PKPM-BIM软件在装配式混凝土结构设计中的应用
——以装配整体式剪力墙结构为例

卞 祝，杨富莲，欧军珺，葛清蕴，涂劲松，黎德光

(1.皖西学院 建筑与土木工程学院，安徽 六安 243000；2.江苏省建筑园林设计院有限公司，江苏 南京 210019)

随着建筑行业的发展，装配式建筑以其节能、环保、适应工业化的优势，逐渐成为主要发展方向，在全国范围内逐步广泛应用[1]。国家2017年发布的《“十三五”装配式建筑行动方案》中提出，到2020年实现装配式建筑全面发展。装配式建筑是指在工厂加工制作好建筑的部分或全部构件和配件(楼梯、楼板、墙板等)，通过可靠连接在现场装配安装而成的建筑。采用装配式建筑可减少传统施工现场脚手架、模板搭设等环节，减少现场浇筑养护受环境影响大等情况，解决人口下降劳动力不足等问题。但基于传统结构设计方法，装配式建筑的发展遇到一些问题：传统二维设计时很难规避预制构件在施工安装中遇到的如节点连接、钢筋碰撞等问题，施工中发现问题后反馈沟通环节多、不及时，各专业各环节协同性差，导致施工效率低，大量预制构件的生产运输和堆放养护的管理成本高，造价不低反升，装配式建筑优势难以发挥[2-4]。

BIM技术的快速发展，实现装配式建筑的标准化、模数化、多方案对比优选以及多专业共享信息协同设计，从根本上打破传统设计、施工方法对装配式建筑发展的局限，做到施工前调整优化，极大地推动了装配式建筑的发展[5-7]。有关行业标准、国标图集、各地方标准图集也都相应编制出版以保障并促进装配式建筑的规范发展[8-10]。

PKPM-BIM是在PKPM设计软件基础上升级的三维可视化数字平台[7]，本文以装配整体式剪力墙公寓楼为例，阐述基于PKPM-BIM软件平台进行装配式建筑的结构设计与深化拆分等问题。

1 PKPM-BIM软件装配式建筑设计模块简介

为适应装配式设计要求，PKPM编制的装配式建筑设计软件PKPM-PC功能模块主要包括：构件库管理，装配式方案，装配式深化设计，构件加工图，导出加工数据[11]。基于软件的装配式建筑结构设计主要包括两大设计内容：第一部分，结构模型建立，预制构件指定，接力PKPM完成装配式模型结构计算并生成相关配筋图等结果；第二部分，精细化设计，将结构计算结果导回PBIM完成装配式深化设计，包括三维深化拆分与预拼装、碰撞检查、预制率统计、构件加工详图、材料统计、BIM数据接力到生产加工设备等。

2 PKPM-BIM软件在装配整体式剪力墙结构设计中的应用

2.1 工程概况

本工程为黄山市某公寓楼，地上15层，丙类建筑，抗震设防烈度为6度，地震分组第一组，采用装配整体式剪力墙结构，抗震等级四级。

2.2 结构建模

本工程在PKPM-BIM软件启动环境为“装配式设计”模块中进行设计，装配式结构模型建立方式有三种，一种是交互建模，先建立传统现浇结构再拆分构件，二是导入PM模型，三是接力建筑模型再转结构模型。本工程运用PKPM-BIM软件协同设计优势，接力“.PBIMS”格式建筑模型文件，运用建筑转结构功能，进入结构设计，工程整体结构模型如图1所示。

图1 装配整体式剪力墙结构模型

2.3 结构计算分析

对于装配式建筑，先指定预制构件属性再接力PKPM进行结构整体计算，预制构件可从标准构件库中选择指定，满足装配式建筑模数化的要求，类型包括叠合板、预制剪力墙、预制外墙板、预制楼梯、叠合阳台、预制阳台和预制空调板等。

将模型导入PM进行整体计算，与传统PKPM计算相同，根据建筑做法和结构类型进行荷载布置，SATWE前处理参数定义包括设置总信息、地震信息、风荷载信息等参数，计算得出各输出文件，查看刚度比、剪重比、周期比等主要整体计算指标是否满足要求并调整。

整体计算结果满足要求后，将模型导回PBIM，设置高强度大直径钢筋后软件自动配筋。图2所示为计算输出的一层梁超筋超限信息，通过增加叠合梁截面高度解决，对于超筋的墙通过增加墙长度来消除。

图2 一层梁超筋超限信息

2.4 深化设计

要发挥装配式建筑的优势，关键是通过PBIM软件完成对装配式预制构件的深化拆分并进行碰撞检查，做到施工前调整。同时软件输出详细施工图和加工详图，预制构件模型数据可直接接力工厂加工生产信息化管理系统及数控加工设备，进行钢筋分类和机械加工、构件边模自动摆放、管线开孔信息的自动化画线定位、浇筑混凝土量的自动计算与智能化浇筑，达到无纸化加工，避免人工二次录入可能带来的错误，提高生产效率。

