孫 璨 曾凡耀 王欽民 王曉璐 殷良慧

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

近年來(lái)，國(guó)家和地方政府相繼出臺(tái)相關(guān)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(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》，總體要求包括推動(dòng)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(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型成功； 2017年4月12日，廣東省人民政府辦公廳《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的實(shí)施意見(jiàn)》，主要分為兩個(gè)五年目標(biāo)，對(duì)珠三角城市群、常住人口大于300萬(wàn)的粵西北地區(qū)地級(jí)市中心城區(qū)和全省其他地區(qū)關(guān)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(dòng)裝配式建筑發(fā)展，本質(zhì)上是因其比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆方式效率更高，同時(shí)更加節(jié)能環(huán)保[3]。但是，由于裝配式構(gòu)件在拆分設(shè)計(jì)后，同一類(lèi)型構(gòu)件沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致了設(shè)計(jì)預(yù)制構(gòu)件的通用性差，設(shè)計(jì)效率無(wú)法提升，加工時(shí)也易出現(xiàn)鋼筋定位困難等問(wèn)題[4-6]。

因此，將BIM技術(shù)與裝配式建筑相結(jié)合，利用BIM技術(shù)的可視化和參數(shù)化特性，加快設(shè)計(jì)流程，減少加工錯(cuò)誤：在設(shè)計(jì)階段，將預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化管理，實(shí)現(xiàn)快速拆分和模塊化設(shè)計(jì)； 在生產(chǎn)階段，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)前期準(zhǔn)確定位鋼筋信息、生產(chǎn)中全面了解構(gòu)件信息、后期運(yùn)維有數(shù)據(jù)可查詢(xún)[7-8]。

本文以某裝配式住宅項(xiàng)目成果為例，重點(diǎn)闡述應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行裝配式建筑結(jié)構(gòu)拆分及參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用成效。該建筑高10層，總建筑面積約5 400m2，設(shè)計(jì)使用年限50年。結(jié)構(gòu)類(lèi)型為框架結(jié)構(gòu)。涉及的預(yù)制構(gòu)件類(lèi)型有：預(yù)制柱、預(yù)制梁和預(yù)制疊合板。

1 裝配式建筑拆分設(shè)計(jì)

在基于BIM的裝配式建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中， 由于需要對(duì)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分，因此在拆分設(shè)計(jì)的過(guò)程中， 需要將連續(xù)的模型或構(gòu)件，在符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范及構(gòu)件廠生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求的前提下，擬定好構(gòu)件的拆分方案，進(jìn)行逐個(gè)拆分，使其形成獨(dú)立的部分，并盡量減少構(gòu)件種類(lèi)， 以便構(gòu)件廠進(jìn)行構(gòu)件的生產(chǎn)及加工。

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

1.1 基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)拆分設(shè)計(jì)流程

本項(xiàng)目是在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)之上，使用Revit軟件實(shí)現(xiàn)的拆分設(shè)計(jì)，流程如下：

(1)現(xiàn)澆模型建模

根據(jù)現(xiàn)澆建筑、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，按照不同截面尺寸的順序，將現(xiàn)澆柱用預(yù)制柱參數(shù)族替代。

(3)梁的拆分

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，按照不同截面尺寸的順序，將現(xiàn)澆梁用預(yù)制疊合梁參數(shù)族替代。

(4)板的拆分

方法類(lèi)似柱、梁構(gòu)件，采用預(yù)制疊合樓板族替代現(xiàn)澆樓板。

上述流程完成后，即實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)的BIM拆分設(shè)計(jì)(圖1)，該模型可視為施工圖BIM模型的深化，可用于構(gòu)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(shè)計(jì)模型

1.2 基于BIM的預(yù)制構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)要點(diǎn)

