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干货!装配式混凝土结构设计方法研究

干货!装配式混凝土结构设计方法研究

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摘要:装配式建筑作为建筑业未来的发展方向,是当前实现建筑工业化的最有效方法之一,有利于提高生产效率。设计方法是实现装配式建筑的重要内容。针对装配式结构中的结构设计、拆分设计、节点连接设计等方面的传统设计方法进行了总结,从参数化设计方法、拆分设计方法及Revit二次开发设计方法3方面介绍了基于BIM的装配式结构设计方法,并通过比较传统装配式和基于BIM的装配式设计方法,提出了当前行业运行装配式建筑设计方法存在的诸多问题,以期能促进装配式建筑的发展。


0、引言


随着建筑业的不断发展以及人们对建筑设计需求的持续增大,中国建筑业进入新的“工业化革命”时期。众所周知,装配式是建筑工业化的代表,可有效降低施工成本。然而,由于对预制装配式建筑设计存在认识误区,导致建筑工业化发展进程迟缓。装配式结构是指预制构件在工地通过可靠的连接方式装配而成的结构[1]。装配式设计方法是建筑、结构、设备共同参与对装配式结构进行设计,最终由设计人员进行深化设计的过程。设计方法需要遵循的原则除了应满足装配式结构使用要求,还应遵循“一体化、“标准化”、“模块化、“通用化”的设计原则,通过“少规格、多组合”的方式提高建设效率。降低成本[2]。


1、传统的装配式结构设计方法


装配式建筑设计的变化从现浇到现浇与装配共同配合的结构形式,从通用技术和体系转变成专有技术和工艺,是一个跨行业的联合发展过程。传统装配式设计方法基于结构性能,对结构进行先整体后拆分设计,将整体结构拆分成预制构件和连接节点2个部分,把施工设计拆分成预制构件的生产和装配2个部分。其设计方法主要包括结构构件的设计、预制构件的拆分设计、构件的连接节点设计、有限元分析设计。


(1)结构构件的设计


结构设计是以结构计算与分析为基础,再根据分析结果进行构件的设计。卢家森[3]系统总结了预制混凝土框架结构设计方法,通过计算参数的选取进行了结构整体计算分析,阐述了预制柱、叠合梁及钢筋桁架叠合楼板等构件的设计方法,并通过实际工程进行了详细分析,为工程提供了有益参考。郑教超[4]对叠合板单向预应力承载力和双向预应力刚度分别进行了分析,对双向叠合板的弹性设计方法进行了研究,通过推理方程证明了叠合板双向楼板弹性设计方法的合理性,且对叠合板的预制构件进行了设计以及受力验算,通过分析倒T型预应力双向叠合板的构件设计,提出了预制构件的多种儿何参数和钢筋的合理性。


(2)预制构件的拆分设计


结构计算和构件设计工作完成后,需要对构件进行拆分设计,拆分需满足施工要求,且拆分构件种类尽量少,拆分的构件应不影响建筑设计的使用功能。王晓珊[5]通过具体案例,在介绍等同现浇的基础上阐述了预制装配式结构的拆分设计,展示了剪力墙体与梁的拆分,楼板拆分以及楼梯和阳台拆分,指出了行业对拆分设计方法没有统一的标准和原则,通过整体设计、拆分设计、构件深化设计以及创建预制构件库等设计方法对装配式结构设计方法进行了探究。李红旺[6]介绍了2种装配式剪力墙结构拆分方案,边缘构件全部现浇,“非边缘构件预制和边缘构件部分现浇,水平钢筋环插筋连接”,通过对比已有的2种拆分方式,提出了一种新型剪力墙结构拆分方式一一外墙基本全预制,现浇部分设置在内墙。这种拆分是建立在柱梁体系拆分方法基础上的革新。外墙基本全预制,内墙可选择部分预制或者全部现浇,新型拆分方法避免了前2种拆分方式存在的边缘构件箍筋承担水平剪力,预制墙板变成竖向传力构件使结构整体传力途径不清晰等关键性问题。


(3)构件的连接节点设计


装配式结构设计是通过节点的可靠连接实现的,不同结构具有不同的连接方式。叶浩文等[7]团队研究了有利于高效化装配的标准化设计、全装配式结构体系及连接节点设计,并提出了关键的“三个一体化”装配式建筑设计方法。钟春玲[8]等阐述了多种地上装配式结构节点连接,并介绍了现场直接灌注混凝土节点连接和预应力紧固爆栓节点连接采用榫接的连接方式,连接方法采用张拉法,克服了装配式结构节点受力可靠性差等缺点。


