0 引言

在建造体系中, 预制构配件设计是装配式结构最基本的组成核心^[1];由于现有传统设计模式和项目管理能力的局限性, 难以将装配式建筑上游的设计信息精准无损传递到产业下游, 时常发生“信息孤岛”效应导致返工率高;且基于CAD设计模式精确度不够、易出错而效率低, 专业间信息交流不畅等问题大大限制了装配式建筑的发展。

BIM技术是对建筑物物理和功能特性的集成数字化完备一致表达, 为实体建筑物全生命周期提供精准的信息传递和资源共享^[2,3]。实施性技术发展理念是建立真实建筑物全生命周期的信息数据库, 实现拟建建筑物各阶段、各专业间的信息数据无损化集成和共享^[3,4]。这些特性都使BIM技术在装配式结构设计领域具有高度实用性, 可满足装配式建筑设计精度, 大大提升设计质量和效率。在现有BIM技术结合装配式剪力墙结构设计研究方面, 国内外学者分别从不同角度出发, 对预制构件的模型深化设计和适用性^[5,6]、模型信息交换以及装配式结构设计方法^[7,8]等进行探讨。基于国内外学者研究, 装配式建筑的发展需要BIM理念的数字化支撑, 且两者具有较好的适用性, 本文基于实际项目解决装配式剪力墙结构设计工作效率低、成本高、设计中的“错漏碰缺”等问题。

传统的结构设计理念是以建筑专业为主的二维CAD方式出图, 土建、机电等专业按自身需求进行设计后, 进行图纸会审并对施工企业进行施工技术交底。这种方式依赖于设计师手工重建, 出图过程中即使使用模块化的工具也难以保证信息的完备准确性。为规避现有二维设计深度、精度不足的问题, 本文提出以BIM理念为基础、软件系统 (Revit/PKPM/Navisworks/Lumion) 为工具, 形成系统标准化的设计体系, 以此规范装配式结构设计各阶段的模型应用深度和模型细度 (LOD, 即level of development) 。项目首先获取结构设计信息后, 分别经过方案模型设计、初步模型及拆分设计、施工图模型的整合, 各专业碰撞检查后进行自动出图, 形成了基于BIM技术的装配式结构设计体系 (见图1) , 随着后续项目数量和规模扩大, 过程中的各类模型可形成构件库, 以此为基础加快设计速度。

住宅户型是为了满足各类使用需求建造的空间单元, 在项目积累过程中, 户型模块丰富多样, 企业设计师利用已有BIM户型模型可迅速进行模块化并实现组合设计想要的住宅模式。利用模块化的方式将设计师的工作重点转移到如何处理户型间的接口问题, 而不是BIM中繁重而单调的建模问题, 实现设计工作前置, 缩短项目交付时间。

现有的剪力墙竖向钢筋连接多以套筒、浆锚、干法螺栓等方式传递应力, 而水平钢筋连接方式决定了剪力墙节点的复杂程度, 在现有工程基础上对其进行优化, 考虑受力性能和传力途径等, 将大多数T形、L形节点转化为构造简单的一字形节点, 提高施工可行性。

利用参数化Revit, Allplan, ProStructures等3D可视化软件实现PC构件的深化设计, 具有3点实际价值。

1) 可视化2D设计严重依赖设计师想象重建, 对于复杂、多样的装配式难以考虑完全, 因而基于3D可视化的设计更直接明了, 效率更高。

2) 模拟性数字技术驱动实现对现场环境的模拟, 如结合VR等技术实现数字虚拟, 让业主体验材料用料、感受房间开间和进深等空间关系, 减少或省略样板间的建设费用。

3) 参数化主要策略为制作Revit软件“活族”, 利用参数驱动模型形态变化, 避免重复建模等问题, 遇到同类型构件修改其参数, 即可完成模型创建工作, 并利用参数化的构件形成多样化的户型、构件模块。

BIM的价值在于信息, 利用设计模型进行碰撞检查, 及时排除设计弊病。设计通过模型输出信息直接转化为构件生产信息等, 避免了二维信息的断层, 且结合三维可视化模型进行技术交底确保了信息无损传递。

西安某工业化住宅小区项目地上27层, 地下1层为停车库, 建筑面积9 000m²。采用装配式整体剪力墙结构, 200mm厚的预制外墙体;楼板为叠合板 (50mm预制底板+70mm现浇) , 另外空调板、楼梯、女儿墙等构件均采用工厂预制, 预制率和装配率分别达到30%和25%以上。综合考虑拆分设计难易程度和合理性, 墙体间采用预制混凝土构件和边缘构件连接节点现浇拼接完成;墙体纵向钢筋采用半灌浆套筒连接, 并保持受力钢筋连续。结构设计时尽量采用对称设计使结构质心刚心重合, 通过控制高宽比、长宽比等防止发生扭转。

