某钢筋混凝土宿舍楼装配式结构BIM设计方法与分析*

肖龙荣 周文勇 高金贺

(东华理工大学建筑工程学院，江西 南昌 330013)

1 概述

装配式建筑主要是对建筑设计过程中部分结构构件进行预制选择，并按照设计要求进行装配的一种新型建筑形式。其具有施工便捷、成本低、安全系数高的特点，能够满足现代化城市建设的基本要求[1]。美国、德国于20世纪70年代出台了相关法案及规范开展装配式结构的研究与实践。我国于2016年也相继提出了装配式结构的未来发展规划，装配式建筑结构将成为未来建筑领域的主流思想。但目前，装配式结构仍面临建筑行业标准体系及产业链不完善、专业型人才缺乏、施工技术要求高等问题[2]。

另一方面，建筑信息模型技术(BIM技术)汇集了设计数据、生产数据、碰撞检测数据、施工数据、维护信息、运营信息等多方面的信息。因此，BIM技术在整个项目周期中表现出可视性、模拟性、关联性、协调性，优化性以及系统化管理六大特点。国外建筑工程中BIM技术的应用较国内成熟，制定了一些BIM技术应用的标准和规章。我国的BIM技术应用刚刚起步，目前仅有少数大型项目采用了BIM技术，BIM技术人才奇缺，BIM技术应用链条尚未打通，并未大范围推广使用[3]。

综合上述两大建筑领域的新技术与新思想，装配式建筑结构的信息化技术模型在我国现阶段的工程领域中，还存在着应用实例较少、设计流程碎片化、应用效果不突出等问题[4]。

本文针对上述问题，对某钢筋混凝土框架结构的宿舍楼采用装配式建筑结构理念，运用PKPM-BIM软件进行装配式建筑结构设计与分析。其设计流程与方法有助于扩展装配式建筑结构的信息化技术实例应用，适应我国装配式建筑结构的未来发展规划。

2 工程项目概论

本工程为钢筋混凝土框架结构的宿舍楼，位于江西省井冈山市。抗震设防烈度为6度，场地类别为I0类，粗糙程度为C类。本宿舍楼为钢筋混凝土装配整体式框架结构，共有7个自然层，总高25.7 m，占地面积1 141.92 m2。单体装配率要求不小于50%，楼板为桁架叠合板、预制柱、叠合梁、装配式内墙。

3 基于PKPM-BIM软件平台的装配式建筑结构设计方法

3.1 结构设计流程

为实现本工程项目装配式建筑结构的设计理念以及采用BIM信息化设计模式，结构设计的流程如图1所示。与传统设计相比，装配式结构理念体现在方案设计中对预制构件进行指定。BIM信息化模型体现在基于参数信息的整体分析、构件设计及深化设计。

3.2 信息模型的创建

本项目在装配式建筑设计前期将预制构件的几何尺寸及内部钢筋的直径、长度以及钢筋保护层厚度、地震信息、调整信息等能全面反映与建筑参数相关的信息输入到PKPM-BIM软件中，利用BIM技术平台完成对数据的处理，形成标准层设计模型，通过专业化的信息输入达到精准高效的建筑模型输出效果。

3.3 装配式构件的指定

本项目首层全部采用现浇，以加强整体可靠性，其他层的梁构件都进行预制梁指定。梁构件以叠合梁方式预制，预留一定高度的现浇层与楼板现浇，增强整体性，如图2所示。对于板构件，除卫生间楼板以外，其余板构件均进行预制指定。板构件的预制方式与梁构件类似，其中预制层为60 mm厚，现浇层为70 mm厚，如图3所示。对于柱构件，除边柱外的其余柱构件均进行预制指定，如图4所示。内墙全部进行预制指定，如图5所示。

3.4 标准层装配式构件的拆分及方案整合

在完成装配式构件指定后，应用PKPM-BIM软件对梁、板、柱构件进行预制构件拆分。

本项目中，梁构件的拆分采用矩形截面和凹口截面两种截面形式。其中，主梁采用凹口截面，凹槽深度为50 mm，有利于板构件的预制层和预制梁的组装，便于施工，如图6所示；在有次梁搭接处的预制梁上设置牛担板，其可靠性更高，应用较多，如图7所示；在外边梁上采用翻边，翻边高度为220 mm，其作用是可免去支模过程，如图8所示。对于次梁，采用矩形截面，不对截面进行任何处理，只设置抗剪键槽，如图9所示。