結(jié)合拆分設(shè)計(jì)流程，對(duì)預(yù)制構(gòu)件的拆分設(shè)計(jì)要點(diǎn)闡述如下。

1.2.1 預(yù)制柱的拆分

由于框架結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件是以等同現(xiàn)澆原則設(shè)計(jì)的。所以，預(yù)制柱在拆分設(shè)計(jì)建模時(shí)，除應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015年版)》GB 50010-2010的要求外，還要滿(mǎn)足以下條件，以保證設(shè)計(jì)的構(gòu)件性能等同現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)(如圖2)。

圖2 預(yù)制柱構(gòu)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(shí)，箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度≥縱向受力鋼筋連接區(qū)域長(zhǎng)度+500mm； 套筒上端第一道箍筋距離套筒頂部應(yīng)≤50mm。

(4)預(yù)制柱頂部表面應(yīng)設(shè)置≥6mm的粗糙面。

(5)預(yù)制柱的底部應(yīng)設(shè)置鍵槽，深度≥30mm，鍵槽端部斜面傾角≤30°。

1.2.2 預(yù)制疊合梁的拆分

裝配整體式框架結(jié)構(gòu)中，如采用預(yù)制疊合梁，則在拆分設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：

(1)對(duì)于抗震等級(jí)為一、二級(jí)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(yù)制梁圖3 預(yù)制梁的拆分構(gòu)造設(shè)計(jì)示意圖

(2)箍筋加密區(qū)在設(shè)計(jì)建模時(shí)，應(yīng)從梁端500和1.5hb(梁高)中取大值來(lái)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(kāi)位置等參數(shù)，然后運(yùn)用BIM軟件進(jìn)行建模，就可以完成對(duì)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(yù)制梁與后澆混凝土疊合層之間的結(jié)合面應(yīng)設(shè)置粗糙面； 預(yù)制梁斷面設(shè)置貫通截面的鍵槽，深度≥30mm，傾斜角≤30°。

1.2.3 預(yù)制樓板的拆分

圖4 疊合板的拆分設(shè)計(jì)示意圖

裝配整體式結(jié)構(gòu)的樓板多采用疊合板，疊合板的拆分應(yīng)按照戶(hù)型的開(kāi)間、戶(hù)型模數(shù)、板厚進(jìn)行拆分。疊合板設(shè)計(jì)時(shí)，除了應(yīng)該符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2010的要求外，還應(yīng)符合下列規(guī)定：

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

(2)預(yù)制疊合板與后澆混凝土疊合層之間的結(jié)合面應(yīng)設(shè)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(shè)計(jì)與建模時(shí)，宜采用桁架鋼筋混凝土疊合板。>6m的疊合板則宜采用預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制板。

本文工程案例拆分設(shè)計(jì)及建模時(shí)采用桁架鋼筋混凝土疊合板，受力形式按雙向板，接縫構(gòu)造為無(wú)接縫。在熟悉以上設(shè)計(jì)原則和要點(diǎn)后，可以運(yùn)用BIM軟件，進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)建模。為了實(shí)現(xiàn)高效的預(yù)制構(gòu)件建模，還應(yīng)運(yùn)用參數(shù)化建模的方法，實(shí)現(xiàn)快速建模和模塊化設(shè)計(jì)。

2 預(yù)制構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)

Revit如今是我國(guó)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(gòu)件族是在Revit中設(shè)計(jì)使用的所有建筑構(gòu)件的基礎(chǔ)，于是本文案例工程選擇了Revit進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

創(chuàng)建預(yù)制參數(shù)化構(gòu)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(jìn)行構(gòu)件族類(lèi)別的選擇，根據(jù)構(gòu)件類(lèi)型需求選擇對(duì)應(yīng)的構(gòu)件族類(lèi)別。例如預(yù)制參數(shù)化柱構(gòu)件選擇結(jié)構(gòu)柱族類(lèi)別，預(yù)制參數(shù)化疊合梁構(gòu)件選擇結(jié)構(gòu)框架族類(lèi)別等；

(3)根據(jù)預(yù)制構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)需要將預(yù)制構(gòu)件劃分成各個(gè)組件(俗稱(chēng)零件)，然后進(jìn)行組件的創(chuàng)建，并進(jìn)行組件邏輯約束；

