王志偉 姜立 崔召鑫

(1. 北京構(gòu)力科技有限公司，北京 100006；2. 西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院，西安 710000)

引言

“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃提出加快智能建造與新型建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展，推廣數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用，大力發(fā)展裝配式建筑，推廣綠色的建造方式。加快推進(jìn)建筑信息模型BIM 技術(shù)在工程全生命周期的集成應(yīng)用，推進(jìn)BIM 與城市信息模型CIM 平臺融通聯(lián)動(dòng)，提高信息化監(jiān)管能力[1]。為打造數(shù)字中國，中國建筑科學(xué)研究院有限公司研發(fā)了自主BIM 平臺BIMBase[2]。2016 年國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》[3]，裝配式建筑（PC, Prefabricated Construction）以三維建模的方式切入傳統(tǒng)行業(yè)，有效推進(jìn)BIM 正向設(shè)計(jì)的發(fā)展。

1 裝配式建筑BIM 正向設(shè)計(jì)概述

從裝配式建筑出發(fā)，對于承重體系構(gòu)件，內(nèi)隔墻和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先考慮具有高標(biāo)準(zhǔn)程度化的預(yù)制構(gòu)件，所以就要求較適用于方正規(guī)則的結(jié)構(gòu)。在項(xiàng)目滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算要求下進(jìn)行構(gòu)件拆分，滿足運(yùn)輸和吊裝的要求下進(jìn)行裝配式計(jì)算，滿足標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行構(gòu)件鋼筋排布，如布置洞口、線盒及止水節(jié)等，并進(jìn)行鋼筋的碰撞避讓處理。將輸出數(shù)據(jù)及圖紙直接對接加工廠生產(chǎn)構(gòu)件，可以計(jì)算出鋼筋和混凝土的含量來控制成本。施工過程可以利用模型指定項(xiàng)目分區(qū)，以及對預(yù)制構(gòu)件的吊裝順序，對預(yù)制構(gòu)件上編碼信息通過模型讀取進(jìn)行施工過程管理。以此進(jìn)行BIM 全程過一體化設(shè)計(jì)，以助力CIM 平臺的建設(shè)[4]。

2 項(xiàng)目基本情況

以三層工業(yè)廠房為例，項(xiàng)目為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目信息如表1 所示。

表1 項(xiàng)目基本信息表

滿足建筑物的計(jì)算指標(biāo)和配筋值后，初步確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸：板厚為130mm；柱斷面尺寸確立700mm×700mm；梁斷面尺寸為300×900mm。結(jié)構(gòu)體型規(guī)則，軸網(wǎng)布置方正，適合從裝配式角度出發(fā)引導(dǎo)BIM 正向設(shè)計(jì)流程。其項(xiàng)目的建筑模型展示如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目的建筑信息模型

在BIMBase 平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，SATWE 參數(shù)調(diào)整結(jié)構(gòu)體系為裝配整體式框架結(jié)構(gòu)體系，《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 JGJ 1-2014 第6.3.1 當(dāng)同一層內(nèi)既有預(yù)制又有現(xiàn)澆抗側(cè)力構(gòu)件時(shí)，地震設(shè)計(jì)狀況下宜對現(xiàn)澆抗側(cè)力構(gòu)件在地震作用下的彎矩和剪力進(jìn)行適當(dāng)放大[5]。引用規(guī)范《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51231－2016 中第5.7.2 條：對同一層內(nèi)既有現(xiàn)澆墻肢也有預(yù)制墻肢的裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆墻肢水平地震作用彎矩、剪力宜乘以不小于1.1 的增大系數(shù)[6]。同時(shí)得到該結(jié)構(gòu)體系的指標(biāo)項(xiàng)均滿足計(jì)算要求，如表2 所示。

表2 項(xiàng)目結(jié)構(gòu)指標(biāo)匯總

3 裝配式設(shè)計(jì)方案

3.1 主體結(jié)構(gòu)方案

按等同現(xiàn)澆原理[7]，計(jì)算結(jié)構(gòu)模型配筋。對項(xiàng)目進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，一共對柱、梁、板、樓梯和空調(diào)板五類結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)，以柱網(wǎng)劃分梁格，方便處理相同布置的梁板柱尺寸，也能從預(yù)制模板考慮復(fù)用率的經(jīng)濟(jì)性。由此確定構(gòu)件拆分布置方案，每類構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化程度均達(dá)到60%，以疊合板為例，全樓匯總的前三種尺寸比例達(dá)到66%，如表3 所示。

