建筑工业化具有4大特征:建筑设计的标准化, 构件生产的工厂化, 施工现场的装配化, 组织管理的科学化。用传统的设计、施工和管理思维来建造装配式建筑不是建筑工业化, 不转换思维势必会增加建造难度、浪费资源和增加成本。要实现建筑工业化的“四化”必须从设计院前端做起, 从设计端提高产品的标准化和批量化, 并结合下游产业链预制构件生产和施工环节进行统筹安排。装配式建筑发展尚且处于发展初期, 设计流程还未完善, 目前设计院进行装配式设计时, 很多都是拿到结构施工图后, 再“粗暴式”进行构件拆分, 拆分后的预制件通常都是个性化产品, 并且不满足生产、运输、吊装和施工要求。预制构件的多样化和不合理造成构件制作难度加大、构件质量参差不齐、生产及施工效率降低及建造成本大幅增加, 严重影响了装配式建筑的推广与应用。

由中国建筑股份有限公司牵头的“十三五”国家重点研发专项 (2016YFC0701700) , 上海宝悦房地产开发有限公司参与了“基于Allplan平台的深化设计关键技术研究”。本课题通过Allplan软件进行大量双面叠合剪力墙结构项目设计, 并用系统化的思维对设计、生产、施工各环节的关键技术进行研究, 提出一套与装配式居住建筑相匹配的Allplan深化设计流程。

装配式建筑的设计应充分协调建设、设计、制作、施工各方之间的关系, 并应加强建筑、结构、设备、装修等专业之间的配合。传统居住建筑工程一般分为方案设计、初步设计和施工图设计3个阶段, 装配式建筑设计分为4个阶段, 在传统三阶段的基础上还需进行预制构件深化设计。与非装配式建筑项目相比, PC专业应从方案设计阶段开始全程参与到全周期设计中, 宜在方案阶段进行“技术策划”, 其中相关专业如建筑立面、机电、内装及部品、部件的设计均需前置, 增加了预制构件深化设计阶段。预制构件生产、运输及施工等项目后期也需设计人员的配合。装配式建筑设计流程如图1所示。

Allplan是德国内梅切克工程有限公司开发的混凝土预制构件深化设计专业软件, 在欧洲预制构件设计和生产单位的使用率>90%。国内企业主要使用Allplan软件的预制构件设计和构件生产2项功能。预制构件深化设计主要用到Allplan的4个主要模块:基本模块、建筑模块、工程模块、预制模块 (见图2) 。

基本模块主要进行草图绘制、文本、尺寸标注及页面布局。建筑模块中将二维CAD, PDF等格式图纸数据导入软件, 进行项目参数的定义, 快速建立组装楼层3D建筑模型。在预制模块中进行装配式建筑预制构件的拆分、深化图纸的设计和生产计划的安排。工程模块主要进行现浇结构钢筋及预制构件中特殊钢筋的布置 (见图3) 。

Allplan中的列表发生器、报告和图例功能可以一键导出企业所需的物料清单, 导出的unitechnik数据可直接对接生产企业生产管理系统。应用Allplan进行预制构件深化设计可实现从建筑设计到生产管理的全流程把控, 保证数据在各阶段的准确传递。

双面叠合剪力墙结构为全部或部分剪力墙采用双面叠合墙板, 通过可靠连接并与现场后浇混凝土形成整体的装配整体式混凝土剪力墙结构。主要预制构件类型有: (1) 竖向构件采用双面叠合墙板; (2) 水平构件采用叠合楼板。双面叠合墙板和叠合楼板均为板式构件, 宜采用自动化流水线生产, 是符合工业化发展方向的建筑产品。流水线生产能大幅减少人工, 提高生产效率和构件质量。

本课题对双面叠合剪力墙结构的关键技术进行研究, 综合Allplan深化设计软件提出一套深化设计流程如图4所示。

采用网络版的Allplan进行深化设计时, 需配置一个关键用户, 关键用户为项目其他设计人员分配权限, 各设计人员在同一项目组不同的图纸文件中进行独立设计, 实现了项目组内既协同工作又互不影响。

为了保证最后生成图纸的标准化, 如线宽、线型、文字高度与样式、钢筋显示样式等统一, 在建模之前先由关键用户配置选项文件, 其他设计人员只需从工具选项导入配置。同时, 设计人员也可根据个人的工作习惯进行个性化快捷键设置。

建筑模型建立之前先进行项目建筑树形结构的搭建, 同一个项目的所有单体均在同一个楼层管理器 (见图5) 中, 这一步由关键用户完成。关键用户设置好该项目所有户型或单体的层高、层数、板厚等信息, 并按照户型或单体进行任务分配。各设计人员根据关键用户分配的制图文件开始设计, 同一个项目组内所有成员均可协同工作。在Allplan中, 结构楼板的厚度不包含在结构层高内。

建筑树形结构 (见图6) 搭建好之后, 导入二维CAD或者PDF图纸作为三维建模的底图, 提取建筑和结构图纸中的信息, 搭建剪力墙、结构梁、结构楼板、阳台、空调板、楼梯、门窗洞口等构件模型。不同类型的构件可分别在不同的制图文件中建立, 通过楼层组装实现全楼模型的搭建。

