基于BIM技术的上海某项目装配式设计

2018-11-10DingHong恽燕春YunYanchun袁华江YuanHuajiang

住宅科技 2018年3期

丁泓 Ding Hong 恽燕春 Yun Yanchun 袁华江 Yuan Huajiang

1 工程概况

上海市青浦区青浦新城63A-03A地块爱多邦项目，是全国装配式建筑科技示范项目、全国建筑业绿色施工示范项目、上海市装配式建筑示范工程及上海市工业化科研的示范工程。项目位于上海市青浦新城东部，总建筑面积83 218.35m2，其中地上建筑面积56 917.49m2，包括8栋装配式住宅和1栋商业楼，100%采用装配式结构，项目单体混凝土预制率≥45%。

该项目主要拥有四大技术特点：①创新的结构体系，包含双面叠合剪力墙、全预制套筒剪力墙和预制预应力框架三大PC结构体系，且地下室外墙采用双面叠合预制墙板；②集成化的技术应用，即工业化外装、工业化内装，如商业楼就是轻钢外围护外墙体系和PC预制预应力框架结构的集成化建筑；③先进的工艺工法，包括装配式铝膜、爬升式平台、大空间可变房型和预应力等；④信息化的管理模式，主要包括基于BIM信息平台的智能化生产、4D模拟施工和信息化运维管理。特别是项目充分利用BIM信息化管理平台协调业主、设计、生产、物流和施工各方，极大地提高建造效率和建筑质量，是上海地区采用EPC施工总承包模式的示范工程。

本文将以8#楼为例，着重介绍其装配式结构设计。采用全预制套筒剪力墙结构体系，楼高51.6m；地上17层，建筑面积为10 980.21m2；地下1层，建筑面积为1 125.60m2。抗震设防烈度7度（0.1g），设计地震分组为第一组；抗震设防类别为丙类，剪力墙抗震等级三级。根据《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1—2014）相关规定，剪力墙结构底部加强区宜现浇，因此，8#楼底部两层为现浇混凝土结构，3层以上为装配式结构，装配式结构部件有全预制剪力墙、叠合楼板、叠合梁、预制楼梯、叠合阳台板和预制空调板，单体预制率55%。

2 体系简介

全预制套筒剪力墙结构是国内较早应用的装配式结构体系，采用剪力墙身整体预制，上下预制墙体通过灌浆套筒连接，水平预制墙体则采用预留外伸筋锚入现浇边缘构件的连接方式，达到建筑整体结构稳定，并满足相应抗震要求。

当前，该结构体系在国内的应用已十分广泛，各大院校连同企业进行了一系列全预制套筒剪力墙的相关试验，以验证各种状况下结构的抗震性和稳定性。基于试验结论，国家规范及行业规范也相继出台，对装配式结构设计进行有效指导和规范。目前，北京、上海、深圳等地均已建成相当规模的该体系装配式建筑，装配式结构设计也趋于成熟，细节设计逐步完善。

但是，大部分全预制套筒剪力墙结构的装配式设计仍然处于二维设计阶段，BIM技术仅仅运用于模拟建筑整体三维效果及节点连接，而未能将BIM技术真正体现在构件设计、生产和施工的衔接中，导致装配式结构的设计质量、设计效率以及设计周期均无法得到保证。

3 基于BIM技术装配式设计

装配式结构设计主要是指预制构件的拆分及构件之间的连接设计，需要对装配式建筑生产、运输、吊装施工进行全流程的考量。若仅从结构设计角度出发，形成的装配式设计成果往往造成后续工作不可控，易出错，易返工。因此，基于BIM技术，结合建筑全流程工艺工法，是装配式设计的必要手段。本文将主要针对剪力墙节点连接、叠合楼板连接以及预制楼梯间的装配式设计进行阐述。

3.1 剪力墙节点设计

根据现行国家标准，相邻预制剪力墙之间的边缘构件宜采用后浇混凝土（图1）。但是，基于对现有在建项目的实地考察和研究，边缘构件的施工质量并不理想，附加连接钢筋的放置与设计要求存在较大偏差，且施工效率低下。

鉴于此，本项目8#楼的剪力墙节点设计采用了全预制节点方式（图2），即将施工难度大且质量无法把控的边缘构件移至工厂生产，以保证节点区构件质量，而施工现场仅需要在剪力墙身躯进行简单的一字型后浇连接，施工效率和质量大大提高。

