基于 BIM 技術的裝配式剪力墻結構深化設計研究
作者：羅富中，姚大偉，楊經緯，韓俊杰 （重慶中建海龍兩江建筑科技有限公司， 重慶 401139）時間：2022-03-28
摘 要 ：裝配式建筑的快速發展對建筑設計領域提出了新的要求，而以 BIM 技術為代表的建筑信息化技術也為建筑的設計 帶來了新的發展。本文以某裝配式剪力墻結構住宅項目為例對 BIM 技術在深化設計中的應用進行研究，找出項目設計過程 的要點與關鍵環節，總結 BIM 技術在項目應用中的優勢與效益，對項目設計過程中所發現的問題進行分析并提出了相應的 解決思路。
來源：智能建筑與工程機械
關鍵詞 ：BIM 技術 ；裝配式建筑 ；剪力墻結構 ；深化設計 中圖分類號 ：TU241 文獻標識碼 ：A 文章編號 ：2096-6903(2021)07-0011-04
1 研究背景
2013 年以來，中央及地方政府持續出臺大量相關政 策，大力推廣裝配式建筑產業現代化發展，同時，隨著 裝配式建筑技術體系的日趨成熟，我國裝配式建筑產業 終于迎來了高速發展階段。根據住建部發布的相關數據 顯示，2020 年，全國裝配式建筑新開工建筑面積共計 6.3 億 m2 ，占新建建筑面積的比例約為 20.5%，較 2019 年 增長 50%，近 5 年平均增速超過 50%。總的來看，近年 來裝配式建筑發展迅猛，在促進建筑產業轉型升級，推 動城鄉建設領域綠色發展和高質量發展方面發揮了重要 作用 [1]。
相較于新開工建筑面積的快速增長，BIM 技術作為 建筑產業信息化的核心技術之一，發展速度卻不可謂迅 速。相較于發達國家，我國建筑產業信息化技術與 BIM 應用水平較低，建筑企業信息化投入約占總產值的比例 0.08%，而發達國家為 1% 左右。隨著我國建筑信息化 產業的不斷發展進步，BIM 技術將會成為推動整個建筑 行業持續高速高質量發展的重要助力。
2 深化設計內容
相較于傳統建筑的設計流程，裝配式建筑在方案設 計階段與施工圖設計階段都有額外的工作需要完成。在 方案設計的同時，我們需要編制裝配方案，確定裝配式 建筑相關指標與基本的技術路線 ；而在施工圖階段，裝 配式建筑還需要進行專項設計，即需要對方案階段所確 定的設計目標進行準確的拆分并對連接形式、節點構造等進行計算，滿足相應地區的裝配式建筑計算細則，保 證項目的順利實施，如圖 1 所示。
深化設計是項目設計過程中最末端、最精細、圖紙 深度要求最高的階段，同時也是設計與施工之間承前啟 后的部分，既需要充分滿足前期設計功能與安全等要求， 同時還需要兼顧現場運輸與吊裝等各個階段的不同需求。 通過 BIM 技術的運用，我們可以在深化設計階段充分整 合建筑、結構、機電、裝修等各專業需求，通過可視化 的信息化模型解決前端問題與缺陷，消滅設計與施工間 的信息偏差，指導后端生產與現場施工，通過施工模擬 技術為施工組織設計提供依據，全方位保證項目綠色、 高效實施 [2]。
本文以某裝配式剪力墻住宅項目為例，采用國標裝 配整體式剪力墻結構技術路線，通過 Revit 系列 BIM 軟 件結合相關深化設計軟件，基于構件進行深化設計，主 要涉及預制剪力墻、預制梁、疊合板等多種類型的預制 構件。
2.1 模型建立
在完成專項設計后，采用 Bee-PC 深化設計軟件在 Revit 平臺開始對預制構件進行深化設計。根據項目拆 分方案，按樓層到樓棟的順序，基于單個構件開始建立 預制剪力墻、預制疊合梁、預制疊合板等部品部件 BIM 模型并將其調整至準確位置，同時對現澆部分模型加以 區分。完成模型后，可通過軟件功能快速計算裝配率與 預制率等數據，確保設計符合要求。
2.2 筋排布及優化設計
根據對應結構專業施工圖調整預制構件鋼筋排布， 同時考慮不同預制構件間的鋼筋碰撞問題，及時調整預制構件鋼筋排布，必要時還需要向前端反饋問題并調整 拆分設計方案，確保深化設計到工廠生產，現場安裝的 可實施性。本項目在鋼筋排布階段，通過對剪力墻、疊 合梁、疊合板等預制構件的配筋間距與配筋直徑進行了 大量優化調整，如在疊合板及墻板類構件中采用統一的 鋼筋間距，通過不同的直徑與附加實現差異化配筋，同 時還可以調整板邊第一根鋼筋的保護層厚度，使接縫兩 側疊合板在實現鋼筋避讓的同時還能使用同一套模具， 大大提高了本項目預制構件生產的標準化程度，減少不 同種類的鋼模板用量，在提高效率的同時還降低了預制 構件的模板攤銷成本，發揮出了裝配式的核心優勢 [3]。
