基于BIM技術(shù)裝配化施工

裝配式不同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是裝配式建筑構(gòu)件在工廠生產(chǎn)完后再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配式。基于BIM技術(shù)的裝配化施工,將前面協(xié)同各專業(yè)所建的BIM模型轉(zhuǎn)化成實(shí)體建筑,即以BIM模型為載體,將現(xiàn)場(chǎng)裝配信息同設(shè)計(jì)信息以及工廠生產(chǎn)信息進(jìn)行共享與集成,將現(xiàn)場(chǎng)裝配和虛擬裝配有效結(jié)合,指導(dǎo)構(gòu)件的生產(chǎn)、運(yùn)輸以及在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)合理裝配。

基于BIM技術(shù)的裝配化施工主要包括二個(gè)方面:①建立模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的BIM模型,通過模型分析各項(xiàng)安全影響因素,建立施工現(xiàn)場(chǎng)的平面布置圖,劃分運(yùn)行道路和相應(yīng)的功能區(qū),并不斷優(yōu)化,最終達(dá)到能直觀地反應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)的狀況,并根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行構(gòu)件的運(yùn)輸和裝配。②進(jìn)行施工模擬,對(duì)項(xiàng)目施工的全過程先進(jìn)行虛擬可視化三維預(yù)演,特別是對(duì)于施工中安裝比較復(fù)雜的部位和影響結(jié)構(gòu)整體性的關(guān)鍵部位,可先對(duì)其安裝過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,找出可能存在的碰撞矛盾問題,再解決優(yōu)化,保證實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)裝配的可行性和安全性,同時(shí)對(duì)于復(fù)雜或關(guān)鍵部分的技術(shù)交底,無法直接表述,也可通過三維可視化進(jìn)行。

2.4 基于BIM技術(shù)一體化裝修

基于BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,將生產(chǎn)好的部品部件,包括機(jī)電設(shè)備(管線)、墻地面飾面、集成廚房及衛(wèi)生間、模塊化家具及所需要的組件等,運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)按照標(biāo)準(zhǔn)化程序進(jìn)行選擇、組合、安裝,稱之為基于BIM技術(shù)的一體化裝修。在裝配式建筑的建造過程中,一體化裝修與裝配式主體結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備等系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、同步施工。

基于BIM技術(shù)的一體化裝修,裝修所需要的部品部件以及模塊化家具的信息都需要集中在BIM模型中,采用單元模塊化設(shè)計(jì),在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)階段對(duì)生產(chǎn)廠家共享信息,再由工廠進(jìn)行定制化生產(chǎn),降低現(xiàn)場(chǎng)制作成本,同時(shí)留好通用的裝配接口,方便后期現(xiàn)場(chǎng)能進(jìn)行精準(zhǔn)裝配。

2.5 基于BIM技術(shù)信息化管理

一個(gè)建設(shè)工程項(xiàng)目的全生命周期包括建設(shè)階段(策劃、設(shè)計(jì)、施工),以及運(yùn)營(yíng)階段(使用、管理、改造)和最后的拆除?；贐IM技術(shù)的信息化管理即通過BIM技術(shù)整合各個(gè)階段的信息模型,打通各專業(yè)的數(shù)據(jù)和過程,串聯(lián)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、裝修和管理全過程,服務(wù)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維、拆除全生命周期。因此要先建立統(tǒng)一的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配一體化信息管理平臺(tái),在統(tǒng)一的信息交互標(biāo)準(zhǔn)下集成各專業(yè)軟件,保證各環(huán)節(jié)、各專業(yè)、各相關(guān)方的信息通過管理平臺(tái)進(jìn)行共享與交互,在一體化的信息管理平臺(tái)下再對(duì)工程項(xiàng)目的全生命周期進(jìn)行協(xié)調(diào)管理。

綜上所述,標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是裝配式建筑的核心原則,貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、裝修及管理的各個(gè)階段,通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),可充分發(fā)揮了裝配式建筑工業(yè)化的優(yōu)勢(shì)。而通過建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)拆分一體化設(shè)計(jì)并結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修以及信息化管理來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),可有效提高設(shè)計(jì)效率,節(jié)約成本,促進(jìn)裝配式建筑工業(yè)化發(fā)展。