论装配式混凝土建筑水平构件的深化设计与具体应用

李庆林

(1中非农业投资有限责任公司 北京 100810)(2山东省委党校 济南 250000)

近年来,随着新型城镇化稳健推进,人们生活品质显著提升,社会各界对于建筑品质的要求也越发严格。在建筑产业现代化的驱使下,施工工艺、理念都有所更新。但与此同时,能源、环境压力骤然提升,建筑行业内呈现出激烈竞争的形势。在此背景下,如何推动建筑产业升级和优化,以促进建设走向绿色、环保的科学发展轨道,是建筑领域相关工作者所探究的热点问题。而后以S市XX路某施工项目重点阐述了关于装配式混凝土建筑水平构件深化设计、应用情况。

1 装配式混凝土建筑

1.1 装配式混凝土建筑概念

装配式混凝土建筑(Prefabricated concrete buildings)是新时期下常见的建筑类型,它指以钢筋混凝土预制构件为主,现场装配的方式设计、建造(见图1)。按照其装配类型的差异,又可将其划分成全部装配、部分装配两种[1]。前者主要是用于低层建筑,亦或是对于抗震设防等要求相对较少的多层建筑中;后者常以预制构件为主,在施工现场进行现浇筑混凝土,从而建造成装配结构。此类建筑具有的特点是:施工快、效率高、损耗小、质量佳。

图1 装配式混凝土建筑

1.2 装配式混凝土建筑发展意义

如今,装配式混凝土建筑得以迅猛发展,探究其优势和发展意义,第一,提升施工效率及质量。装配式有着系统化、规范化的特点,能够减少人工操作及其工作强度,还能保障各个构件的质量,整体效率较理想。第二,能减少能源耗损[2]。由于构件实现工厂化,因而各项材料、能源消耗都处于可控制状态,例如电力、材料损耗较少,建筑施工垃圾也大幅度减少。第三,缩短工期,提升劳动效率。由于构件生产、施工同步进行,和传统施工方式比较能明显缩短施工工期,符合新时期下城市化进程的建设需求。

2 水平构件的深化设计

2.1 深化设计原则及内容

深化设计通俗而言,就是在遵守国家规定前提下,对原有的设计方案、施工图纸加以完善、补充,从而使其能达到施工要求,提升工程质量。装配式混凝土建筑进行深化设计时,主要与其构件的生产、施工安装等服务相关,且设计内容涵盖较多,如钢筋、构件连接点、安装模拟等部分[3]。注意在进行深化设计过程中,要满足“少规格,多组合”、“模数协调”的原则,将涉及到各个要素重新整合、优化设计,旨在保障施工质量的同时,也能缩短施工工期;另外要关注到预埋件、细部构造图、钢筋图等维度,以实现提高生产及施工效率的目标。

2.2 深化设计流程

传统设计流程较单一,例如在待立项后进行初步方案、施工图设计,随后进行主体施工即可。与之相较,明显装配式混凝土建筑设计的流程更为精细、全面(如图2所示)。例如在工程立项后,通过技术策划后进行设计优化、深化,进而最终确定设计方案,且该方案后要进行详细的评审工作;同时在设计施工图后,还要结合相关构件加工图的设计情况,两两结合,最终确定施工[4]。

图2 装配式混凝土建筑设计流程

3 装配式混凝土建筑水平构件深化设计应用案例

3.1 工程概况

S市XX路施工项目,使用类型为居民住宅,整个地块呈方形,建筑结构安全等级二级,抗震设防烈度7级,满足JGJ l—2014《装配式混凝土结构技术规程》相关要求。本工程项目1期共计5栋装配式建筑结构,均采取剪力墙结构体系。建筑高度约74.31m,层数25,建筑面积约13520.5m2。主要装配式构件有:预制墙(51块)、预制楼板(32块)、预制楼梯(4块)。

