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基于BIM技术的装配式建筑构件库的创新研究

2022-05-04孟晓涛

建材发展导向 2022年8期
关键词:预埋件装配式构件

孟晓涛

(甘肃工业职业技术学院,甘肃 天水 741025)

1 研究背景

当前,我国建筑业正处在行业转型升级的新时期,装配式建筑以数字化、智能化升级为动力,形成涵盖科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链融合一体的智能建造产业体系。正在不断推进建筑行业工业化、信息化、绿色建筑的不断发展。

装配式建筑是指由预制构件通过可靠连接方式建造的建筑。也就是将工地为主的建造形式转变为工厂制造、现场安装的形式;也就是要实现建筑工业化。主要包括装配式钢结构建筑、装配式钢筋混凝土建筑(以下简称“PC建筑”)、装配式木结构建筑、装配式轻钢结构建筑等形式。

目前,在我们国家建筑行业,PC建筑凭借其效率较高、节能环保的优势,成为装配式建筑的主要发展方向;同时,如果能够在施工过程中,以不同建筑类型作为参考,设置建立PC构件数据库,保障装配式建筑施工的标准化,那么装配式建筑就能够大幅度的节约各种建筑材料,达到绿色施工、协同施工。在此基础上,还能够保障施工、安装人员的生产安全。其作为建筑产业现代化的重要内容,是建筑行业迈向工业化、信息化的重要前提条件。装配式建筑施工模型如图1所示。

图1 装配式建筑施工模型

通过数据分析发现,我国装配式建筑产业规模自2014年的4.2亿元迅速增长到2019年的320亿元,装配式建筑在我国正处在飞速的发展期。但是,相比国外的装配式建筑施工技术,还存在着诸多不足及难点。例如,我国目前的装配式建筑企业没有形成专业化的分工,无法达到信息化的相关要求,也就无法形成各自的专业优势。PC构件的税收政策比现浇混凝土建筑要高,目前,PC建筑企业需要缴纳17%的税率的增值税,相比传统现浇结构来说较高,这些都为装配式建筑的发展带来极大阻力。同时,在PC构件设计阶段,土建、结构、设备等专业协同程度较低,相关专业之间无法更好的协同设计,导致在安装现场,还需要锚固管线或者凿开构件重新埋设,影响结构安全。

那么,装配式建筑要想规模化的发展,就必须打破常规,建立其规格化、模数化及标准化。但是笔者经过调研发现,目前,在装配式PC构件设计阶段,设计师仍然按照设计现浇钢筋混凝土结构的模式进行PC构件设计,认为PC建筑设计只是附加设计的部分内容。到现场安装阶段时,就会导致出现结构的承载力或者连接件的锚固出现问题。特别是在建筑结构连接点上,仅仅依靠现行的施工技术,关键构件的制作、安装,很容易出现生产事故。例如:PC构件连接点的灌浆饱满程度、PC构件灌浆料孔洞堵塞。类似这些问题都是在PC建筑中很容易出现的生产问题,也是制约装配式建筑发展的一系列核心问题。

2 BIM技术应用

BIM(Building Information Modeling)技术,称之为“建筑信息模型”,能够创建数字化建筑模型,这种模型可以帮助各建设方实现建筑数据集成,从建筑的设计、施工、运维一直到建筑的寿命周期终结,所有的建设信息始终存储在该三维模型信息数据库中,参建方各方人员可以基于BIM进行协同工作,有效提高工作效率、节省资源、降低成本、以实现可持续发展。对工程施工项目的设计、施工、运营等全过程进行管理、优化的过程及技术。其最大的优势就是能够实现工程项目的信息化、协调化,有利于建设项目的精细化建造。

对于装配式建筑,BIM技术能够最大化的实现各专业间的协调化、可视化,这一点尤为重要。例如,在实际PC工程建设项目中,设计阶段,土建专业设计人员在进行概念设计后,重点需要考虑PC构件的拆分方式。此拆分方式能够为结构设计和机电设计之间的协同化起到至关重要的作用。以此为基础,还可以应用BIM技术平台(国内主要包括:鲁班、广联达、PKPM等BIM软件)能够实现碰撞检测、信息整合的作用,避免出现资源浪费,进一步的保障工程施工质量。如图2所示。

