基于BIM技术的装配式建筑结构设计与探究*

尚伟方

(中铁建房地产集团中铁建河北雄安城市建设有限公司，河北 雄安 071700)

0 引言

装配式建筑可提高生产效率、减少施工误差，然而目前装配式建筑并非采取全构件预制形式，施工过程中，构件组装及后浇带的灌浆填缝仍有一定难度，需对结构进行合理选型[1-3]。因此，BIM技术的应用尤为重要，其可视化技术将贯穿整个阶段，对项目建造及后期运营、管理提供支持。张海东等[4]对某装配式剪力墙结构住宅进行结构设计，提出BIM对装配式建筑的实现具有支撑作用，在预制构件布置、管线综合布置、专业协同方面起指导作用；李筱涵等[5]在BIM技术下，建立整个装配式建筑全生命周期信息，使预制装配式建筑在建筑设计、构件生产、现场安装施工及管理维护中得到发展。

1 装配式结构选型

1.1 预制构件及性能

装配式建筑结构构件主要包括预制柱、叠合梁、预制墙板、叠合楼板；非结构构件主要包括外挂墙板、预制阳台、预制空调板等，结构构件与非结构构件都可采用预制装配式。如灌浆套筒预制柱是典型的装配式结构构件，具有以下优点(见图1)：①预制柱浇捣密实，不空鼓、不开裂，表面平整美观，生产效率高、质量好。试验证明在装配式剪力墙中，可通过灌浆套筒法连接竖向钢筋，并通过计算试件的承载力证明该连接方法可行[6-8]；②机械化程度较高；③可控制预制构件养护温度，减少预制构件裂缝和预制构件养护时间；④节省支模、拆模时间，现浇混凝土施工受温度影响较大，而预制柱在低温时依然可以施工，受季节影响小。

图1 灌浆套筒预制柱

非结构构件中，外墙板如采用预制装配技术，可实现墙体结构、保温、装饰一体化，墙体本身的保温能力、防水能力、环保能力都强于砌筑式外墙和现浇外墙。

1.2 预制构件选型

由于建筑预制构件对模具周转效率要求较高，且很多构件为异形，因此对混凝土性能要求高。以目前施工和检测水平，预制横向构件比预制竖向构件更安全，剪力墙、框架柱等竖向构件宜采用现浇形式，保证竖向体系整体连接；楼盖、梁等横向构件宜采用预制装配式，叠合板可运用BIM技术进行精确拆分，只要满足模数要求便可在工厂中批量生产，通过脱模、吊装在现场组装即可。

2 工程概况

2.1 建筑结构参数

焦作市马村区靳作城中村改造项目建筑高度79.7m，地上部分28层，设有地下室，由于住宅楼层数量较多，若完全采用现浇方式施工，则施工周期长、耗费大量人力物力，由结构标准层平面图可知，横向构件采用预制装配式，可减少预制构件模板类型、降低造价，且叠合板与现浇剪力墙通过后浇带浇筑成为整体，可充分发挥预制叠合板的整体性及抗震性能，很大程度提高结构抗侧力刚度及稳定性。鉴于以上分析，项目采用纯剪力墙结构，剪力墙采用整体现浇以保证竖向连续并具有足够抗侧力刚度，横向构件采用预制装配式，叠合板、叠合梁经过Revit软件拆分设计，再由YJK软件计算配筋。

2.2 YJK电算分析

将Revit模型导入YJK软件，布置恒、活荷载，设置主要参数，最后计算上部结构。采用YJK软件进行弹性时程分析得到的楼层位移及位移角曲线如图2所示，在软件自选最优地震波(1号为多遇地震波，2号为罕遇地震波)作用下，结构顶点最大位移为37.3mm。罕遇地震波作用下，在第13层附近出现最大层间位移角，约1/1 600，小于规范限值1/1 000，表明此装配式建筑在地震作用下虽不会发生较大弹性变形，但结构内部将积累较大的地震作用。

3 装配式设计

3.1 叠合板拆分及深化设计

叠合板分为现浇与预制部分，总板一般取130mm厚，包括60mm厚工厂预制部分和70mm厚现场浇筑部分。叠合板分单向板与双向板，双向叠合板受运输限制，需将双向板划分成若干单向板，通过后浇带连接，将单向板拼接成双向板。

