裝配整體式樓板研究進展及BIM 的應用

繆建宏 趙 譽 張漢榮 趙 勇

建筑工業(yè)化是實現(xiàn)我國傳統(tǒng)手工粗放式建筑業(yè)向現(xiàn)代化工業(yè)生產方式轉變的超車利器，也是可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。要想實現(xiàn)建筑工業(yè)化，就要實現(xiàn)建筑部品預制化、建筑施工裝配化。發(fā)展適宜于工業(yè)化發(fā)展的裝配式建筑已成為我國建筑業(yè)的全新發(fā)展方向。發(fā)展裝配式結構是推進建筑業(yè)結構性改革和轉型升級的重要舉措，也是我國“十四五”時期建筑領域明確鼓勵的發(fā)展方向。

樓板作為裝配式結構體系中的極其重要的水平受力部品構件，不但要將其上荷載傳遞給豎向承重構件，而且還與豎向承重結構一起形成建筑物的空間承重骨架，共同抵抗各種荷載作用，而廣泛應用于各類裝配式結構體系中。裝配式結構體系中的樓板一般主要采用裝配整體式樓板。另外，與普通現(xiàn)澆結構施工不同，裝配式建筑項目的完成需要在設計、生產、運輸、施工等各環(huán)節(jié)信息數(shù)據(jù)更密切的配合協(xié)作，而這些信息數(shù)據(jù)的采集與存儲是一項非常繁重而浩大的任務，借助BIM 技術能保證信息在項目全過程中各參與方進行更好的有效傳遞。

本文首先針對裝配整體式樓板，系統(tǒng)梳理了目前國內外常見的構造形式，在此基礎上，針對BIM 技術在裝配整體式樓板設計、生產、運輸、施工等各環(huán)節(jié)的作用進行了歸納，為推動我國建筑工業(yè)化建設提供有利參考。

1 裝配整體式樓板的主要類型

裝配整體式混凝土樓板是將預制和現(xiàn)澆工藝相結合，在預制底板上部澆筑一層混凝土而形成的一種裝配整體式水平受力構件。該類樓板不僅可用于各類裝配式混凝土結構體系中，亦可用于裝配式鋼結構等其他結構體系中。裝配整體式混凝土樓板按其所組成的材料及構造形式的不同，可以分為疊合板及樓承板兩大主要類型。

2 疊合板研究進展

預制底板既在施工階段充當施工底模，承擔自重及其上施工荷載，又在使用階段作為構件的一部分，發(fā)揮其結構承載力。后澆混凝土疊合層在施工階段現(xiàn)場澆筑，與預制底板一起形成結構樓板。同時，對于裝配式混凝土結構，尤其是裝配整體式混凝土結構，后澆混凝土疊合層應用尤其重要，其發(fā)揮著類似于磚混結構中“圈梁”的作用，各預制結構構件在水平方向上通過后澆混凝土疊合層連接，進一步確保裝配式混凝土結構在水平荷載作用下的整體性。

鋼筋混凝土疊合板是由預制底板及后澆混凝土疊合層兩階段制作形成的構件。按其受力性能可以分為“一次受力疊合板”和“二次受力疊合板”兩類。

按照國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010）中的第9.5.1 條的描述，當疊合板在施工過程中有可靠支撐時，其底板在施工階段充當模板所產生的變形很小，認為其對結構成型后的內力和變形影響可以忽略，因此，可以按整體受彎構件設計計算，即“一次受力疊合板”；當疊合板在施工過程中無可靠支撐時，其底板在施工階段將產生較大的變形，會影響結構成型后截面應力分布及變形，此時應按兩階段進行設計計算，即“二次受力疊合板”。由于對疊合板的變形控制要求較為嚴格，且對作為永久模板的預制底板在施工階段的變形有嚴格要求，因此，一般將疊合板視為“一次受力疊合構件”。

