新型装配式混凝土建筑标准化设计技术研究

张金丹

(贺州学院建筑与电气工程学院 广西 贺州 542899)

装配式混凝土结构是一种快速高效、低耗环保、可工业化的建筑形式,在国内外得到快速发展和应用[1-2]。装配式建筑把整体建筑拆分成部件,进行模块化设计,工厂完成叠合板、叠合梁、柱、剪力墙等构件的制作,再运输至施工现场进行拼接和组装。整体的建造主要包括设计、生产、运输、安装和装饰。但在实践应用过程中,建造的各个过程都存在一些问题,阻碍了装配式建筑的发展。如在设计阶段针对不同的项目很难做到标准化、模数化设计,在构件生产阶段台模的使用效率不高,在输运阶段预制构件伸出的钢筋容易弯折、变形,甚至导致混凝土破损、缺角,影响外观和质量[3]。在安装和装饰阶段问题更加严重,为达到“等同现浇”的设计理念,通过预留钢筋后浇带现浇混凝土,但不同的预制构件钢筋的预留很容易导致钢筋碰撞问题,特别是节点区域。总的说来最主要的原因就是装配式建筑标准化程度不高,导致装配式建筑在实践的过程中受到阻碍出现种种问题。因此本文提出建筑设计与结构拆分一体化设计以及基于BIM技术的装配式建筑一体化设计来实现新型装配式混凝土建筑的标准化设计。

1 建筑设计与结构拆分一体化设计

1.1 建筑平面设计与结构拆分一体化设计

装配式建筑设计不同于现浇结构,装配式混凝土建筑设计不仅要适应我国各地建筑使用功能的要求,同时也要满足工业化建造的要求,以“少规格、多组合”的原则,遵循模数协调标准,进行标准化、模块化、集成化的建筑设计。

在建筑方案设计阶段就应考虑后期深化设计阶段,便于结构拆分,对结构构件进行标准化设计。如建筑平面X和Y方向可选取相同的轴网尺寸,保证叠合梁构件长度和宽度尺寸一致,可设计不同的梁高,减少钢筋碰撞,方便施工吊装,并且可在结构设计时再对配筋、构造相近的叠合梁构件进行归并,进一步减少叠合梁构件尺寸;柱尺寸可根据轴网尺寸选取相同的经济尺寸;板构件的设置也尽可能保证板长宽方向的尺寸相同,即次梁轴线的划分不一定按主梁长度进行等分,而是考虑使区间内的板宽尺寸相同来确定次梁轴线。

确定好轴网尺寸后,平面设计再根据房间不同的使用功能在开间不变的基础上,进深以基本模数100mm或其他模数进行延伸扩展,确定多种基本平面形状进行多样化组合,形成不同的个性化平面。

1.2 建筑立面设计结构拆分一体化设计

装配式混凝土建筑立面设计不仅要满足建筑美观、经济、多样化等需求。同时根据装配式建筑的特点,建筑外立面造型变化不宜过多,可通过将灵活可变的元素融入标准化设计中,再通过不同组合及做法,创造丰富的立面形式。

如对于框架结构体系的装配式建筑,由于外墙不承重,空间布置可以更灵活,其建筑外立面设计更具创意性。可利用预制梁和预制柱,形成方格网立面;或采用梁凸出,柱子凹入,强调横向线条;也可以采用柱子凸出,梁凹入,强调竖向线条等;通过构件位置的变化,呈现不同的建筑风格。对于采用剪力墙结构体系的建筑外立面,由于外墙是结构墙体,建筑师可发挥的空间较小。但设计师可通过调整剪力墙板的质感,颜色,分隔缝等,或采用预制飘窗以及一体化面砖等手法丰富立面造型。

一般来说对装配式混凝土建筑立面设计,应避免设计大量的装饰性构件,尤其应避免设计与建筑不同寿命的装饰性构件,减少建筑后期运维成本,以节约造价,缩短工期。同时基于装配式建筑的特点,混凝土预制构件的外形不惧复杂,只恐重复率不高,因此建筑的外墙、阳台板、空调板、外窗、遮阳设施及装饰等部品部件宜进行标准化设计,将这些具有建筑功能的立面构件,通过单元组合、色彩搭配、交错设置等方式,形成丰富多样的立面造型,兼顾建筑效果与使用功能的统一。

2 BIM技术在装配式建筑一体化设计中的应用

产业化是建筑业发展的必然趋势,而装配式建筑是实现建筑工业化和产业化的重要手段,可以促进建筑业加速转型升级。发展建筑工业化,离不开建筑信息化,为实现工业化和信息化的深度融合,将BIM技术应用于装配式建筑进行一体化设计,实现建筑的信息化与工业化,是建筑业发展的大趋势[4]。

