装配式混凝土框架的BIM 正向设计应用探索

王志伟 姜立 崔召鑫

(1. 北京构力科技有限公司，北京 100006；2. 西安建筑科技大学华清学院，西安 710000)

引言

“十四五”建筑业发展规划提出加快智能建造与新型建筑工业化协同发展，推广数字化协同设计应用，大力发展装配式建筑，推广绿色的建造方式。加快推进建筑信息模型BIM 技术在工程全生命周期的集成应用，推进BIM 与城市信息模型CIM 平台融通联动，提高信息化监管能力[1]。为打造数字中国，中国建筑科学研究院有限公司研发了自主BIM 平台BIMBase[2]。2016 年国务院印发《关于大力发展装配式建筑的指导意见》[3]，装配式建筑（PC, Prefabricated Construction）以三维建模的方式切入传统行业，有效推进BIM 正向设计的发展。

1 装配式建筑BIM 正向设计概述

从装配式建筑出发，对于承重体系构件，内隔墙和外围护结构应优先考虑具有高标准程度化的预制构件，所以就要求较适用于方正规则的结构。在项目满足结构计算要求下进行构件拆分，满足运输和吊装的要求下进行装配式计算，满足标准后，进行构件钢筋排布，如布置洞口、线盒及止水节等，并进行钢筋的碰撞避让处理。将输出数据及图纸直接对接加工厂生产构件，可以计算出钢筋和混凝土的含量来控制成本。施工过程可以利用模型指定项目分区，以及对预制构件的吊装顺序，对预制构件上编码信息通过模型读取进行施工过程管理。以此进行BIM 全程过一体化设计，以助力CIM 平台的建设[4]。

2 项目基本情况

以三层工业厂房为例，项目为钢筋混凝土框架结构，项目信息如表1 所示。

表1 项目基本信息表

满足建筑物的计算指标和配筋值后，初步确定结构构件尺寸：板厚为130mm；柱断面尺寸确立700mm×700mm；梁断面尺寸为300×900mm。结构体型规则，轴网布置方正，适合从装配式角度出发引导BIM 正向设计流程。其项目的建筑模型展示如图1所示。

图1 项目的建筑信息模型

在BIMBase 平台进行结构计算分析，SATWE 参数调整结构体系为装配整体式框架结构体系，《装配式混凝土结构技术规程》 JGJ 1-2014 第6.3.1 当同一层内既有预制又有现浇抗侧力构件时，地震设计状况下宜对现浇抗侧力构件在地震作用下的弯矩和剪力进行适当放大[5]。引用规范《装配式混凝土建筑技术标准》GB/T 51231－2016 中第5.7.2 条：对同一层内既有现浇墙肢也有预制墙肢的装配整体式剪力墙结构，现浇墙肢水平地震作用弯矩、剪力宜乘以不小于1.1 的增大系数[6]。同时得到该结构体系的指标项均满足计算要求，如表2 所示。

表2 项目结构指标汇总

3 装配式设计方案

3.1 主体结构方案

按等同现浇原理[7]，计算结构模型配筋。对项目进行标准化设计，一共对柱、梁、板、楼梯和空调板五类结构构件进行拆分设计，以柱网划分梁格，方便处理相同布置的梁板柱尺寸，也能从预制模板考虑复用率的经济性。由此确定构件拆分布置方案，每类构件的标准化程度均达到60%，以叠合板为例，全楼汇总的前三种尺寸比例达到66%，如表3 所示。

表3 预制叠合板重复使用率统计

竖向构件主要为柱，预制混凝土体积/总竖向构件体积计算的实施比例为44.26%，水平构件主要为梁、板、楼梯和空调板，水平构件按投影面积计算比例为83.26%，结构主体预制共计得分41.07 分，满足最低分值。主体结构拆分模型如图2 ～图3 所示。

图2 PKPM-PC 拆分方案模型

图3 梁、板、柱预制构件三维展示

3.2 围护墙和内隔墙布置方案

确立围护墙及围护墙保温、隔热及装饰一体化，内隔墙及内隔墙管线装修一体化范围，确定此部分预制比例。其中非承重围护墙非砌筑墙体采用蒸压轻质砂加气混凝土板材(AAC)计算比例为82.53%；内隔墙非砌筑墙体采用蒸压轻质混凝土板材(ALC)计算比例为84.22%；同时应用管线、装修一体化技术为66.26%。满足装配式建筑评价标准[8]该项最低分值要求。

3.3 装修和设备管线设计方案

装修与设备管线比例：主要为全装修，干式工法工艺，集成厨卫与管线分离。地上部分均采用全装修，在房屋交付前，房间内各固定面均已粉刷完毕，各房间基本设备完善，功能完备。