2.3 預留預埋設計
在建立預制構件部品部件 BIM 模型的同時，還需要 對電氣、給排水、暖通與精裝等各專業的預留預埋進行 深化設計。首先需要確定各專業預留預埋位置及產品規 格，并在 BIM 模型中建立對應型號的預埋件，對預留 預埋件與鋼筋、桁架碰撞問題進行處理，及時調整不合 理設計，在優化布置方案的同時，還便于統計原材料的 需求數量。本項目預埋件較多，類型包括 PVC 線盒、金 屬線盒、D50 ～ D100 止水節、D80 ～ D150 鋼套管等， 單件預制構件的預埋件數量最多超過了 10 個，存在較多 的鋼筋避讓問題，局部無法實現鋼筋避讓的，還需采取 截斷桁架，斷開、彎折或搭接等方法處理預制構件鋼筋 并額外附加加強鋼筋，或反饋機電及精裝專業人員調整 設計方案。預埋件的深化設計是深化設計階段較為枯燥、 繁瑣的工作，但其對整個裝配式建筑項目順利實施具有 重要意義，只有在深化設計階段將各類預留預埋進行精 確的定位與避讓設計，才能減少后期問題，保證項目生 產和施工階段的順利進行，真正實現裝配式建筑的綠色 高效，如圖 2 所示。
2.4 深化設計階段的驗算與設計
為了保證預制構件生產與施工安全，我們需要對構 件生產過程中的脫模與吊運，施工過程中的吊裝與斜撐 等各種工況進行驗算與設計，而其中最關鍵的就是吊點 設計。合理的吊點設計能夠有效的避免預制構件吊裝過 程中產生的開裂和安全風險。從深化設計角度出發，吊 點設計主要考慮工廠脫模吊裝和現場安裝吊裝兩個階段， 要對兩種不同工況分別進行正截面混凝土法向拉應力、 混凝土開裂彎矩、鋼筋屈服強度等分析驗算，最終計算 出合理的設計方案 ；同時，還要根據預制構件自身重量、 鋼筋排布、安裝方式、節點碰撞等各種因素，合理選擇 不同的吊點形式并配置對應的吊點加強鋼筋。例如在本 項目中，預制外墻的吊點的設計考慮到墻板類構件較重， 采用了預埋吊環的設計，在減少吊點數量、提高吊裝效 率的同時保證里吊裝過程的安全 ；疊合梁的吊點設計考 慮到剪力墻住宅項目的梁截面與跨度較小、重量較輕的 特點，采用了預埋吊釘的方案，既保證了吊裝安全，也 避免了疊合梁后澆部分在鋼筋綁扎時出現的梁上部縱筋、 疊合板胡子筋等與吊環鋼筋碰撞的問題，方便現場施工 人員操作 ；預制疊合板的吊點采用了在桁架鋼筋波谷處 布置加強鋼筋并在桁架波峰處設置吊點的形式，既可以 減少吊環鋼筋的用量，節省材料，還可以避免因為吊環 鋼筋高出疊合層板面，需要在完成吊裝后二次切割吊環 鋼筋的問題等 [4]。
2.5 裝配式連接節點構造
本項目所采用的裝配式技術路線為裝配整體式剪力 墻結構體系，即構件通過可靠的方式進行連接，與現場 后澆混凝土、水泥基灌漿料等形成整體結構，共同抵抗 荷載，其核心理念為“等同現澆”的裝配式建筑設計， 所以安全可靠的節點連接方式是保證結構適用性、安全性與耐久性的關鍵。預制構件的連接類型按其工藝可分 為濕式連接或干式連接，本項目主要預制構件類型包括 預制外墻、預制疊合梁、預制疊合板、預制陽臺及預制 樓梯等，均采用濕式連接的形式，主要包括后澆混凝土 連接與灌漿套筒連接。后澆混凝土連接即在同一標高的 相鄰預制外墻或預制疊合板等預制構件間設置后澆混凝 土帶，完成吊裝后在現澆區域綁扎搭接鋼筋后用混凝土 將其澆筑成一個整體。套管灌漿連接就是在預制構件鋼 筋連接部位預埋高強度的灌漿套筒，在安裝時將另一側 預留豎向鋼筋插入對應灌漿套筒內并用高強度無收縮的 灌漿料填充密實，形成可靠連接的整體。而根據所連接 的構件類型，連接節點還可分為墻―梁節點、主―次梁 節點、墻―墻節點、梁―板節點等，這些連接節點除需 滿足結構設計安全、可靠等各方面的要求外，還需要利 用 BIM 技術進行節點鋼筋的碰撞避讓設計，避免現場施 工時因鋼筋問題導致安裝困難。一般來說，預制構件在 工廠完成生產，其產品質量較現場澆筑會有較大提升， 而到了現場施工階段，連接節點的施工質量往往取決于 現場工人與管理人員素質，如套筒灌漿技術施工質量的 不可視性更增加了質量管理難度，毫不夸張的說，節點 連接是裝配式建筑實施過程中至關重要的一環，對建筑 的質量、安全，乃至整個項目的成敗起著決定性作用， 如圖 3 所示。