对于板构件的拆分，本项目均按双向板拆分。以本项目的第2自然层板构件拆分为例，宿舍房间和阳台的板构件均采用等分的方式拆分，拆分出若干块宽度相同的预制板，如图10，图11所示；走廊上的板构件采用模数化的方式拆分，拆分出1块1 650 mm和4块1 200 mm的预制板，具体如图12所示。通过这种拆分方式，实现了本项目装配式建筑少规格、多组合的设计要求。

在本项目中，柱构件设置矩形抗剪键槽，增强抗剪能力，键槽宽度为150 mm，长度为200 mm，深度为3 mm，内缩尺寸为0 mm，键槽坡高为10 mm。预制柱留有700 mm厚的现浇层，便于节点连接，增加节点的可靠性，如图13所示。

在完成所有预制构件的拆分后，利用PKPM-BIM软件进行标准层复制、楼层组装，最终拼接成整体框架。

3.5 信息模型的整体分析及装配率统计

为考察本项目结构设计方案的合理性，进行了信息模型的整体分析。分析采用了PKPM-BIM设计软件中SATWE计算分析，主要从自振周期、振型曲线、地震力、位移角、轴压比、刚度比等指标进行考察，部分评价指标如表1所示。同时，依据分析结果，对结构设计的信息模型进行再优化。

表1 信息模型评价指标汇总表

为满足国标装配率建筑标准，本项目对建筑的主体结构、围护墙和内隔墙采用装配式建筑理念。根据装配率计算公式得出本项目的装配率为60%，属于A级装配式建筑。本项目的装配率计算汇总表如表2所示。

表2 装配率计算汇总表

3.6 配筋设计及深化设计调整

配筋设计流程中，为了减少钢筋碰撞现象，尽量采用大直径钢筋进行配筋，并采用PKPM-BIM软件平台进行深化设计调整。钢筋碰撞检查则为其最重要的一步。本项目应用PKPM-BIM软件对第2自然层进行钢筋碰撞检查，共发现有537处钢筋碰撞，主要分为梁构件的箍筋与板构件的沿跨长方向钢筋、梁构件的底筋与柱构件的钢筋、梁构件的底筋与梁构件的底筋三类钢筋碰撞。在解决这三类钢筋碰撞之前，首先处理叠合板和叠合梁的底筋问题，应用PKPM-BIM软件将叠合板的底筋进行自动避让并对叠合梁采用纵筋弯折的方式进行纵向避让和采用预制截面内纵筋弯折的方式进行水平避让。下面将以实例说明在本项目中解决这三类钢筋碰撞的方法。

对于梁构件的箍筋和板构件的沿跨长方向钢筋碰撞，本项目采用修改板构件沿跨长方向钢筋的排列参数，而不修改梁箍筋排列参数的方法有效的避免钢筋碰撞，如图14所示。对于梁构件的底筋与柱构件的钢筋碰撞，本项目采用同时修改柱构件的侧面钢筋和上下钢筋参数的方法避免钢筋碰撞，如图15所示。对于梁构件的底筋与梁构件的底筋碰撞，本项目采用修改梁的底筋排列参数的方法进行钢筋避让，如图16所示。为有效的解决本项目钢筋碰撞现象，采用如图17所示的流程。

3.7 导出结构模型及相关图纸

基于上述步骤，为实现装配式建筑一体化和精细化设计目标，本项目对梁板柱等预制构件进行编号，形成了生产车间所需要的材料统计清单。同时导出结构模型相关的定位图、模板图、平面布置图、节点大样图、深化设计详图等装配式设计图纸，为建筑施工人员提供施工参照。本项目最终结构专业信息化模型如图18所示。

4 结语

本项目基于PKPM-BIM软件平台，对钢筋混凝土框架建筑结构进行了装配式设计，提出了合理的设计流程与预制构件拆分模式。通过计算分析，结构满足性能要求，装配率达到了60%的A级装配式建筑。本设计流程可为BIM技术应用于装配式建筑设计全过程普及和推广提供参考，共同提高设计行业BIM技术应用水平。

另外，本文所采用的设计理念与思路得到了东华理工大学建筑工程学院余海滔、张宇轩和北京构力科技有限公司深圳分公司艾显书的指导与帮助。