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

(5)添加對(duì)應(yīng)組件約束的各種參數(shù)，將參數(shù)與組件約束進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。測(cè)試出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，則需要重新進(jìn)行組件邏輯約束。如參數(shù)測(cè)試成功，則進(jìn)行下一組件的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，直至預(yù)制構(gòu)件劃分成的所有組件參數(shù)測(cè)試成功，預(yù)制參數(shù)化構(gòu)件完成(如圖5)。

圖5 預(yù)制構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)流程圖

2.1 預(yù)制柱參數(shù)化設(shè)計(jì)

預(yù)制柱參數(shù)化構(gòu)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(biāo)高鎖定約束，其他部分利用注釋欄的尺寸標(biāo)注進(jìn)行鎖定約束，并添加長(zhǎng)、寬、高對(duì)應(yīng)參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

利用空心拉伸功能創(chuàng)建鍵槽，根據(jù)拆分設(shè)計(jì)要求，當(dāng)預(yù)制柱底部設(shè)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(yù)制柱的長(zhǎng)寬變化而變化的等腰梯臺(tái)。以預(yù)制柱底端的參照標(biāo)高為x軸，柱底中部為y軸作為預(yù)制柱構(gòu)件的直角坐標(biāo)系(如圖6)，參數(shù)化需要計(jì)算鍵槽底端和頂端的坐標(biāo)與預(yù)制柱長(zhǎng)寬坐標(biāo)的關(guān)系。其公式如下：

長(zhǎng)=x； 寬=y，鍵槽底端兩點(diǎn)坐標(biāo)為

圖6 鍵槽截面梯形示意

根據(jù)鍵槽截面梯形的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)創(chuàng)建隨長(zhǎng)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(chǔ)上，利用尺寸標(biāo)注工具進(jìn)行鎖定約束，并與因變量參數(shù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)縱筋半徑參數(shù)化，并與由縱筋中心畫(huà)的兩條參照平面輔助線(xiàn)組成模型組，由此可以進(jìn)行縱筋數(shù)量參變的位置鎖定約束。通過(guò)陣列、修改工具時(shí)的操作約束和添加保護(hù)層厚度、縱筋半徑、箍筋半徑等參數(shù)，由此計(jì)算出箍筋內(nèi)皮至混凝土外側(cè)距離，將對(duì)應(yīng)參數(shù)與約束關(guān)聯(lián)達(dá)到b邊縱筋數(shù)量參變。以縱筋b邊最后一根縱筋再進(jìn)行原來(lái)的操作即可達(dá)到h邊縱筋的數(shù)量參變，由此實(shí)現(xiàn)縱筋數(shù)量參變(如圖7)。

圖7 柱縱筋組件參數(shù)化設(shè)計(jì)詳圖

Revit族參數(shù)化絕大多數(shù)是利用尺寸標(biāo)注工具約束聯(lián)動(dòng)組件實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。利用尺寸約束組件實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的前提是，組件尺寸變化的邊或頂點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的工作平面，能與參照線(xiàn)或參照平面相關(guān)聯(lián)，尺寸參數(shù)實(shí)質(zhì)是驅(qū)動(dòng)參照平面輔助線(xiàn)或參照線(xiàn)實(shí)現(xiàn)組件參數(shù)化聯(lián)動(dòng)。通俗說(shuō)，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(guān)聯(lián)參照平面輔助線(xiàn)或參照線(xiàn)。然而縱筋長(zhǎng)度的參數(shù)化包含柱高以及縱筋伸出柱長(zhǎng)度兩個(gè)自變量，而且縱筋是數(shù)量化創(chuàng)建不能與參照輔助線(xiàn)關(guān)聯(lián)，驅(qū)動(dòng)參照平面輔助線(xiàn)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化聯(lián)動(dòng)關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)物體數(shù)量參變及長(zhǎng)度多段參變?cè)O(shè)計(jì)，利用公式運(yùn)算，縱筋長(zhǎng)度Z=y(柱高)+h(縱筋伸出長(zhǎng)度)，添加縱筋長(zhǎng)度參數(shù)并與縱筋實(shí)例屬性拉伸點(diǎn)限制條件進(jìn)行聯(lián)動(dòng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)縱筋長(zhǎng)度參數(shù)化?？v筋下部設(shè)置灌漿套筒，參數(shù)化設(shè)計(jì)與縱筋基本一致(如圖8)。

