BIM技术在装配式混凝土结构深化设计中的应用

2020-12-16何晓宇

土木建筑工程信息技术 2020年4期

李伟程琳何晓宇

(1.长春工程学院，长春 130021； 2.中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

引言

随着时代的发展，装配式建筑趋于多样化、复杂化，传统的装配式设计面临着极大的挑战。它的设计成果由二维图纸呈现，无法对构件连接节点中钢筋位置、锚固长度及连接方式进行详细设计，且缺乏三维可视化功能，不能直观地表达连接节点的构造，无法精准地指导施工[1]。而信息化技术的高速进步给工程建设行业带来的益处正逐渐凸显，利用BIM技术对装配式混凝土结构进行深化设计，不仅可以利用BIM标准化设计构件连接节点的连接方式，对构件钢筋进行排布，还可以利用BIM模型的可视化解决钢筋碰撞、埋件干涉的问题，利用BIM软件创建模拟施工吊装工序，选取最优方案，避免在施工过程中出现吊装顺序混乱的问题，使经过深化设计的图纸及方案更具可实施性。因此在装配式混凝土结构的设计中引入BIM技术是必要而紧迫的。

目前BIM技术在装配式混凝土结构设计中的应用常常体现在预制构件模型资源库的构建、信息的集成与共享、构件的拆分设计以及深化设计等[2]。但是BIM技术在装配式混凝土结构深化设计中的应用研究方面还不够全面深入，应用案例尚少，仅提供了一些简单的解决方案和发展方向，也未能形成系统的应用思路。

基于此，本论文深入挖掘BIM技术在装配式混凝土结构深化设计中的应用，以实际项目为依托，为BIM技术在装配式混凝土结构工程中的应用提供实例，构建基于BIM技术的装配式混凝土结构深化设计应用思路，为传统装配式混凝土结构设计中出现的问题提供解决思路和方法。有助于装配式混凝土结构优化设计、提高施工效率与质量以及BIM技术在装配式混凝土结构深化设计中的推广应用。

1 装配式混凝土结构深化设计的内容

深化设计是指在遵守国家规范的前提下，在原设计方案、施工图纸基础上，结合项目实际情况，对图纸进行完善、补充，使图纸达到能够准确指导施工的要求，并通过按图施工使工程符合质量标准[3]。

装配式混凝土结构的深化设计主要为构件生产、施工安装等进行服务，深化设计的内容主要包括钢筋深化设计、预埋预留深化设计、构件连接节点深化设计、安装模拟深化设计。

2 应用案例

2.1 工程概况

本工程为沈阳市汪河路项目，工程项目的使用类型为住宅，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7级。本工程一期共6栋装配式住宅，采用剪力墙结构体系，其中单栋装配式混凝土结构建筑高度92.15m，层数为31层，建筑面积为13 533.7m2。主要装配式构件为预制墙、预制楼板与预制楼梯。标准层预制墙52块，预制楼板34块，预制楼梯4块。

2.2 BIM技术在钢筋深化设计中的应用

(1)钢筋排布

利用BIM技术对混凝土预制件进行钢筋排布时，需创建混凝土预制件三维模型，根据设计图纸的要求对构件中钢筋进行布设。在Revit中载入需要的钢筋形状，按照设计标准放置钢筋，对钢筋弯锚方向及锚固长度进行深化设计，实现三维可视化环境下混凝土预制件钢筋深化设计。本工程对叠合板中钢筋进行深化设计时，首先构建预制板形状模型，该预制叠合板构件尺寸为3 830×2 475mm，厚度为60mm，材质为C30混凝土。为连接叠合板预制层与现浇层混凝土，使构件达到在运输、安装及使用过程中防止构件开裂的刚度要求，该叠合板布置5根桁架钢筋，间距为500mm，桁架钢筋露出叠合板外37mm。桁架上弦筋规格为C10，桁架腹杆钢筋规格为A6，桁架下弦筋规格为C10，间距100mm，桁架钢筋焊接成型。利用Revit软件创建预制叠合板深化设计三维模型，对叠合板钢筋位置进行排布，检查钢筋排布是否合理，有无交叉。