疊合板按計算跨度的大小又可分為普通跨度疊合板和大跨度疊合板。實現(xiàn)大跨度疊合板的方式目前主要可以采用預應力技術，利用先張法工藝，將預制底板做成預應力混凝土底板，實現(xiàn)適用于大跨度的平板型疊合板、鋼筋桁架疊合板、帶肋型疊合板及組合型疊合板等；或采用夾芯技術制造出夾芯疊合板，由于其可有效減輕板件自重，亦可實現(xiàn)較大的跨度。

2.1 平板型預制底板疊合板

平板型預制底板疊合板是早期的疊合板形式，其預制底板采用普通混凝土或預應力混凝土制作而成。該類疊合的優(yōu)點是預制底板制作方便，便于后期電氣管線鋪設。但為保證預制底板與后澆混凝土疊合層所形成的疊合面的整體性，在生產預制底板時往往在預制底板的上表面采用人工或機械拉毛的方式進行疊合面粗糙處理?，F(xiàn)行的國家混凝土《結構工程施工質量驗收規(guī)范》（GB 50204―2015）也要求：“預制板表面應做成凹凸差不小于4 mm 的粗糙面，且粗糙面的面積不宜小于結合面的80%”以確保結構連接構造的整體性設計要求。

2.2 鋼筋桁架制預制底板疊合板

鋼筋桁架預制底板疊合板是指在生產預制底板時，將鋼筋桁架放入其內。該類疊合板最大的特點是在兩疊合層之間設置了鋼筋桁架，對其疊合面的抗剪切性能有了較大提高，增加了疊合板的整體工作性能。該類疊合板是目前我國裝配式混凝土結構中最常見的一種疊合板，與平板型預制底板疊合板相比，桁架鋼筋的引入增大了預制構件的剛度，在吊裝和施工階段，可減少預制疊合底板的變形，并增強承受施工荷載的能力，也減少了板底部豎向支撐的數(shù)量。因具有一定的技術優(yōu)勢，該技術被納入《裝配式混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ1―2014），并制定了配套的國家標準圖集。

在實際施工過程中，由于鋼筋桁架不適宜大跨度結構，且易開裂，劉文政[1]提出一種灌漿鋼管桁架疊合板，該結構將傳統(tǒng)的鋼筋桁架疊合板上弦桿改為鋼管，在鋼管內部灌高強砂漿以提高其抗彎剛度和承載力。通過實驗表明，鋼管桁架樓承板的開裂荷載明顯高于平板構件，具有較好的延性。

2.3 帶肋型預制底板疊合板

帶肋型預制底板疊合板是指下部采用由實心平板與設有板肋（可為實心肋或預留孔洞的肋）組成的預制底板，上部采用現(xiàn)場后澆混凝土的疊合板。依據(jù)預制底板所采用的的材料可分為預制預應力帶肋底板疊合板、預制非預應力帶肋底板疊合板兩大類。

針對預制非預應力帶肋底板方面：劉漢朝等[2]提出一種倒“T”型預制底板疊合板，通過試驗研究表明，當?shù)埂癟”型預制底板的上表面采用滿足《混凝土結構設計規(guī)范》要求的粗糙面處理方式情況下，該類板的疊合面均具有足夠的粘結抗剪能力，能夠保證疊合板的整體受力工作性能；同時指出，后澆層的二次配筋可有效提高疊合板的受彎承載力及彎曲延性；侯和濤等[3]提出一種預應力混凝土鋼肋預制底板疊合板，并通過受彎試驗研究表明，該類板具有較好的延性及彎曲剛度。

針對預制預應力帶肋底板疊合板方面：黃海林等[4]提出一種PK 預應力混凝土疊合板，該類疊合板中的預制底板采用先張法工藝的預應技術，后澆疊合層采用普通混凝土。黃海林等通過試驗、數(shù)值及理論分析建立了該類板的設計計算公式，并編制了相應的指導設計施工規(guī)程《預制帶肋底板混凝土疊合樓板技術規(guī)程》。