表3 預(yù)制疊合板重復(fù)使用率統(tǒng)計(jì)

豎向構(gòu)件主要為柱，預(yù)制混凝土體積/總豎向構(gòu)件體積計(jì)算的實(shí)施比例為44.26%，水平構(gòu)件主要為梁、板、樓梯和空調(diào)板，水平構(gòu)件按投影面積計(jì)算比例為83.26%，結(jié)構(gòu)主體預(yù)制共計(jì)得分41.07 分，滿足最低分值。主體結(jié)構(gòu)拆分模型如圖2 ～圖3 所示。

圖2 PKPM-PC 拆分方案模型

圖3 梁、板、柱預(yù)制構(gòu)件三維展示

3.2 圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻布置方案

確立圍護(hù)墻及圍護(hù)墻保溫、隔熱及裝飾一體化，內(nèi)隔墻及內(nèi)隔墻管線裝修一體化范圍，確定此部分預(yù)制比例。其中非承重圍護(hù)墻非砌筑墻體采用蒸壓輕質(zhì)砂加氣混凝土板材(AAC)計(jì)算比例為82.53%；內(nèi)隔墻非砌筑墻體采用蒸壓輕質(zhì)混凝土板材(ALC)計(jì)算比例為84.22%；同時(shí)應(yīng)用管線、裝修一體化技術(shù)為66.26%。滿足裝配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[8]該項(xiàng)最低分值要求。

3.3 裝修和設(shè)備管線設(shè)計(jì)方案

裝修與設(shè)備管線比例：主要為全裝修，干式工法工藝，集成廚衛(wèi)與管線分離。地上部分均采用全裝修，在房屋交付前，房間內(nèi)各固定面均已粉刷完畢，各房間基本設(shè)備完善，功能完備。

（1）以全裝修以衛(wèi)生間為例，裝修情況如表4 所示；

表4 衛(wèi)生間全裝修情況

（2）干式工法樓面、地面主要采用地磚面層，做法如下：

①15mm 厚膠粘地磚；

②10mm 厚高強(qiáng)水泥纖維板；

③55 厚預(yù)制溝槽保溫板，內(nèi)嵌地暖管處開槽20mm；

④1.5 厚聚氨酯防水涂料兩遍四周沿墻上返300mm；

⑤打釘子固定模塊；

⑥預(yù)制裝配樓板/鋼筋混凝土樓地面（整理干凈,表面平整度尺寸允許偏差≤5mm）。

全項(xiàng)目干式工法工藝比例匯總?cè)绫? 所示；

表5 干式工法比例匯總表

（3）本項(xiàng)目除衛(wèi)生間區(qū)域外，均為干式工法區(qū)域，干式工法地面區(qū)域選用預(yù)制溝槽保溫模塊地面輻射供暖，其他區(qū)域采用常規(guī)濕式鋪法。預(yù)制溝槽保溫板表面帶有固定間距的溝槽，結(jié)合干式工法樓面做法將采暖管線敷設(shè)于預(yù)制溝槽板內(nèi)，實(shí)現(xiàn)管線與結(jié)構(gòu)及墊層的分離，滿足便于檢修和更換的要求。暖通專業(yè)管線分離應(yīng)用比例計(jì)算中各樓層全部采暖管線總長度作為分母，管線分離總長度作為分子，該項(xiàng)目暖通專業(yè)管線分離應(yīng)用比例為94.73%，如圖4 所示。

圖4 設(shè)備管線、管線分類現(xiàn)場圖

3.4 裝配式建筑總評分

綜上所述，各評價(jià)項(xiàng)分值均已滿足計(jì)算要求，考慮地方性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要比國標(biāo)更具有深度，以山東省《裝配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》DB37/T 5127-2018 中表3.0.4 裝配式建筑評分表計(jì)算得到如表6 所示。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)[9]，最終裝配率為71.17%，可以進(jìn)行裝配式建筑評價(jià)等級為一星級裝配式建筑。