图1 预制板中钢筋明细表

图2 预制叠合板三维模型

(2)钢筋碰撞检查

建筑工程中钢筋数量多，形状各异，钢筋的排布形式密集交错，难免会出现“钢筋打架”的地方。尤其在对预制构件中的钢筋进行排布时，就会容易忽略预制构件与现浇部分连接节点钢筋位置是否会发生碰撞。因此，利用BIM软件进行建筑、钢筋模型构建后，可通过Tekla Structures中的自带碰撞校核管理器来检查钢筋，碰撞检查完成后，管理器对话框便会将所有碰撞的位置全部列出，便可根据碰撞检查结果进行检查修改。利用BIM软件检查出预制墙中水平筋与现浇部分竖向钢筋碰撞如图3所示。

2.3 BIM技术在预留预埋深化设计中的应用

装配式建筑设计中需要将构件做好预留和预埋设计，每个环节的设计工作都非常复杂，若是对其中的某个环节不重视就会产生相应的矛盾，使得建筑设计效率不是很高，从而对装配式建筑的设计效果有着很大的影响[4]。

(1)管道预留孔洞

管道预留孔洞主要集中于厨房卫生间位置预制叠合板中[5]，为了防止因管道穿过楼板引起的现场二次开凿，本工程在预制叠合板给排水预留孔洞深化设计时，结合给排水管道施工图，考虑管道布设位置、管径、出管方式等因素，利用Revit软件建立工程三维模型，将创建好的土建、钢筋、机电模型在BIM软件中进行整合，采用三维开洞技术，确定孔洞布设位置及孔洞直径，还可导出图表明确表达出每个预制构件的开孔情况如图4所示。

图3 预制墙与现浇部分钢筋节点BIM模型

图4 预制板预留洞口

预制构件中孔洞形状及位置也会对构件中钢筋布设的位置产生影响，在三维模型中便可直观地发现预留位置与钢筋敷设的冲突，可及时在BIM软件中做出相应调整。图5为某预制板中管道预留孔洞深化设计前后对比图，预制板中管道预留孔洞与钢筋排布位置发生了冲突，深化设计时修改钢筋形状对管道预留孔洞进行避让，避免施工时管道安装与钢筋发生碰撞。

(a)深化设计前 (b)深化设计后图5 预制板中管道预留孔洞深化设计

(2)预埋件

由于混凝土预制件本身截面尺寸的限制，使混凝土预制件中预埋件的深化设计要求更为精确，一旦设计完成加工制作，预埋件位置便已确定，不可随意变动。故对于预埋线盒，高度及预埋深度应合理布置，避免预制层覆盖线盒进出线口导致后期无法进行线缆穿设[6]。深化设计时还需根据机电设计图纸及装饰装修深化图纸进行定位确定预埋线盒敷设位置，实现电气管线后续施工的接驳。

在装配式建筑进行模块化设计之后，将采用MEP及Magicad等设备建模软件搭建的电气专业模型导入结构构件模型中，再通过模型互导的方式，将其转入Tekla Structures中，根据专业人员给出的具体要求，确定模型中线盒位置。本工程某个预制内墙中预埋螺母、预留穿孔、预埋线盒及预埋管槽布设位置三维模型如图6、图7所示。

图6 预制墙中预留槽与钢筋位置深化图

对预制墙进行深化设计时，需要预埋斜撑套筒，并在平面布置图中布置斜撑埋件，现场施工时要根据平面布置图先在板中预埋斜撑埋件，再吊装预制墙。在二维图纸中不能直观反映斜撑与埋件连接情况，若预制墙中斜撑套筒位置与平面布置图中斜撑埋件中位置出现偏差，现场施工时斜撑套筒与斜撑埋件便无法连接。利用BIM软件绘制三维模型，可以检查斜撑与埋件位置是否能够对应，出现偏差时调整斜撑位置，便于施工安装。基于BIM模型的斜撑连接位置图如图8所示。

图7 预制墙预埋件布置三维模型

图8 基于BIM模型的斜撑连接位置图

2.4 BIM技术在构件连接节点深化设计中的应用

在实际工程中，连接节点的准确直接关系到结构的正常使用和安全可靠[7]。传统二维图纸无法细致地表达复杂节点的连接方式，利用BIM技术可对连接节点中钢筋的锚固长度、连接方式、搭接位置进行深化设计，创建构件连接节点三维模型，可直观地展现各个构件的连接情况，便于施工[8]。根据项目施工实际情况以及施工图中混凝土预制件外形尺寸及配筋，参照装配式混凝土结构连接节点构造图集，在Revit中创建构件连接节点三维模型，对构件连接节点中钢筋形状、锚固方式及构件连接位置进行深化设计。