3.2 构件拆分设计

构件的拆分设计,要根据此次S市××路施工项目情况及需求,在设计图纸将可供生产、装配施工的水平构件(以下简称构件)拆分出来。拆分构件类型有:叠合楼板、叠合梁、预制柱等。在拆分时应满足该施工项目预制率需求,选择工业化生产难度相对较低的构件处理,另外,拆分也要综合考虑到后续生产、装配是否便利,保障构件组合分布科学,且具经济性[5]。从调查研究可知,当前构件拆分设计中最常见的问题是:拆分不合理、或节点设计不合理。例如在此项目的构件拆分设计图纸中(图3),由于楼板短边宽度有3.2m,加上出筋后总宽度达3.6m,不利于后期生产及运输。因此要对拆分此水平构件,保障宽度在3.0m内最佳。需要注意的是:上述的“节点”,指预制构件在现场进行拼接的连接点,和钢结构的焊接、机械连接不同,装配式混凝土建筑多采取“分湿式连接”、“干式连接”。由于和传统现浇结构对比较薄弱,因此此节点的选择要在结构受力较小处,或是根据施工技术水平来选择可靠的节点。

图3 构件拆分设计图

3.3 构件详图设计

构件详图设计,可谓是整个深化设计过程中任务最终的环节,也是最为核心的环节,是需要将设计出的图纸转化成生产运用的加工图,对于后期加工、建筑施工都有着最直接的影响。在水平构件的详图设计中,主要要关注到以下五个方面:第一,构件尺寸图。除水平构件的立体图、平面图外,还需要局部放大、剖面图等以便于分析。第二,配筋图。包括水平构件主筋、箍筋、构造筋、附加筋,且均为多个视图。第三,预留预埋的布置图。第四,则是材料清单,主要以钢筋为主。第五,构件详图对应说明。待设计完成后,应将此图纸交由原设计单位审核,避免因人为因素等造成设计疏漏、错误,影响后续施工[6]。以下,主要探究钢筋、预留预埋、构件连接节点结合BIM技术的深化设计:

3.3.1 钢筋深化设计

其一,关于钢筋排布。首先创建出构件的三维模型,根据设计图要求合理布设钢筋。在软件中载入钢筋形状,按标准设计弯锚方向、锚固长度,充分发挥出BIM技术三维可视化的优点。在此次工程项目中,同样借助于Revit软件创建出钢筋的三维模型(如图4),注意模型尺寸要和设计图纸中尺寸吻合,排布其位置后检查是否合理,是否存在交叉。

图4 Revit软件钢筋模型

其二,关于钢筋碰撞检查。为了使建筑具备较高承载力,大多会涉及到钢筋的使用。由于混凝土建筑中钢筋数量众多,且形状各异,难免出现所谓的“钢筋打架”现象。对于水平构件钢筋排布时,可能因为忽略其构件和现浇部位节点的钢筋位置情况,而最终导致和其他竖向的钢筋构件间出现碰撞。在深化设计时,可结合BIM技术构造模型,并通过碰撞校核管理器来检查。检查完毕后软件会将出现碰撞的情况罗列出来,技术人员即可进行根据结果来修改设计方案。

3.3.2 预留预埋深化设计

一方面,关于管道预留孔洞。此洞主要用于厨卫的预制叠合板中,为防止管道穿过楼板进行二次开凿,在设计时应要结合给排水管道分析,考虑到管道布设、直径等方面,构建三维立体模型,并对已经创建好的钢筋等模型加以整合梳理,基于三维开洞技术明确预留洞的直径,并获得对应信息(如图5)。此外,当发现预留位置和钢筋布置发生冲突,在深化设计时要将其调整,避免在施工环节出现碰撞(如图6,为深化设计前、后图示)。另一方面,关于预埋件。在装配式混凝土建筑中,由于构件本身就有截面、尺寸上的标准及要求,它能提高在深化设计环节中,关于预埋件设计的准确性。一旦完成设计后预埋件的位置就已经明确,不可进行随意改动[7]。为此,在深化设计时要综合考虑,根据机电设计图纸、装修深化图分析,通常会借助于MEP、Magicad等建模软件,采取模型互导等方式后再联合技术人员的指导,最终明确预埋位置,避免位置存在误差。