实际拆分过程中，先确定后浇带宽度(一般>200mm)，可不拆分尺寸较小的板，拆分尺寸较大的板时以边板为主，可增加中板。拆分时应考虑叠合板支承于梁或墙上的尺寸，一般为10mm。整层楼盖的拆分应尽量减少叠合板尺寸类型，以便较少工厂模板数量，最后根据规范给每块叠合板编号。地块3中16号楼18层顶板拆分平面如图3所示。

图3 某区域拆分平面

经计算，图3叠合板尺寸Lx为3 070mm，Ly为1 310mm， 拆分平面图中应对每块叠合板进行编号，叠合板深化加工根据YJK模型电算配筋，接缝处纵筋末端采用135°弯钩连接，根据规范取接缝处钢筋伸出长度为240mm，非接缝处伸出90mm，相邻两块板的底筋进行错开处理。

3.2 叠合梁节点设计

装配式建筑结构中，主次梁节点是整体结构体系的核心受力部分，直接影响结构抗震性能。根据JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》，一、二、三级抗震等级的装配式框架应进行梁柱节点核心区抗震受剪承载力验算。主次梁节点的设计采用搁置式主次梁连接形式，主梁设置牛担板，次梁开槽并设置预埋件。主梁连接处采用梯形开槽，与次梁牛担板紧密连接。牛担板截面以主梁剪力包络图进行抗剪验算。根据规范，叠合梁端竖向接缝受剪承载力设计值应满足下式：

持久设计状况：

(1)

地震设计状况：

(2)

式中：Vu为持久设计状况下接缝受剪承载力设计值；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，本工程采用C30混凝土，为14.3N/mm2；Ac1为叠合梁端截面后浇混凝土叠合层面积；Ak为各键槽的根部截面积和，按后浇键槽根部截面和预制键槽根部截面分别计算，并取二者较小值；Asd为垂直穿过结合面所有钢筋的面积，包括叠合层内的所有钢筋；fy为普通钢筋的抗拉强度设计值,本工程采用三级钢，为360N/mm2。主次梁节点计算简图如图4所示。

图4 主次梁节点计算简图

在YJK电算数据中可查找叠合梁的剪力包络图，考虑持久设计状况和地震设计状况验算抗剪承载力，比较梁端剪力值与计算结果，可验证节点是否满足抗震要求，结构抗震理论中，要求梁端先出现塑性铰，预制叠合梁在结构中可做到优先屈服，可见在相同工况下，预制梁与现浇梁在节点处的滞回性能基本一致，抗震性能符合要求。

3.3 吊装及三维钢筋碰撞模拟

进行三维钢筋碰撞检查时，GS-Revit软件可提供可视化检验，在碰撞检查模块对话框输入碰撞容差，然后框选某片区域，碰撞钢筋将被标为红色，应手动调整钢筋至合理位置。传统多专业协作多在AutoCAD软件中展开，各专业设计人员相对独立地设计施工图，且各专业间需多次修改核对才能保证图纸质量，易出现因信息传递不准确或细节问题降低设计质量的问题。

4 结语

1)装配式建筑以竖向现浇、横向装配的组合方式充分利用现浇施工与预制装配的优越性，提高工程设计施工效率。竖向构件采用现浇施工，横向构件采用预制装配，通过后浇带保证两者牢固连接，同时加强节点设计和提高预埋件强度，保障结构整体稳定。

2)使用GS-Revit软件可完成建模、计算一体化设计，与YJK软件配合可进行配筋计算分析和性能指标验算，减少误差，提高精确度，同时解决Revit软件没有结构分析、脱模吊装验算及钢筋碰撞检查功能的缺陷。

3)相同工况下，装配式混凝土结构与现浇混凝土结构的抗震性能相差不大，装配式结构罕遇地震下可保证较小的层间位移角和较大的抗侧力刚度，预制构件滞回曲线饱满，耗能充足，破坏形式满足强柱弱梁及强节点弱构件的要求。

4)BIM技术实现装配式设计从二维空间到三维空间的跨越，今后可将BIM技术引入时间、资源因素，将四维、五维空间应用到生产和施工管理中，实现建筑工期和工程造价的可视化，优化工期、提高效益。