表6 裝配式建筑評分表

4 裝配式構(gòu)件深化

預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)各類設(shè)備管線施工圖、建筑圖及精裝圖，同時(shí)應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)要求，對水暖、煙風(fēng)道、燈具和開關(guān)插座等設(shè)置位置進(jìn)行避讓干涉、復(fù)核、比對與優(yōu)化，確定符合其在相應(yīng)預(yù)制構(gòu)件預(yù)留預(yù)埋要求。在PKPM-PC 模型上添加預(yù)留預(yù)埋，可直觀呈現(xiàn)預(yù)埋件與鋼筋等碰撞情況，并合理做出避讓干涉，后期可實(shí)現(xiàn)一鍵導(dǎo)出CAD 圖紙?jiān)攬D，如圖5 ～圖6 所示。通過軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)物料清單BOM 數(shù)據(jù)直接對接工廠，預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖5 鋼筋碰撞調(diào)整

圖6 線盒處鋼筋自動(dòng)避讓

5 裝配式施工方案

施工方案需要綜合考慮社會(huì)環(huán)境影響，資源再回收利用可行性，施工技術(shù)難易程度，經(jīng)濟(jì)造價(jià)是否合理等[10]。該項(xiàng)目預(yù)制構(gòu)件施工階段吊裝方案：項(xiàng)目內(nèi)構(gòu)件從首層開始預(yù)制，應(yīng)用疊合板、預(yù)制空調(diào)板，預(yù)制樓梯、梁和柱，采用裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有預(yù)制外墻板、預(yù)制內(nèi)墻板。塔吊設(shè)置各自的構(gòu)件堆放區(qū)，充分利用推線外的區(qū)域設(shè)置施工加工場地及構(gòu)件堆放場地。預(yù)制構(gòu)件堆放區(qū)設(shè)置位置盡量靠近樓體，且在塔吊回轉(zhuǎn)半徑之內(nèi)，便于構(gòu)件的吊裝。利用BIMBase系列軟件PC-Site 模塊布置塔吊，可以模擬施工吊裝其覆蓋范圍、可吊構(gòu)件的重量，以及對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行吊裝順序指定。同時(shí)還應(yīng)考慮塔吊的附墻桿件及使用后的拆除和運(yùn)輸?shù)龋鐖D7 所示。

圖7 PC-Site 塔吊布置模擬

6 裝配式項(xiàng)目社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

從國家發(fā)展裝配式建筑以來，社會(huì)層面對裝配式產(chǎn)品的爭議一直不斷，主要是因?yàn)榻ㄖ杀镜纳仙硗鈱τ陬A(yù)制構(gòu)件連接處的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)是否真的可以按照等同現(xiàn)澆的結(jié)構(gòu)去進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。在全過程施工階段，裝配式建筑可以有效避免資源浪費(fèi)，比如輔助性的施工設(shè)備少，可以節(jié)能；節(jié)約頂板模板鋼模板，可以節(jié)材；現(xiàn)場建筑廢料揚(yáng)塵少，可以做到綠色施工。

目前在裝配式項(xiàng)目上，鋼筋用量大約增加20%，混凝土也有一定程度增加。但在施工階段，因周期大大縮短所造成的能耗和人工成本會(huì)降低很多，用相應(yīng)的代價(jià)換取更好的產(chǎn)品完成產(chǎn)品升級[11]，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表7 所示。

表7 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

7 結(jié)論

本文以BIMBase 平臺的PKPM-PC 模塊進(jìn)行裝配式正向設(shè)計(jì)研究，得出如下結(jié)論：

（1）發(fā)展裝配式建筑可以平衡人口紅利消失問題，有效解決能耗高、污染重、資源消耗大等社會(huì)問題，可以有效地降低碳排放；

（2）在PC 裝配式建筑采用BIM 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，可以通過對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)算和模擬找到施工裝配方式，形成完整的設(shè)計(jì)、施工和交付運(yùn)營一體化的生產(chǎn)鏈；

（3）應(yīng)用BIM 理念進(jìn)行裝配式建筑設(shè)計(jì)，推進(jìn)BIM 正向設(shè)計(jì)應(yīng)用，同時(shí)也能將模型數(shù)字化，助力國家CIM 平臺建設(shè)。