图2 BIM技术应用设计思路

图2主要是基于BIM技术的装配式建筑构件设计思路,可以看到,通过该设计思路,可以明确的在BIM协同平台平行分析建筑、结构、机电水暖不同专业的设计信息,实现协同化设计,避免不同专业之间的信息堵塞。同时,对特定的建筑物,利用BIM技术和平台建立好参数化模型及相关信息后,还需要进行深化设计,主要包括PC构件的拆分设计及原有模型的碰撞检查。使PC构件能够在满足建筑结构要求的同时,便于制作、运输和安装。不同专业之间的连接点可以达到充分的考虑优化设计。对土木建筑来说,影响其生产目标的不只包括设计、施工等,还包括工程管理等相关分析,在生产时,利用BIM技术的动态调整能力实现工程施工组织、场地运营布置、5D动态调整及管理的优化,保障生产安全及参建方的权益。

3 设计施工项目标准化PC构件

《装配式混凝土建筑技术标准》 (GB/51231—2016)中相关规定提到“装配式混凝土建筑应采用模块及模块组合的设计方法,遵循少规格、多组合的原则”。“少规格”的含义就是提高现场的生产效率,降低工程管理的难度,降低施工成本,进一步为土建、结构、机电专业之间的协作提供扎实基础。“多组合”重点要求少量的构件组合成多样化的产品,最终满足不同的使用需求。模块组合其实就是标准化设计的一种方式,其应该通过参数化设计为工业化生产及现场安装提供便利。根据标准化、模块化的设计要求,充分利用BIM技术建立标准化PC建筑构件库,减少设计错误,为施工现场构件的标准化施工创造条件。

3.1 装配式建筑设计方向

根据装配式PC建筑技术标准及设计要求,综合分析目前各专业间需要进行综合设计的主要内容。

建筑物整体所建立的模型库,实际应该包含建筑、结构、机电三种类型的模型合集,模型合集中所有基本构件,都需要满足不同生产阶段对模型深度的要求。在建筑设计模型完成后,从结构专业户型库中选取相应的结构模型,匹配建筑模型,完成整体性的建筑——结构创建。如图3所示。

图3 PC建筑主要设计内容

例如,在建筑设计中,平面形状设计是PC建筑设计的重要内容之一,考虑到施工成本及抗震性能要求,平面形状布置越简单越好。《装配式混凝土建筑技术标准》中要求:装配式建筑应该选用大开间、大进深的平面布置。那么在进行平面形状设计时,就必须和结构设计协同分析,考虑该建筑物的PC范围,也就是哪些部分必须PC化,哪些部分需要现浇。

需要强调的是,构件拆分、连接作为装配式建筑设计、施工的重点,是PC构件在现场能够顺利安装的前提条件。因此,在设计中,必须格外重视构件的连接节点是否合理。前文讲到,在PC构件的设计中,目前仍然采用等同原理设计,在结构设计中,通过可靠的连接技术和必要的构造措施,PC结构构件和现浇混凝土结构基本等同。但是通过调研发现,在目前的装配式建筑市场上,等同原理技术效果要求没有完全达到。因此,连接点的设计构造在装配式建筑设计、生产中起到很重要的作用。

其次,构件(以梁为例)连接设计必须能够保障构件的钢筋和预留洞口、预埋件等相协调。连接后的接缝剪切力、法向拉力、弯矩也必须满足承载要求。

公式中:V:剪切力设计值

N:法向拉力设计值

M:弯矩设计值

αr:锚筋层数影响系数

αv:锚筋的受剪承载力系数

αb:锚板的弯曲变形折减系数

fy:锚筋的抗拉设计强度

3.2 BIM技术在PC构件结构设计数据库中的应用

3.2.1 设计原则

PC构件数据库设计应该遵循适用性强、适宜生产的特点,设计时,重点需要强调以下原则。

1)以装配式混凝土建筑技术标准(GBT 51231—2016)及住建部发布的建筑工程信息模型存储标准作为设计基础,满足国家标准的规定。

2)通过调研数据,综合分析现有项目进行测算,归纳形成标准化的PC建筑户型,使构件数据满足适用性的要求。

3)标准化构件的设计需要充分考虑生产厂家的生产能力及设备性能。

3.2.2 设计思路

考虑到在PC建筑施工过程中,出现的诸如生产、施工中的预埋件或孔洞不够标准,导致后期施工时,还需要在外部锚固或者凿开构件,影响构件安全;又或者外伸钢筋长度不够,导致锚固长度不够,出现安全事故。因此,在PC构件设计前,必须引入BIM技术。以实际工程项目为载体,利用BIM技术能够实现对构件的协同分析、施工模拟等特点,对设计构件进行提前分析,建立PC构件数据库,主要包含墙、板、梁、柱等结构构件;同时兼顾装饰、保温等作用。该构件数据库能够对同种类型建筑的施工起到指导作用。