圖8 柱縱筋組件數(shù)量長(zhǎng)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(gè)工作面，利用放樣進(jìn)行箍筋實(shí)體的繪制。以柱截面中心為原點(diǎn)，平行h邊為x軸，平行b邊為y軸建立直角坐標(biāo)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(hù)層厚度)/2

l2=(柱長(zhǎng)-箍筋半徑×2-2×保護(hù)層厚度)/2

將l1、l2參數(shù)與放樣創(chuàng)建的箍筋實(shí)體進(jìn)行關(guān)聯(lián)使箍筋能夠隨著柱寬或柱長(zhǎng)、箍筋半徑、保護(hù)層厚度變化而變化。依據(jù)設(shè)計(jì)原則，箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度≥縱向受力鋼筋連接區(qū)域長(zhǎng)度+500mm； 套筒上端第一道箍筋距離套筒頂部應(yīng)≤50mm，箍筋加密區(qū)距離套筒頂部50mm處開(kāi)始設(shè)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(qū)動(dòng)加密區(qū)或非加密區(qū)長(zhǎng)度和加密區(qū)與非加密區(qū)間距即可實(shí)現(xiàn)箍筋參數(shù)化。

2.2 預(yù)制疊合梁參數(shù)化設(shè)計(jì)

預(yù)制疊合梁參數(shù)化設(shè)計(jì)與預(yù)制柱構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)大體相似，按照拆分設(shè)計(jì)原則，以及創(chuàng)建預(yù)制柱構(gòu)件參數(shù)化的細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)了預(yù)制疊合梁混凝土外形組件尺寸參數(shù)化以及保護(hù)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(zhǎng)度參數(shù)化； 箍筋加密區(qū)與非加密區(qū)長(zhǎng)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(shè)置(圖9)。

圖9 預(yù)制疊合梁參數(shù)化示意圖

表1 預(yù)制柱構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)中的參數(shù)示意及公式

2.3 預(yù)制桁架板參數(shù)化設(shè)計(jì)

預(yù)制桁架板參數(shù)化設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)度模塊，寬度以及板厚采用參數(shù)化設(shè)計(jì)。依據(jù)拆分設(shè)計(jì)原則預(yù)制桁架板長(zhǎng)度在(3000-6000)mm的范圍以300mm遞進(jìn)分成11個(gè)模塊，達(dá)到模塊化設(shè)計(jì)。桁架鋼筋結(jié)合拆分設(shè)計(jì)建模并實(shí)現(xiàn)了數(shù)量參數(shù)化使其滿(mǎn)足相鄰桁架鋼筋間距≤600mm的設(shè)計(jì)要求(圖10)。

圖10 預(yù)制桁架板參數(shù)化示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合裝配式建筑工程實(shí)踐案例，重點(diǎn)闡述了利用BIM技術(shù)對(duì)裝配式構(gòu)件實(shí)施參數(shù)化設(shè)計(jì)、統(tǒng)一裝配式構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施流程及方案，能大大提高裝配式構(gòu)件加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作效率，在較大程度減少人工錯(cuò)誤，同時(shí)在施工階段通過(guò)節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)設(shè)置和定位加快施工進(jìn)度。應(yīng)用實(shí)踐效果表明，BIM技術(shù)與裝配式建筑相結(jié)合，能深度挖掘BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用價(jià)值，推動(dòng)裝配式建筑往更高效、高質(zhì)量方向發(fā)展。