2.1 基于BIM技术标准化设计

标准化设计是装配式建筑的核心原则,是实现装配式建筑品质提升、提高效益效率和节约工期的重要方法和措施。而要实现标准化设计,就要转变传统的设计思路。传统装配式建筑“先整体分析后拆分设计”的设计思路常带来预制构件的种类繁多的问题,使设计的构件与工厂生产的构件不匹配,进而导致设计返工增多。因此基于BIM技术的标准化设计的核心是建立预制构件库,项目所需的绝大部分构件可直接从预制构件库中选取,无需自行设计,并且预制构件库中的构件与工厂生产模具相匹配,可以批量生产直接使用,从而大大提高装配式建筑的设计和工厂生产效率。

在预制构件信息库的基础上,再协同各专业进行模块化设计和深化设计。建筑、结构、机电设备和装修专业等各专业的设计师从建筑标准化、系列化的构件库中选择相互匹配的构件或部品部件等模块来组建模型并进行各自设计流程的协同,这样不仅能提高建模的标准化程度和效率。同时通过协同工作,不断丰富BIM模型信息,最终形成集成各专业设计信息的综合设计模型。并且BIM技术具有冲突检测的功能,能够智能检测设计模型中存在的“错、漏、碰、缺”等冲突,各专业设计人员可以及时纠正设计中的冲突,降低设计失误率,真正提高装配式建筑的设计效率。

2.2 基于BIM技术自动化生产

装配式预制构件工程生产是装配式建筑特有的环节,针对装配式预制构件生产,基于BIM可视化、参数化等技术可实现构件的自动化加工,提高预制构件的生产质量和效率。即设计人员与预制构件生产厂家对模型中相关信息进行共享,直接获取模型中构件的尺寸、材料、构件的钢筋等级等参数信息。再通过计算机等技术与生产设备相连,把相应模型信息导入控制系统,即可完成对预制装配式建筑构件的自动化生产和加工。基于BIM技术实现设计与生产之间的信息共享,整个过程能实现自动化、无纸化生产,不仅极大极高生产效率,同时节约工人的劳动成本,降低造价。

2.3 基于BIM技术装配化施工

装配式不同于现浇结构的另一个显著特点是装配式建筑构件在工厂生产完后再运输到现场进行装配式。基于BIM技术的装配化施工,将前面协同各专业所建的BIM模型转化成实体建筑,即以BIM模型为载体,将现场装配信息同设计信息以及工厂生产信息进行共享与集成,将现场装配和虚拟装配有效结合,指导构件的生产、运输以及在现场实现合理装配。

基于BIM技术的装配化施工主要包括二个方面:①建立模拟施工现场的BIM模型,通过模型分析各项安全影响因素,建立施工现场的平面布置图,划分运行道路和相应的功能区,并不断优化,最终达到能直观地反应施工现场的状况,并根据施工现场状况进行构件的运输和装配。②进行施工模拟,对项目施工的全过程先进行虚拟可视化三维预演,特别是对于施工中安装比较复杂的部位和影响结构整体性的关键部位,可先对其安装过程进行动态模拟,找出可能存在的碰撞矛盾问题,再解决优化,保证实际施工现场装配的可行性和安全性,同时对于复杂或关键部分的技术交底,无法直接表述,也可通过三维可视化进行。

2.4 基于BIM技术一体化装修

基于BIM技术标准化设计的基础上,将生产好的部品部件,包括机电设备(管线)、墙地面饰面、集成厨房及卫生间、模块化家具及所需要的组件等,运到现场按照标准化程序进行选择、组合、安装,称之为基于BIM技术的一体化装修。在装配式建筑的建造过程中,一体化装修与装配式主体结构、机电设备等系统同时进行标准化设计、同步施工。

基于BIM技术的一体化装修,装修所需要的部品部件以及模块化家具的信息都需要集中在BIM模型中,采用单元模块化设计,在标准化设计阶段对生产厂家共享信息,再由工厂进行定制化生产,降低现场制作成本,同时留好通用的装配接口,方便后期现场能进行精准装配。

2.5 基于BIM技术信息化管理

一个建设工程项目的全生命周期包括建设阶段(策划、设计、施工),以及运营阶段(使用、管理、改造)和最后的拆除。基于BIM技术的信息化管理即通过BIM技术整合各个阶段的信息模型,打通各专业的数据和过程,串联设计、生产、施工、装修和管理全过程,服务设计、建设、运维、拆除全生命周期。因此要先建立统一的设计、生产、装配一体化信息管理平台,在统一的信息交互标准下集成各专业软件,保证各环节、各专业、各相关方的信息通过管理平台进行共享与交互,在一体化的信息管理平台下再对工程项目的全生命周期进行协调管理。

综上所述,标准化设计是装配式建筑的核心原则,贯穿设计、生产、施工、装修及管理的各个阶段,通过标准化设计,可充分发挥了装配式建筑工业化的优势。而通过建筑设计与结构拆分一体化设计并结合BIM技术进行标准化设计、自动化生产、装配化施工、一体化装修以及信息化管理来进行标准化设计,可有效提高设计效率,节约成本,促进装配式建筑工业化发展。