依托本项目提出利用BIM技术建立系统化的设计思路, 梳理BIM技术在剪力墙结构中的应用点。为考虑施工经济性和提升设计效率, 优化现有剪力墙结构拆分设计思路, 利用三维模型深化设计, 构建参数化构件库作为装配式剪力墙模块化设计基础, 以解决重复建模工作量和节点施工难度大等问题。项目标准层设计布置如图2所示。

1) 为避免工业化住宅立面单调乏味, 采用悬挂预制板与立面悬挑构件多样化的组合形式进行建筑外立面三维设计, 设计中考虑模数协调, 以M=100为设计基本值, 向上 (2M, 3M) 向下 (M/2, M/5) 扩展, 采取“少规格、多组合”的策略提高预制构件模板的利用率, 降低构件生产成本。

2) 比较筛选平面户型, 并构建多个户型进行直接组合, 提高设计效率。设计时只对户型间接口进行修改即可快速设计。本项目标准层共含3种户型。对项目标准层利用户型直接组合进行方案设计, 配合Revit软件中“镜像”“复制”等命令即可迅速生成大量模块, 项目以中轴线为镜像轴, 左右对称, B-1, B-2, B-3分别为户型模块, 各个户型内的卫生间和厨房直接作为模块嵌入户型, 防止多次建模。进行户型组合时需删除重合的接口墙体, 否则软件后期信息输出时统计明细表中可能会重复计算重合部分, 影响模型数据准确性。优先选取设计库中已有模型, 非标准户型 (如2层物业办公室) 则考虑利用已有构件参数变化形成组合模块。

节点是整个结构体系的关键, 其连接设计是否合理直接决定其性能发挥和现场施工难易程度。现存的2种节点拆分方法分别是“边缘构件全部现浇, 非边缘构件预制” (简称“形式1”) 和“边缘构件部分现浇, 水平钢筋环插钢筋连接” (形式2) ^[9]。本项目原定在拆分阶段按照装配式等同现浇的前提, 按照形式2节点进行拆分 (见图3) 。

形式2中节点的做法是先将墙体就位, 架设临时支撑, 灌浆套筒灌浆后节点位置绑扎钢筋, 节点支模后浇筑各类型节点。经过Revit虚拟论证后, 存在以下问题。以L形节点为例, 支模时需将预制的PCF板吊装至L形节点外围, 使用发泡剂嵌填PCF板与预制墙缝隙后浇筑混凝土。这种方式中节点位置狭小, 施工难度相当大甚至无法施工。而T形节点连接处钢筋太复杂, 边缘构件承担水平剪力, 预制墙板竖向传力明显, 不符合现浇结构设计思路, 且节点现浇时仍需要支设外模板和内模板。

为加强施工可行性, 拆分过程中利用BIM模型优化拆分原定节点连接方式, 设法将L形节点转化为一字形节点以解决施工难度大的问题, 如图4所示将转角处一字形预制墙体采用L形预制墙体, 则现浇节点转化为一字形。T形节点从预制外墙中部伸出预留构造筋进行优化, 将现浇节点放于内墙形成一字形节点, 大大简化节点施工的复杂程度。优化后的剪力墙受力路径更清晰, 使构造更符合计算的2个假定。

标准层拆分三维模型如图5所示, 项目过程中转角外墙体采用L形预制墙板;T形节点采用外墙预制, 现浇节点置于内墙之间, 则L和T形节点明显减少, 浇筑模具制作简单, 受力路径明确。优化后的节点钢筋数量和复杂程度大大降低, 施工可行性得到增强。

采用构件参数化设计可有效防止重复建模, 减少设计出错概率。预制外墙、内墙、楼梯、空调板等构件按类型特点将数据赋予真实模型, 使用相同类型的构件只需更换参数则可驱动模型形态变化, 生成需要的模型类别。并利用“钢筋限制条件”使主体构件混凝土形态发生变化后, 钢筋按照参数变化自行调节, 使模型适应性、灵活性大大增强。设计过程中预制构件内部处于三维可视化状态, 可观测内部钢筋、预埋线盒、灌浆套筒、预埋螺栓的碰撞、预制墙体和现浇节点的偏差等问题, 为构件工厂化生产、现场拼装进行有效指导。