3 BIM 深化設計的效益分析
BIM 技術與裝配式建筑的關系如同雙生，彼此需 要，彼此成就，BIM 技術為裝配式建筑的發展提供了有 力支撐，是裝配式建筑設計與管理的重要工具 ；而裝配 式建筑為 BIM 技術提供了舞臺，只有現代化的建筑產業 也能真正發揮 BIM 技術的優勢，實現質量與效率的提升，品質與成本的雙贏。
BIM 技術的引入對裝配式建筑的深化設計有著顯著 的提升，而從整個項目實施流程來看，BIM 技術同樣影 響深遠。在前期設計階段，基于 BIM 技術的深化設計與 傳統二維深化相比，其最大的區別就在于可視化、參數化與集成化。可視化顧名思義就是以三維模型的形式展 示建筑設計與部品部件細節，簡單直觀，準確易理解， 無論是內部校核還是對外交流，可視化的模型都讓人能 夠快速理解意圖、交流調整 ；參數化就是將建筑與部品 部件變成完整、準確的參數化指標，無論是建筑總體的 統計分析還是細節處的建模修改，參數化的模型數據都 能在不同階段、不同軟件間準確傳遞 ；集成化不僅包含 了部品部件對其附屬預留預埋的集成，更是集成了建模 與規范圖集信息，在建模過程中實時聯動規范圖集，輔 助設計師完成設計任務。而在后期的生產與施工過程中， 采用 BIM 技術進行深化設計的項目既能通過部品部件模 型輸出 BOM 信息統計表，連接生產端自動化生產線加 工生產，大大提高生產效率與準確性，又能將模型數據 用于施工單位的現場布置、施工吊裝等模擬，為現場施 工組織設計與項目管理提供依據與參考，助力項目精細 化管理，實現降本增效。
4 應用難點分析與解決思路
BIM 技術對于深化設計的顯著提升是毫無疑問的， 但就目前 BIM 技術與裝配式建筑的發展應用情況而言還 存在較多的問題與較大提升空間，這些問題不僅是 BIM 技術與深化設計自身問題導致，也是整個建筑產業鏈和 建筑體系現狀所決定的，需要從主管部門到各級單位， 全產業共同努力才能解決。
4.1 BIM 技術應用現狀
BIM 技術的發展從時間上來說還為時尚短，各家 BIM 平臺公司百花爭鳴，涌現了大量 BIM 相關應用，這也導 致了 BIM 技術領域缺少統一，權威的應用平臺，設計、 施工、造價等不同方向都有公司在爭相研制，各有所長， 乃至于結構的計算與其他專業的 BIM 模型都不在同一個 平臺。盡管激烈的競爭在一定程度上促進了 BIM 技術的 快速發展進步，但客觀上也大大降低了產業鏈上各專業、 各環節的溝通傳遞效率。從國家層面，BIM 數據的標準 化正在逐步展開，隨著《建筑信息模型應用統一標準》 （GB/T51212-2016）等一系列國家標準的出臺，相信在不久的將來，BIM 技術在建筑產業一定大有可為。
4.2 深化設計與前端專業協同問題
深化設計是整個設計階段最末端的環節，也是對接 生產最直接最緊密的環節，這也決定了深化設計的特點， 即要在保證符合前端設計要求的同時，讓預制構件能夠 順利生產吊裝。而目前來說方案設計、施工圖設計、裝 配式專項設計、深化設計往往由不同單位完成，等到前 端的施工圖與裝配式專篇完成后才有深化設計人員介入， 各家單位各專業自顧自地設計，缺乏通盤考慮，大量問 題都匯集到深化設計專業，深化設計需要與上游專業、 單位反復溝通，修改，大大降低了設計效率與設計質量。 想要解決這一問題，一方面需要深化設計專業的提前介 入，比如由總承包單位統籌設計與施工，選擇方案、施 工圖與深化一體化的設計單位，或是安排深化設計從方 案階段開始全程介入，跟蹤并解決影響后期生產施工的 核心問題，另一方面也需要前端的設計人員改變傳統現 澆結構的粗獷設計理念，從而提高項目拆分深化與生產 施工的質量和效率。
4.3 標準化設計問題