在装配式设计阶段，基于BIM技术进行全预制节点连接设计。根据规范要求，可视化预制边缘构件设计包括灌浆套筒布置、套筒钢筋及箍筋设计，并精确设计外伸钢筋长度和高度，保证其在同一水平面，便于现场施工附加箍筋的放置绑扎，同时用于指导此节点的施工工艺和流程（图3）。基于BIM技术产生的构件数据直接传递至工厂中控端，因此，包括构件尺寸、钢筋清单、预埋件清单、构件加工图等，实现了设计到生产的数据无缝对接。

图1 全预制套筒剪力墙L型节点连接大样图

图2 8#楼剪力墙L型连接节点图

图3 基于BIM技术L型节点设计图

3.2 叠合楼板连接设计

现有叠合楼板连接方式分为两类，一类为后浇型，另一类为密拼方式。国内较常见的设计方式是如图4所示的后浇型，整体性能较好，但同样存在施工较繁琐的缺点，需要大量的拼缝模板，且施工质量难以控制。

本项目8#楼从设计理念到设计方法，都是基于工业化可变房型住宅考虑，减少室内剪力墙的布置，达到室内空间最大化和灵活化，因而叠合楼板的跨度也较大，楼板总厚度达到180mm。根据设计规范并结合工厂生产、现场施工便捷性，叠合楼板拼缝设计为密拼型，参考国内密拼型楼板相关节点图集，同时结合德国的试验研究成果，优化密拼型节点连接，通过每边双排桁架钢筋的设置来约束附加板底连接钢筋，保证结构整体安全性（图5）。

同样，基于BIM技术设计密拼型叠合楼板（图6），以保证拼缝处桁架钢筋间距符合设计要求，并通过BIM系统将叠合楼板设计数据至工厂端口进行自动化生产，既提高了设计和生产效率，也优化了施工流程。

3.3 预制楼梯间设计

本项目设计为单层双跑楼梯，其楼梯间休息平台与标准层楼板、楼梯间外墙与标准层墙板存在错层关系，因此，在装配式设计过程中，合理的构件拆分及现场吊装流程是需要考虑的关键因素。

图7为楼梯间平面拆分结构布置图，平面拆分依然按照章节2.1的方式，采用边缘构件与剪力墙整体预制方式，连接节点设计为500mm现浇平直段。

图8为楼梯间左视图，可以看出，其楼梯间外墙PCQ23与楼梯侧墙PCQ2为错层布置。如此布置方式主要有两方面好处：①保证了PCQ23中窗户的整体性，避免因为窗户一拆为二导致的立面效果及窗户拼缝漏水隐患；②PCQ23在楼梯休息平台处连接，与楼板、边缘构件一同浇筑，整体性好，且施工难度降低，防水性能好。

在现场安装阶段，本项目斜撑布置如图9所示。外墙PCQ23支撑于休息平台上，楼梯侧墙PCQ2/PCQ3上部互撑于下层墙板，下部通过角钢限制其横向位移，形成稳定的三角形结构。

稳定状态下，由风力产生的斜支撑承载力应满足如下设计承载力：

式中，Geq—全预制套筒剪力墙等效自重，动力系数取1.2；

图4 后浇型叠合楼板连接节点图

图5 8#楼密拼型叠合楼板连接节点图

图6 基于BIM技术叠合楼板拼缝连接节点图

图7 楼梯间平面拆分结构布置图

图8 楼梯间左视图（套筒仅为示意）

Fw—作用于剪力墙水平方向的风力；

T—斜支撑承载力设计值；

θ—斜支撑与剪力墙的夹角；

b—剪力墙厚度；

e—剪力墙重心与支点距离。

根据计算得出的斜支撑承载力，进一步复核斜支撑固定埋件的安全性。

此外，结合BIM三维施工模拟，分析预制墙板、预制楼梯、预制休息平台的吊装方案，指导施工有序进行，避免因预制构件吊装顺序抑或支撑方式错误而导致无法正常施工（图10、11）。

4 创新技术

此项目8#楼从实际工程应用出发，率先采用多种新型技术，在简化设计和保证结构性能的前提下，大大提高了施工效率。

4.1 钢丝绳连接环设计

钢丝绳连接环是由高强度钢丝绳和镀锌薄钢板金属盒制作而成，通常用于墙体间的连接，通过钢丝绳和混凝土抗剪键，把水平力从一个构件传到另一个构件（图12）。

由于钢丝环连接设计为弱连接，无法在剪力墙中应用，因此，针对此项目结构设计，在不影响剪力墙的情况下，应用于填充墙的连接中，以提高项目工业化程度。对本项目某一墙板的原设计连接节点（图13）进行优化后，形成如图14所示的新型连接节点，其L型转角边缘构件预制，与其相连的外围护填充墙预制。采用此连接方式避免了原设计的钢筋绑扎、螺栓连接及模板支设，节省了设计、生产、施工等各环节的工作量。