2.4.1 深化拆分

拆分构件主要包括预制板、预制梁和预制墙，拆分方案以标准层为例。结合规范《装配式混凝土建筑技术标准》(J/T51231—2016)和《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ1—2014)的规定给出关键构件的尺寸和拆分做法[8-9]。其中底部加强层的竖向承重构件采用现浇，顶层水平构件现浇。

对于预制板，如图3(a)，主要考虑板的类型和尺寸，通过方案对比选择造价低、吊装次数少的方案：采用有倒角带有135 ℃弯钩钢筋端头的双向板，等分方式排布，后浇带连接，后浇带取300 mm。对于130 mm厚的预制板，统一为60 mm现浇加70 mm预制桁架钢筋，距板边200 mm，桁架钢筋间距500 mm。控制板最大宽度在2400 mm，长度不超过4800 mm。另外进行了空调板和阳台板的拆分。如图3(b)所示，对于预制梁，主要考虑梁的类型和现浇高度，经过方案对比选择对无主次梁搭接、与剪力墙在平面内搭接的梁进行拆分，施工难度低、进度快，但水平装配率较低，最终采用矩形截面预制梁，箍筋选组合封闭箍，梁的现浇层=150 mm板厚+10 mm缝宽=160 mm，锚固板锚固。结合施工安装顺序，将先吊装梁的底筋设置在后吊装梁底筋的下部。

图3 预制构件

预制墙如图3(c)所示，包括预制外墙和内墙，主要考虑控制墙的尺寸、重量和规格种类，选择全灌浆套筒连接，上侧直锚，下侧全套筒灌浆，接头套筒处保护层厚度为25 mm，避免滑丝。综合考虑吊装、运输及施工难易程度要求，将预制墙长度控制4000 mm左右，重量控制在5 t以下，将拆分后长度相近的墙合并成同规格预制墙，内墙通过调节现浇节点尺寸控制墙种类，减少规格、降低成本。进行了连梁挂板和隔墙的拆分。

2.4.2 碰撞检查

碰撞类型主要包括钢筋与钢筋的碰撞、钢筋与混凝土的碰撞及混凝土间的碰撞。碰撞避让原则为：预制构件间钢筋发生碰撞的，优先调整板底筋，其次调整梁底筋，混凝土间碰撞调节构件现浇高度，如图4所示例。另外基于PKPM-BIM软件平台可协同建筑电气专业进行管线碰撞检查和调整。

图4 碰撞检查及参数调整示例

根据检查结果，依据构件ID追踪定位，并通过PKPM-BIM软件三维可视化功能实现多角度动态碰撞检查，准确直观解决了装配式建筑施工中遇到的碰撞问题，实现施工前调整，减小后续施工难度，提高效率。

2.4.3 结构施工图和工艺详图

图5 预制墙、梁、板施工详图示例

图6 预制墙、梁、板工艺详图示例

图7 短暂工况验算

图5、6所示为部分预制构件结构施工图和工艺详图，PKPM-BIM软件自动生成输出全楼详细预制构件施工图和预制构件工艺详图，细化到每个预制构件详细配筋图，保证图纸与模型的一致性且精度高，图纸可发布成DWG格式。预制构件加工后再运到施工现场，根据编号合理堆放，做到设计、加工、施工全套系统标准化、管理可视化、数字化。

2.5 短暂工况验算

短暂工况验算主要包括预埋件的选择、预制构件的吊装和脱模。如图7所示，对验算不满足要求的外墙通过调整外叶墙板的型号来解决吊装承载力不足、安全系数不够的问题。对于验算不满足的预制梁，增加预埋件数量以减小吊装过程中所受弯矩，提高安全系数。

2.6 装配率和算量统计

图8 装配率统计

由图8可知软件统计本工程装配率为54%，根据规范《装配式建筑评价标准》(GB/T51129—2017)中第3、4条[10]，装配率达到规定的50%，可视本工程为装配式建筑。在装配率满足的前提下，对模型不断优化，降低施工难度控制造价,考虑目前国内装配式结构设计、施工系统并非相当完善，本工程设计不追求过高装配率。

图9所示为软件导出的材料统计清单和构件清单列表部分，软件自动统计出主要构件算量，包括预制构件的重量、体积、所用混凝土和钢筋用量等，为造价人员进一步详细统计算量提供可靠参考。

图9 部分统计清单

3 结语

通过PKPM-BIM软件平台，对装配整体式剪力墙公寓楼进行结构设计，借助BIM技术信息化优势，进行多方案对比优化完成从建模、结构计算、深化拆分设计、碰撞检查再到施工图和加工数据输出，较好解决了装配式建筑施工过程中遇到的钢筋碰撞、节点连接及预制构件多难管理等问题，达到施工前控制，装配式建筑的标准化、模数化优势得以发挥。实现建筑、结构、施工和给排水多专业在同一平台下共享信息，按统一标准和规则协同设计，提高效率，降低人材机及时间成本，节约资源，真正做到绿色发展。