BIM正向设计在装配式混凝土结构中的应用

张 绍，刘 洋，陈永康，李腊盛

安徽新华学院 土木与环境工程学院，安徽 合肥 230088

关键字：BIM技术；装配式结构；正向设计

传统的装配式建筑模式大多是结构设计、工厂生产和现场安装三个阶段是相对分离，如果在结构设计这一环节出现一些不合理的因素，往往只能在施工过程中才会被发现，由此往往会产生设计变更和材料浪费，甚至影响工程质量。自2016年国务院办公厅发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》以来，全国各个省市区都在装配式建筑的设计、生产和施工等环节相继出台相关政策。BIM技术将设计方案、生产要求、施工方案等集成在模型中，在实际建造前就统筹考虑各方面实际情况，把生产制造、实际安装过程中可能产生的问题提前消灭［1］。

在BIM技术快速发展的同时，也存在着应用上的困境。徐兆赫［2］指出目前深入应用BIM技术的主要集中在机电管线安装部分，以解决实际施工问题，对于前期的建筑、结构设计部分更像是“翻模”的过程，因为设计专业在进行BIM设计时，工作量较以往增加许多，设计难度也加大，而设计方的收益却与以往基本持平；唐洪刚［3］指出目前国内大多数装配式建筑的工作模式是通过常规的设计院出具二维施工图纸，交付PC构件生产厂家之后，再由PC构件厂家进行二次翻模，订制好模具后在车间内完成所需构件的生产。其主要缺点在于，设计单位所提交的装配式订单图纸无法供构件加工车间使用，大多数PC构件厂家由于技术人员不足，出具的模具图纸和加工图纸的效率非常地下，同时在车间加工环节极易出现钢筋碰撞情况，改造和节点深化设计的综合成本极高。

为进一步让设计、施工、构件生产有更深层次的融合，设计部门就必须将BIM技术应用到装配式项目的设计、深化和辅助生产中去。本文通过深圳广夏科技公司和广州省建筑设计研究院共同开发的GSRevit软件，以某高层装配式混凝土剪力墙结构为例，实现了在Revit上直接开展结构建模、结构计算和自动生成结构施工图的正向设计。

1 正向设计

目前，国内BIM软件的应用主要有以下两种模式：1）后BIM模式：在设计院完成结构设计之后再形成BIM模型，主要用于碰撞检查和管线综合设计；2）前BIM模式：设计之初就建立BIM模型，完成结构设计和施工图生成，继而用于后续的碰撞检查和管线综合设计，一模多用，具体见图1。前者在结构设计中未用到BIM，后期再建立BIM模型，增加了工作量；后者则是把结构建模系统前置到Revit，结构设计人员初步设计时就进行三维模型的建立，在输入荷载后进行结构计算，添加钢筋信息后绘制施工图，建立的三维模型可直接用于钢筋碰撞检查。最后把模型给算量、施工和运营维护，这极大地发挥了BIM的作用，节约了人力物力。

图1 BIM正向设计示意图

2 软件应用

2.1 项目概况

装配式钢筋混凝土剪力墙结构由叠合梁、剪力墙、叠合板等组成，是常见的装配式结构形式。本项目为某装配式钢筋混凝土剪力墙结构住宅，建筑面积约15000m2，建筑主体结构为地上30层，地下2层，建筑总高度为91m。结构抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，基本风压为0.8kN/m2，地面粗糙度为B类。

2.2 结构信息

首先，在广厦CAD中打开Revit软件，输入结构信息，如：材料信息、地震信息、风荷载信息、调整信息等设计参数，特别注意在总信息中的结构形式中选择墙。对于本项目，所有钢筋均选用HRB400级钢筋，竖向受力构件采用C50混凝土，水平受力构件采用C35混凝土。

2.3 模型建立与结构布置

首先，需要在CAD中优化图纸，防止在导入Revit中时出现乱码，导入图纸应注意单位和位置的确定。图纸导入Revit某一平面中需要拾取图纸中的信息，然后才开始建立模型，不同标准层需要重新建立模型，同一标准层楼层组装即可。

其次，在进行结构布置时应尽量考虑受力合理、不影响建筑使用功能等因素。本项目为住宅类建筑，梁柱尺寸过大会影响建筑功能，因此设计时尽量减小梁的尺寸，外立面处的梁高≯800mm。对于竖向构件，在满足规范的前提下，底部结构加强区的剪力墙厚度≯300mm，非底部结构加强区的剪力墙厚度≯200mm。结构布置的主要原则见表1，装配式混凝土剪力墙结构BIM模型见图2。

表1 结构布置主要原则

图2 装配式混凝土剪力墙结构BIM模型

2.4 荷载输入与指定预制构件

2.4.1 荷载输入

所有输入的构件其自重自动计算，没有输入的构件按荷载输入。例如板的荷载输入依据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）进行取值，单位：kN/m2。

2.4.2 制定预制构件

指定叠合板属性时注意叠合底板的布置参数，同时定义编号DBD为单向板，DBS为双向板。叠合板的底板的厚度至少为60mm，并且做到“多组合，少规格”。

叠合梁分两次进行混凝土的浇捣，第一次在PC构件厂进行预制；第二次在施工现场进行吊装安放后，再浇捣梁上部的混凝土，使其与预制部分连成整体，一般键槽截面面积占预制面面积比例的40%。

2.5 计算与结果查看流程

在进行结构计算前需要在录入系统中生成结构计算数据，如若有警告消息出现，需查明原因加以处理，直到不再出现警告信息，再选择此菜单进入楼板、次梁和其他构件的计算数据，并自动计算所有标准层楼板和次梁内力和配筋。

2.6 生成施工图

本次案例不是简单的翻模，而是通过建筑图纸建成BIM模型然后生成梁板柱的配筋图、模板图等，相比于以前的图纸生成的施工图信息更全、错误率更低、应用型更高，具体流程见图3，部分墙柱的配筋图见图4。

图3 施工图生成流程图

图4 墙柱配筋图

3 结论

在进行结构设计时如果不首先进行虚拟建造，在后续施工时往往会出现很多问题，而虚拟建造就离不开结构正向设计。结构BIM正向设计能够做到以下几点：不改变原有的设计流程，不改变原有施工图的表达方法，提高了结构设计和结构施工效率。