（1）以全装修以卫生间为例，装修情况如表4 所示；

表4 卫生间全装修情况

（2）干式工法楼面、地面主要采用地砖面层，做法如下：

①15mm 厚胶粘地砖；

②10mm 厚高强水泥纤维板；

③55 厚预制沟槽保温板，内嵌地暖管处开槽20mm；

④1.5 厚聚氨酯防水涂料两遍四周沿墙上返300mm；

⑤打钉子固定模块；

⑥预制装配楼板/钢筋混凝土楼地面（整理干净,表面平整度尺寸允许偏差≤5mm）。

全项目干式工法工艺比例汇总如表5 所示；

表5 干式工法比例汇总表

（3）本项目除卫生间区域外，均为干式工法区域，干式工法地面区域选用预制沟槽保温模块地面辐射供暖，其他区域采用常规湿式铺法。预制沟槽保温板表面带有固定间距的沟槽，结合干式工法楼面做法将采暖管线敷设于预制沟槽板内，实现管线与结构及垫层的分离，满足便于检修和更换的要求。暖通专业管线分离应用比例计算中各楼层全部采暖管线总长度作为分母，管线分离总长度作为分子，该项目暖通专业管线分离应用比例为94.73%，如图4 所示。

图4 设备管线、管线分类现场图

3.4 装配式建筑总评分

综上所述，各评价项分值均已满足计算要求，考虑地方性评价标准要比国标更具有深度，以山东省《装配式建筑评价标准》DB37/T 5127-2018 中表3.0.4 装配式建筑评分表计算得到如表6 所示。根据此标准[9]，最终装配率为71.17%，可以进行装配式建筑评价等级为一星级装配式建筑。

表6 装配式建筑评分表

4 装配式构件深化

预制构件深化设计时，应根据各类设备管线施工图、建筑图及精装图，同时应结合结构要求，对水暖、烟风道、灯具和开关插座等设置位置进行避让干涉、复核、比对与优化，确定符合其在相应预制构件预留预埋要求。在PKPM-PC 模型上添加预留预埋，可直观呈现预埋件与钢筋等碰撞情况，并合理做出避让干涉，后期可实现一键导出CAD 图纸详图，如图5 ～图6 所示。通过软件自动统计物料清单BOM 数据直接对接工厂，预制构件进行自动化生产。

图5 钢筋碰撞调整

图6 线盒处钢筋自动避让

5 装配式施工方案

施工方案需要综合考虑社会环境影响，资源再回收利用可行性，施工技术难易程度，经济造价是否合理等[10]。该项目预制构件施工阶段吊装方案：项目内构件从首层开始预制，应用叠合板、预制空调板，预制楼梯、梁和柱，采用装配整体式框架结构，应用有预制外墙板、预制内墙板。塔吊设置各自的构件堆放区，充分利用推线外的区域设置施工加工场地及构件堆放场地。预制构件堆放区设置位置尽量靠近楼体，且在塔吊回转半径之内，便于构件的吊装。利用BIMBase系列软件PC-Site 模块布置塔吊，可以模拟施工吊装其覆盖范围、可吊构件的重量，以及对预制构件进行吊装顺序指定。同时还应考虑塔吊的附墙杆件及使用后的拆除和运输等，如图7 所示。

图7 PC-Site 塔吊布置模拟

6 装配式项目社会效益与经济指标

从国家发展装配式建筑以来，社会层面对装配式产品的争议一直不断，主要是因为建筑成本的上升，另外对于预制构件连接处的现浇节点是否真的可以按照等同现浇的结构去进行相应的计算。在全过程施工阶段，装配式建筑可以有效避免资源浪费，比如辅助性的施工设备少，可以节能；节约顶板模板钢模板，可以节材；现场建筑废料扬尘少，可以做到绿色施工。

目前在装配式项目上，钢筋用量大约增加20%，混凝土也有一定程度增加。但在施工阶段，因周期大大缩短所造成的能耗和人工成本会降低很多，用相应的代价换取更好的产品完成产品升级[11]，经济指标如表7 所示。

表7 经济指标对比

7 结论

本文以BIMBase 平台的PKPM-PC 模块进行装配式正向设计研究，得出如下结论：

（1）发展装配式建筑可以平衡人口红利消失问题，有效解决能耗高、污染重、资源消耗大等社会问题，可以有效地降低碳排放；

（2）在PC 装配式建筑采用BIM 技术进行设计生产，可以通过对设计方案进行验算和模拟找到施工装配方式，形成完整的设计、施工和交付运营一体化的生产链；

（3）应用BIM 理念进行装配式建筑设计，推进BIM 正向设计应用，同时也能将模型数字化，助力国家CIM 平台建设。