在建立构件数据库时,必须遵守装配式混凝土建筑技术标准(GBT 51231—2016)的设计要求,侧重研究考虑该项目的标准化户型规格,满足通用要求。还要遵循《建筑模数协调标准》GB/T 50002相关规定要求:必须采用模数协调PC构件、设备管线等之间的尺寸关系,做到部品部件设计、生产安装相互间尺寸协调。对构造节点和部件的接口尺寸采用模数数列分别为cM/2、nM/5、nM/10。

以此作为基础,利用BIM技术能够实现施工模拟、碰撞检测等活动,在设计时,重点还要考虑前文提到的构建连接接缝处理及预埋件的标准化处理。应用Revit软件强大和快速的建模能力,同时搭配二次开发PDST软件的翻模能力,将构件进行标准化设计,即完善的构件库。首先在Revit软件中建立BIM构件模板,然后再代入数据,由该模板设计衍生出符合构件要求的模型。通过分析,装配式建筑PC构件的预埋件主要有使用阶段和安装阶段的制作,其中,使用阶段主要包括构件安装、机电安装等预埋件;安装阶段的预埋件包括支撑件、吊装件等。不同PC构件的预埋件种类及作用也不相同。在施工安装过程中,参照二维施工图纸,施工工人很容易出现错位、构件碰撞等问题。通过建立构件预埋件标准库,可以直接在标准库中选择相应埋件,在三维可视化界面中布置埋件,提高了PC预留预埋位置的精准度。如图4所示。

图4 PC结构构件数据库设计内容

3.3 PC构件库设计存在的影响因素

在装配式建筑构件库设计分析时,应重点研究在现行环境条件、设计下的施工目标和施工成本等方面的因素,确保库存构件能够保障形成标准化路径,最终适合形成制定可行性方案,避免设计——施工生产产生偏差。同时,装配式建筑实现工业化的理念仍不清晰,目前设计单位的装配式建筑设计人员比较稀缺,缺乏足够的实践经验,对PC构件设计时,不能够准确把握生产、运输、存储等环节对构件的影响,也会出现例如构建破损或者漏筋裂缝等情况。

数据分析,我国国内目前的装配式建筑占新建建筑比例仍然较低,平均大概只占5%左右,但是国家近些年在大力推广,从装配式混凝土结构,道各式各样的其他结构。施工工艺在不断发展,但是装配式建筑发展进程然比较缓慢,主要原因在于成本,构件没有标准,或者设计、施工中标准不一致,导致制作、安装等生产过程不断出现相关问题;同时,我国目前的PC构件相关税收政策较为滞后,税率达到17%左右。这些因素都对实线装配式建筑PC构件集成化产生影响。

如果能在现行基础政策下,侧重分析研究建立装配式PC建筑构件库,合理使用BIM技术的协同分析、可视化模拟等优势,进行施工模拟,就可避免在生产中产生的预埋件位置不合理、棱角受损等现象。从目前的市场分析来看,施工单位现场管理人员仍然不能转变观念,思想倾向停留在使用传统现浇技术。在管理过程中,出现专业分包后,构建深化设计不能同步,或者出现技术交底及现场协调问题,导致出现大量返工及生产资料浪费。

4 结语

装配式建筑标准构件库的设计,能够提高构件生产企业的生产效率及构件的稳定性,同时有效进行造价控制,降低增量成本。实践分析验证,通过PKPM、广联达等BIM软件建立PC构件数据库能够在装配式建筑的标准化生产、安装过程中避免出现连接缝、拆分误差等问题。以BIM技术为基础,建立的构件库,能够全面提升装配式建筑标准化施工水平,对推进我国装配式建筑产业升级能够起到重要作用。

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