建筑產業現代化的第一步就是從源頭設計開始，用 工業化的理念開展建筑標準化、模數化、模塊化的設計。 目前，重慶地區裝配式設計領域還是以現澆施工圖 + 裝 配式專項設計 + 深化設計的模式為主，而從傳統理念出 發的設計方案往往在標準化設計方面較為匱乏，大量的非標準設計既加大了深化設計的拆分與深化難度，同時 還增加了工廠生產和現場安裝的工作量。而解決這一問 題不僅需要前端設計單位具備標準化、模數化、模塊化 的設計理念，更需要從政策、市場經濟的邏輯與普通民 眾的消費觀等更高層面來統籌推進建筑產業現代化轉型 升級。
5 結語
BIM 技術的發展速度令人驚嘆，而 BIM 技術在深 化設計領域的發展更是日新月異，以嗡嗡科技為代表的 一系列深化設計軟件正在不斷地拓展 BIM 技術的疆界， 將傳統的二維深化設計的陣地蠶食殆盡。客觀的說，盡 管 BIM 技術在建筑領域的應用中還存在諸多問題，但它 所帶來的巨大提升是顯而易見的。作為一名設計從業人 員，更是要順應時代的潮流，不斷學習新技術與新工具， 在實踐中成長，畢竟“科學技術是第一生產力”！
參考文獻
[1] 李新華.上海中森裝配式混凝土結構設計實踐發展及設想[J]. 建筑結構,2019,49(15):1-9.
[2] 靳鳴,方長建,李春蝶.BIM技術在裝配式建筑深化設計中的應 用研究[J].施工技術,2017,46(16):53-57.
[3] JGJ 1—2014,裝配式混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工 業出版社,2014.
[4] 王光炎,吳琳.裝配式建筑混凝土構件深化設計[M].北京:中國 建筑工業出版社,2020.
Research on Deepening Design of Precast Shear Wall Structure Based on BIM Technology
LUO Fuzhong, YAO Dawei, YANG Jingwei, HAN Junjie
（Chongqing China State Construction Hailong Liangjiang Construction Technology Co., Ltd., Chongqing 401139）
Abstract: The rapid development of prefabricated buildings has put forward new requirements in the fi eld of architectural design, and building information technology represented by BIM technology has also brought new development to architectural design. This paper takes a prefabricated shear wall structure residential project as an example to study the application of BIM technology in deepening design, fi nd out the key points and key links of the project design process, summarize the advantages and benefi ts of BIM technology in the project application, analyze the problems in the project application and propose corresponding solutions.
Keywords: BIM technology; prefabricated building; shear wall structure; deepening design
免責聲明：本網站所刊載信息，不代表本站觀點。所轉載內容之原創性、真實性、完整性、及時性本站不作任何保證或承諾，請讀者僅作參考并自行核實。