2.4 空心或夾芯型預制底板疊合板

空心型（夾芯型）預制底板疊合板是指通過采用預應力技術，或利用內置輕質芯材在樓板中性軸附近彎曲應力較小的部位形成空心（空腔）的預制空心（夾芯）底板，上部采用現(xiàn)場后澆混凝土的疊合板。目前對于空心型（夾芯型）預制底板常用的芯材主要有：以聚苯乙烯為主的輕質泡沫類材料，或以GBF、GRC 為主的輕質高強纖維復合材料等。

吳方伯等[5]提出一種內置筒芯內模的預應力疊合板，該類疊合板的內置芯材采用EPS 等輕質材料填充。吳方伯等通過試驗研究與理論分析相結合的研究手段，提出了該類疊合板受剪承載力計算方法；張宇峰等[6]提出一種夾芯疊合板（內置蒸壓輕質加氣混凝土），并對該類板的彎曲性能開展了多維研究；成莞莞等[7]提出一種CS 夾芯疊合板，并通過理論推導及精細化計算模型分析，建立該類疊合板彎曲性能計算方法。

3 鋼筋桁架樓承板研究進展

鋼筋桁架樓承板是指由鋼筋桁架與底模連接組合而成的承重板，依據(jù)其生產及施工工藝可分為：焊接式鋼筋桁架樓承板、可拆卸底模桁架樓承板和免拆卸底模桁架樓承板3 類。

3.1 鋼筋桁架樓承板

鋼筋桁架樓承板預制底板由鋼筋桁架及底部鍍鋅鋼板組成，預制底板在工廠加工完成后運至施工現(xiàn)場進行安裝，最后澆筑混凝土并進行養(yǎng)護，施工階段的荷載由鋼筋桁架來承擔，鍍鋅鋼板兼做模板，使用階段鋼筋桁架與混凝土共同受力。胡憲鑫[8]通過研究鋼筋桁架樓承板單向板和雙向板受力性能，得出了鋼筋桁架樓承板的剛度計算公式。楊超群[9]對系統(tǒng)的評價了鋼筋桁架樓承板在設計、施工、經濟效益。

3.2 可拆卸底模桁架樓承板

可拆卸底模桁架樓承板是指鋼筋桁架與可拆卸底模通過專用連接件連接成整體，待吊裝到指定位置后，在其上綁扎鋼筋并澆筑混凝土，待混凝土達到設計強度后底模可拆除的一類裝配整體式板，簡稱可拆式桁架樓承板。可拆底模包括鋼板、鋁合金模板、竹（木）膠合板及其他材質板。

賈斌等[10]提出一種木模板樓承板，并通過理論分析證明該類板力學性能等同現(xiàn)澆。后續(xù)的研究人員進一步通過有限元分析，分析木模板不同構造形式的結構性能，為工程實踐提供參考價值。針對可拆卸式鋼-UHPC組合板，也探究了鋼-UHPC 與NPR板協(xié)同工作性能。

3.3 免拆卸底模桁架樓承板

免拆底模鋼筋桁架樓承板是在壓型鋼板底模樓承板、可拆底模樓承板基礎上發(fā)展起來的，它是指鋼筋桁架與免拆底模通過專用連接件等連接成整體的組合承重板，簡稱免拆卸式桁架樓承板。其底?？刹捎茫豪w維水泥板、硅酸鈣板、UHPC 板等非金屬板。

在該類樓板的研究方面，研究人員給出了免拆底模板的樓承板相關計算方法，總結了其設計流程；提出用纖維水泥板來替代傳統(tǒng)的底模形成免拆底模鋼筋桁架樓承板，通過數(shù)值與理論分析驗證了其可行性。