图5 预留洞信息

图6 深化设计前、后示意图

3.3.3 构件连接节点深化设计

如上文所述,在装配式混凝土建筑工程中,关于节点的连接是否准确,和其构件结构的正常运用、安全性都有着密切关联。由于传统二维图纸无法突出节点中的细微之处,因此多结合BIM技术分析。通过创建出构件节点的对应立体模型,能从多个维度展现出其构件连接情况,便于后续工程施工。通常包括两类:

其一,预制楼梯连接节点。在S市××路施工项目中,高端支承为固定铰支座,低端支承为滑动铰支座的连接。楼梯梯段应预留C级螺栓使之与梯梁处连接。而后,在梯段、梯梁水平间隙铺设水泥砂浆,高端梯段和梯梁垂直缝隙中则填充聚苯板。其二,关于剪力墙与叠合板连接的节点。此次工程主要涉及到板无外伸板底纵筋的中间层剪力墙中间支座预制板、墙体的连接。连接时应当结合钢筋,且间距在0.3m左右,最后用钢筋套筒灌浆连接(如图7所示)。

图7 剪力墙预制叠合板连接节点

3.4 运输安装设计

关于构件的装载、运输,需要关注到装车计划、运输架设计、支撑加固设计等,对于门窗框等水平构件,也需落实成品保护设计。对于部分存在长度、宽度、高度超出标准的构件,亦或是其他特殊构件,应当设置对应的专项设计方案,以保护构件,避免在运输、安装的过程中出现变形、破损等情况,影响到构件使用,降低装配式混凝土建筑施工质量。例如针对部分高宽比过大、大开洞的构件,应当考虑进行洞口补强,或是设置斜支撑等等,防止其运输、安装时出现开裂现象[8]。另外,深化设计时应考虑到施工现场装配环境、具体要求等,比如单个构件最大质量要求、运输路线设定、安装顺序等。部分内容可能设计时难以最终确定,实际施工过程中技术人员要和施工方有效沟通,对于上述各设计环节的问题采取优化措施。

4 基于BIM技术深化设计与传统深化设计优势对比

本次研究中,针对S市××路施工项目的深化设计结合了BIM技术,由于此技术具备可视化、协同化等优势,因而能改善传统深化设计中的不足,减少可能存在的设计误差,提高准确率,进而为装配式混凝土建筑的施工、构件生产提供质量保障。BIM技术深化设计与传统深化设计的流程差异如下图8所示。通过此次研究可得出以下结论:(1)深化设计结合BIM技术,能借助其可视化、模拟性、碰撞检测等优势,提高传统设计的效率、准确度,减少设计错误。(2)对于装配式混凝土建筑而言,对其构件进行审核设计,在整个施工、设计过程中都占据核心位置,结合BIM技术后,可避免构件在施工中由于失误而造成的问题,能明显缩短设计工作周期,提高工作效率。(3)虽然BIM技术深化设计优势较多,但仍然存在出图样式不标准等不足,待进一步探索。

图8 传统深化设计和BIM技术深化设计流程对比

综上所述,随着装配式混凝土建筑推进,相关深化设计工作也得到了广泛关注。此次通过以S市XX路施工项目为案例分析,指出了在装配式混凝土建筑水平构件的深化设计中囊括了构件拆分、详图设计、运输安装设计等多种,并详细探究了诸如钢筋、预留预埋、构件连接节点等多个设计重点。在装配式混凝土建筑未来发展中,还需在技术、结构、部品等多个体系上完善,从而加速推动装配式混凝土建筑在质量、施工效率上的发展,创造出更广阔发展前景。