三维建筑结构建好之后便形成了带有数据信息 (楼层高度、墙板厚度、门窗洞口、楼板厚度) 的三维模型, 在三维模型上进行预制构件的拆分和设计。实现预制构件自动拆分, 须预先设置好不同构件的拆分原则。预制构件的拆分需综合考虑结构受力、生产工艺、车辆运输、塔式起重机设施、施工工艺、生产及施工效率、工程造价等各因素的影响。

1) 单叶预制墙板板厚 单叶预制墙板厚度应≥50mm, 中间空腔厚度宜≥100mm。单叶预制墙板的厚度与剪力墙总厚度、墙板高度、配筋方式、生产设备有关。根据现有构件生产水平, 墙板总厚度宜≤380mm (见表1) 。

2) 内外叶墙板高差 双面叠合墙板的内叶和外叶墙板高度可以根据项目信息进行灵活设置。内外叶预制墙板高差与室内结构楼板标高、局部区域降板、室外阳台底标高、外立面的造型等因素有关。

3) 尺寸及质量 墙板尺寸受生产线模台宽度和车辆宽度的限制。墙板质量影响现场施工塔式起重机的选型和布置, 过重的预制构件会导致施工措施费成倍增加, 还会增加吊装环节的潜在风险。双面叠合墙板短边尺寸宜≤3.1m, 质量宜≤4t。

4) 连接节点 叠合墙板采用流水线生产而非固定模具, 可进行非标准化设计, 为了提高工程的施工效率, 现场现浇节点需标准化设计。典型的标准化节点如图7所示。

1) 厚度 为了保证吊运和施工阶段的安全性能, 叠合楼板的预制板最低厚度应≥50mm, 对叠合楼板预制板的厚度按照表2进行设置。

2) 宽度 与叠合墙板相同, 其最大宽度受到构件厂生产模台和运输车辆的最大宽度限制。其中, 出筋叠合楼板的宽度是板宽和外伸钢筋长度之和。

3) 质量 根据现场塔式起重机吨位和位置, 设定预制板最大质量标准。

4) 接缝、端部与支承部位搁置长度 根据不同的拼接方式, 设定不同宽度的接缝, 并确保其端部与支承部位有≥10mm的搁置长度。

一键单击预制构件模块中的预制墙板设计按钮, 选择建筑模型中需要预制的剪力墙进行预制构件拆分设计, 具体拆分步骤如下: (1) 确定内外叶预制墙板厚度, 以及内外叶预制墙板混凝土强度; (2) 确定内外叶预制墙板板顶高差, 以及上翻梁造成的预制墙板板底高差; (3) 确定组装方向、构件编号和法则; (4) 设置标准化节点 (L字型、T字型、一字型) ; (5) 拆分预制墙板构件 (见图8) 。

叠合楼板直接在预制模块进行自动拆分设计, 拆分设计步骤为: (1) 确定预制楼板厚度、钢筋桁架高度以及预制楼板混凝土强度; (2) 根据楼板是否有后浇带或密拼, 确定标准板宽, 以及最大构件质量; (3) 确定楼板板端、板侧支承长度; (4) 由楼板是否有后浇带或密拼, 确定板端、板侧是否出筋, 如出筋, 确定出筋长度与弯曲形状; (5) 设置楼板倒角形状 (见表3及图9) 。

预制构件设计好后, 单击元素平面图进行钢筋与预埋件放置。预制板内分布筋、钢筋桁架与吊筋的配置可以通过参数化一键配筋, 梁、柱单元的配筋需采用工程模板进行配置。预制构件中需设置大量预埋件, 包括连接用预埋件、支承用预埋件、起吊用预埋件、脱模用预埋件及管线、线盒等, 为了提高深化设计效率, 做好预埋件族库的建立与分类是非常重要的工作。

为实现标准化出图及方便设计人员选用, 宝业集团股份有限公司对预埋件族库按照类别进行了整理和建立, 如图10所示。

设计人员单击元素平面图可自动生成构件深化设计图纸。有别于传统CAD绘制的二维图纸, Allplan自动生成的图纸和模型动态链接, 一旦模型数据发生修改, 与其关联的所有图纸都将自动更新, 最后通过“批处理的元素平面图”命令导出不同格式的图纸 (如PDF, DXF, DWG等) 。

Allplan还能够分别以不同的格式为用户快速创建所需的物料清单, 如构件清单、单个构件物料清单、工厂钢筋加工下料单, 也可以按照楼号或地块来创建物料清单汇总表单等。对于物料清单的导出格式, 用户可以在模板的基础上进行自定义设置。Allplan软件导出的清单格式如表4所示。

深化设计完成后, 将设计模型输出为unitechnik格式文件, 导入构件生产企业生产管理系统进行排产, 实现数据在设计端与生产端的无缝传输。

装配式建筑的建造不是“传统现浇+装配化”, 更不是把现场现浇搬到工厂现浇, 行业的升级必然会朝着智能生产迈进。本文从符合工业化发展方向的双面叠合剪力墙结构体系出发, 探索了该体系的深化设计流程。目前很多设计单位依然采用传统的平面CAD拆分模式进行装配式建筑设计, 已不能满足产业需要。基于BIM模式的装配式设计理念, 把各专业的需求集成, 数据和信息传递到下游产业链, 保证了预制构件从设计端开始到构件生产信息的可追溯性, 是一种值得积极推广的设计模式。