装配式项目对设计深度、设计精度和信息广度要求高;且因其专业间协同关系复杂, 传统的人工检查和二维图纸输出难以排除节点处众多钢筋、预埋件、灌浆套筒、临时支撑埋件等碰撞情况。因而所有的设计模块组合完毕后, 为增强设计可靠性和施工可行性, 出图前利用Navisworks对结构设计模型进行碰撞检查, 其模型精度达到钢筋级别, 减少出图错误, 防止设计变更和返工。

1) 墙体配筋详图预制内墙板配筋结合3D图, 清晰明了;预埋线盒、吊点等也能相应放置在构件内部准确位置。

2) 材料明细表导出预制内墙板所需的材料, 包括钢筋直径、造型、数量、套筒数量、直径等参数, 作为备料检查, 将所有构件材料单导出汇总, 可根据生产进度结合RFID技术调整材料运输入库, 实现零库存、零缺料情况。

Revit并不能直接输出规范下的详图, 需要导出模型详图到天正CAD中添加注释、完善相应比例等然后输出图纸。根据深化拆分设计结果, 调整后输出节点设计详图及支设模板情况, 利用三维可视化模型节点协助构件加工制作, 并对工人进行技术交底。

以上述拆分完成的构件作为研究的基本内容, 意在建立模块化的结构设计思路, 每个预制构件或者组合构件都是不重复的模块单元, 是具有通用化、系列化、组合化等特性的标准化形式的一类文件^[10]。按照构件库的建设思路, 先建立PC剪力墙住宅需要的各类构件库, 在项目设计时直接组建三维模型。

1) 利用系统族制作预制构件族利用Revit“添加参数”的方法使其参数化, 利用参数驱动直接控制截面尺寸, 对构件进行配筋深化设计, 同时增加钢筋限制条件, 使钢筋和混凝土主体存在的位置关系一起发生参数化联动, 即施工图设计构件库需要详细到构件连接方式、起吊预埋件、面层材料等详数。

2) 可载入族制作预制构件族装配式项目空间三维几何关系比较复杂, 现浇构件的BIM设计方式难以适应预制构件特殊要求^[11,12,13]。为了使预制构件族具有较高的通用性, 直接作为模块在项目中调用, 可采取预制构件导入族的方式创建。

3) 内建族制作预制构件族该构建族方式通过直接在项目内部进行放样, 经过拉伸、剪切、空心等方式形成所需构件族, 除了无系统预设, 与第1类建立族的方式基本无差异。但这种族在项目内部编辑难度大, 不能多次导出使用;并且随着项目规模及复杂度变大, 占用内存和性能相当大, 并不能作为主要方式处理预制构件族。为彻底解决构件族库的建立问题, 还需要各大软件商更新软件, 解决如何建立各类族库, 以何种方式保存构件库使其在整个BIM软件下具有更好的兼容性等。

构建模型库的意义在于提高设计速度和质量, 在每级设计中可以从相应的构件库中提取已模块化的设计基本单元 (各类族) , 并将其进行组合, 甚至可以将族直接模块成住宅标准层, 转化为各模块、各个标准层间的连接问题, 而不是重复的建模问题, 利用可导入族构建单元模块进行结构设计, 设计中重点考察节点连接方式、施工可行性、重复性建模工作。

深化后的BIM模型信息可以方便指导施工, 对复杂工艺进行虚拟技术交底, 更好地组织和管理施工现场。模型指导生产施工顺序:构建BIM模型→构件生产→构件安装固定→套筒灌浆→现浇节点及支设模板→节点浇筑→水平构件支撑安装→叠合板吊装就位。

构件入库前应建立相关的检验制度, 保证构件模型质量, 检验尺寸、材质等参数, 并调试参数化结果。为了便于入库和有效管理, 满足对库中预制件增加、修改、查询、删除等功能, 可采用C#语言结合Revit API进行二次开发, 完成预制件管理插件系统^[14]。

装配式结构设计相比现浇结构设计更复杂, 精确性要求也更高, 因而需要先进的BIM技术理念作为平台, 解决现存的问题。

1) 首先提出基于BIM技术的装配式结构设计流程, 设计前期考虑建筑立面多样化、剪力墙拆分、户型模块组合、自动出图等问题, 进而基于BIM技术进行预制构件拆分、节点优化设计、施工图深化设计。

2) 结合案例实践了BIM技术在装配式项目中的可视化设计、碰撞检查、图纸信息输出、材料统计等核心应用, 协助技术交底和指导现场生产施工。

3) 通过3种构建装配式结构BIM模型“参数模块化”方法, 提出软件商更新开发构件系统模块和用户建立可载入构件族2种方法解决装配式构件库的扩充完善工作, 利用构件模块化、参数化解决设计工作低效、错误率高、大量重复性建模等问题, 最后利用构建的构件库进行快速设计, 减少返工、重复性建模、设计变更等问题。