4 疊合板及樓承板研究展望

裝配整體式樓板的應用越來越廣泛，一批新型的樓板體系也被學者們相繼被提出。

結合現(xiàn)有裝配整體式樓板在工程中的使用情況，以下方面需要完善：第1，疊合方面：材料應用目前大多數(shù)為普通混凝土或預應力混凝土，可再生材料應用較少，對于輕質預制底板研發(fā)不足；目前疊合板的預制底板無論采用何種構造形式，預制底板厚度普遍在60 mm，而在實際工程中由于需要預埋線管，導致疊合板普遍在澆筑完疊合層后厚度較大，普遍在130 mm 以上，所以如何減少預制底板厚度亦是需要亟待解決的問題。第2，鋼筋桁架樓承板方面：可（免）拆卸底模桁架樓承板，普遍需要采用固定連接件來固定桁架鋼筋，而目前的固定件基本均為專用連接件，如何研發(fā)通用可靠的連接件是可（免）拆卸底模桁架樓承板亟待解決的問題。目前該類樓板的桁架鋼筋僅可單向布置，而該類樓承板最終形成的樓板多為雙向受力板，如何解決僅單方向布置桁架鋼筋問題亦要深入研究。

5 BIM 技術在裝配整體式樓板中的應用

BIM 技術可在全過程中收集整合信息、可視化程度高，已成為裝配式建造過程不可或缺的技術，貫穿于裝配式建筑全壽命周期。以下重點從設計、生產、施工3 個方面對其在疊合板中的應用進行介紹。

5.1 BIM 技術在疊合板設計階段的應用分析

BIM 技術在設計階段的應用主要有標準化BIM 疊合板構件庫的建立、BIM 可視化設計、BIM 構件拆分以及優(yōu)化設計、BIM 協(xié)同設計，具體為：第1，根據(jù)不同的疊合板布置方式，建立相對應的標準化深化設計結構構件。通過構件庫里系列標準化構件進行組拼組合，快速建模，按照裝配式建筑特性進行“組裝”設計，保證疊合板的系列標準化，且各個構件滿足工廠規(guī)?；?、自動化加工和現(xiàn)場的高效施工。第2，采用BIM 的設計方法，讓各專業(yè)設計師通過三維模型更為直觀地表達，有效避免二維圖紙理解有誤的弊病。第3，針對構件標準化、生產加工工藝、開關插座細節(jié)深化。第4，基于統(tǒng)一模型，實現(xiàn)全專業(yè)協(xié)同設計及優(yōu)化。

5.2 BIM技術在疊合板生產階段的應用分析

設計院根據(jù)構件信息和拆分條件進行構件工藝設計，在此基礎上再根據(jù)構件詳圖，裝配條件和制造條件進行裝配設計以及制造方案設計，制訂出相應的吊裝方案、排產方案以及配送方案以提高其生產的效率。將BIM與CAM 技術相結合實現(xiàn)基于BIM 的裝配式智慧工廠管理平臺，將基于BIM 模型的加工數(shù)據(jù)與基于施工進度的排產導入生產管理系統(tǒng)以實現(xiàn)基于供應鏈的優(yōu)化排產。

5.3 BIM技術在疊合板施工階段的應用分析

在裝配式建筑施工階段，BIM 技術可以進行裝配式構件生產指導，并通過CAM 實現(xiàn)預制構件的數(shù)字化制造，實現(xiàn)施工現(xiàn)場組織及工序模擬，施工安裝，模擬碰撞檢測和復雜節(jié)點模擬施工以提高裝配式建筑施工的質量和效率。

6 結語

我國近年來對裝配式建筑推廣力度的不斷加大，并經過近幾十年的發(fā)展，裝配整體式樓板因整體性好、施工便捷等優(yōu)點，得到快速發(fā)展和應用。因此，開展疊合板的研究，可以進一步優(yōu)化疊合板相關性能，拓寬疊合板應用范圍，推動其在裝配式建筑中的應用，有利于加速推進建筑工業(yè)化發(fā)展進程。

此外，在疊合板設計、生產及施工全過程中，運用BIM 技術可有效提升項目建設質效。積極運用BIM 技術，有效運用該技術在數(shù)據(jù)集成方面的功能，已成為包括疊合板在內的裝配式建造全過程的大方向。