(1)预制楼梯连接节点

本工程预制梯段与梯梁之间的连接节点采用高端支承为固定铰支座，低端支承为滑动铰支座的连接形式，楼梯梯段应设有预留孔预留C级螺栓与梯梁连接，在螺栓下端设钢筋锚固板，并设置孔边加强筋，梯段与梯梁水平缝隙之间铺设水泥砂浆，高端梯段与梯梁垂直缝隙之间进行聚苯板填充，低端梯段与梯梁垂直缝隙之间不填充材料[9]。预制楼梯连接节点深化设计如图9、图10所示。

图9 预制梯段与梯梁高端连接节点

图10 预制梯段与梯梁低端连接节点

(2)剪力墙与叠合板连接节点

剪力墙与叠合板节点连接有多种形式，本文重点介绍本工程预制板无外伸板底纵筋的中间层剪力墙中间支座的预制板与墙体的连接节点。预制构件连接时需添加直径为A8的通长构造钢筋，间距为300mm，并设置板底连接纵筋与水平后浇带纵向钢筋，其剪力墙中竖向钢筋采用的连接形式为钢筋套筒灌浆连接。剪力墙与叠合板连接节点深化设计如图11所示。

2.5 BIM技术在安装模拟中的应用

装配式混凝土结构在施工中存在混凝土预制件数量多、工序交叉多、安装精度高、工序衔接紧等施工难点[10]。利用BIM技术进行混凝土预制件吊装模拟施工，在BIM软件中进行场景渲染布置和吊装动画模拟，创建接近真实的施工环境，实现不同吊装施工方案仿真模拟，施工单位可以根据模拟结果选取最优施工组织方案，还可利用BIM可视化更好地使现场施工工人了解吊装工序，避免施工时出现吊装顺序错乱的问题。基于BIM的虚拟施工流程图如图12所示。

图11 剪力墙预制叠合板连接节点

图12 基于BIM的虚拟施工流程图

(1)预制板吊装模拟

为保证工程施工安装顺利进行，利用BIM软件模拟混凝土预制件吊装施工顺序。在Revit软件中创建模型，将导出的.dwf文件导入到Navisworks中进行动画制作。采用集合管理命令，对预制叠合板及其他辅助工具创建集合，采用Animator创建场景，对创建的集合制作动画集。叠合板起吊时，要尽可能减小在非预应力方向因自重产生的弯矩，进行吊装时吊点应均匀受力，保证构件平稳吊装，在距吊装位置1.5m时，调整叠合板的位置。预制板吊装模拟施工如图13所示。

图13 预制板吊装模拟施工

(2)预制墙吊装模拟

预制墙的吊装模拟，采用Revit软件对模型进行拼装完成后。将导出的.dwf文件导入到Navisworks中，开始制作施工模拟动画。选取要吊装的墙板，创建相应集合，采用Animator创建场景，以选中的集合为基本单位创作动画集。在距板1m时，缓慢下降，注意连接钢筋与外墙板下放孔洞是否对齐，对准后将预制外墙缓慢下降直至完全就位。创建斜支撑动画集，以板就位的时间点为斜支撑出现的起点制作动画。预制墙板吊装模拟施工如图14所示。

图14 预制楼梯吊装模拟施工

3 基于BIM技术的深化设计与传统深化设计对比优势分析

传统装配式混凝土结构深化设计只能在二维图纸上进行，设计单位对预制构件进行深化设计时都会存在钢筋位置与线盒埋件的碰撞、与构件生产、施工工艺不符等状况。施工单位与构件厂商都会对设计图纸进行审核，由于装配式混凝土建筑是预制构件与现浇混凝土的结合，施工单位拿到预制构件深化设计图纸进行审核时，预制构件与现浇部分节点位置的错碰漏缺、斜撑埋件的碰撞等问题也不能直观表达，审图难免会出现漏洞。而根据这些图纸生产出来的构件必将存在一些问题，如果这些问题在构件施工安装时才会被发现，便要导致重新修改设计，重新生产安装的问题。但基于BIM技术的装配式混凝土结构深化设计利用BIM技术的可视化、协同化、模拟性等优势便可解决传统深化设计所面临的问题，进一步降低设计误差，提高设计的准确率，为后续混凝土预制件的生产及装配式建筑施工提供质量保障。