陆键荣等[8]采用预制预应力双T板技术,提出了6种不同的预制构件连接组合方案,介绍了装配式设计方法在未来建筑中的作用。通过在实际项目中实施双T板与叠合梁的连接、预制主次梁的连接、叠合楼板与叠合梁的连接等多种连接方式,达到了缩短工期及提高经济性等目标。卢家森[3]阐述了预制柱连接、叠合梁与预制柱连接、楼板与柱的连接等设计方法,并通过工程实例证明了上述主要节点构造满足装配式设计要求。


(4)有限元分析设计


有限元分析方法指先将弹性连续体离散化,变为有限个单元在角点铰接的组合体,分析每个单元体的受力与变形的关系,再将各单元进行组装的过程。用有限元分析进行设计时可通过对连接件个数和间距的调整,改善楼层受力情况,满足设计要求。利用有限元分析方法可就参数,即边梁强度,连接件间距、强度,混凝土强度等对受力性能的影响作用进行分析[10]。王海峰[11]等通过有限元分析软件ANSYS分析了几种构件,通过模拟装配式节点得到了节点极限承载力的相关数据,分析获得了对构件节点受力特征较为全面的认识。


黄频等[12]采用非线性有限元分析软件对5个新型预制装配式节点进行了单调荷载作用下的三维非线性有限元分析,通过合理的单元划分、本构模型的选取以及边界条件的参数化设置获取了难以通过试验测量得到的节点细部受力特性,从而获得了对结构设计更全面的认识。陶月波[13]通过实际案例分析了装配式混凝土梁柱一体节点在受到静力作用和低周往复荷载作用时的受力情况,指出了装配式节点设计在多种受力情况下可达到理想的性能,通过有限元软件ABAQUS分析得出了在不同受力下装配式连接节点以及现浇节点的应力和位移,说明装配式节点连接是装配式建筑安全的关键,且装配式混凝土节点连接的抗疲劳性能有待提高。


由上述可知,传统的设计方法阻碍了标准化和工业化设计发展进程。因此,需要改变从整体设计分析再到预制构件拆分的设计思路,而改为面向预制构件基于BIM的装配式结构设计方法进行设计[14]。


2、基于BIM的装配式结构设计方法研究


基于BIM的设计方法需要各专业协同设计,以有效降低设计错误率,从参数化设计方法、,拆分设计方法及Revit二次开发设计方法3方面介绍基于BIM的装配式结构设计方法。


(1)装配式参数化设计方法


参数化设计是指将整个系统分为独立的小空间模块,根据用户需求对单独模块进行选择和设计,再创建出具有不同功能及性质的模块体系。韩进宇[15]的研究表明,通过参数化组合形式可实现建筑从单元到整体的转变。设计遵循从上到下的多层次设计结构组合。本文通过BIM从族库中挑选所需,运用到基于构件库的深化设计阶段,实现结构模拟和施工等程序的结合。其中,深化设计是装配式结构设计过程中最重要的一步,应满足建筑,结构和机电设备等各专业及环节的综合要求[16]。



张超[17]研究了基于BIM的装配式结构设计与建造关键技术,阐述了参数化设计是结构设计标准化的基石,标准化设计是装配式设计的关键。三者关系紧紧相扣,是顺利完成装配式结构设计的重要步骤。将相同类型的构件整合为一个构件库,在设计时从预先创建好的族库中选择所需构件,若查询不到所需构件,设计人员可参数化定义新型构件,创建的新构件称为“族”,用于满足特殊的建筑布局要求。装配式参数化设计是DFMA(制造和装配设计)与BIM的有机结合,是一种新的设计理念[18]。所有的参数化预制构件必须符合面向装配设计和制造设计的条件。


(2)装配式结构拆分设计方法


拆分设计是装配式建筑设计过程的重要环节之一。项目成本的高低、工程质量的好坏与拆分设计的合理性有密切关系。樊则森等[19]实现了基于BIM平台的预制构件的设计,通过实际案例将预制构件设为建筑信息系统的基本单位,指出装配式设计中的关键问题是构件构造设计,因此进行构件拆分设计(如预制外墙、楼面等),通过构件信息及BIM模型完成最终的项目设计图。如装配式剪力墙结构的外墙宜全部采用预制外墙,根据预制外墙拆分图,利用BIM设计进行构件编码,模数协调性避免了构件从设计工厂预制到施工现场安装过程中产品重复性生产的弊端。


周文波等[20]研究表明,结构模型是在Tekla Structures中开发参数化节点拆分设计建筑、结构和水电等专业的模型,再由软件Revit将建筑和水电模型转换成IFC格式文件导入Tekla Structures中形成最终的BIM模型。通过把结构体系以构件的形式呈现,实现工程项目的导入、导出功能。


韩彦欣等[21]通过对比Revit的拆分与传统的CAD拆分设计,总结Revit拆分的特点。在Revit里构件以族的形式存在,更侧重于构件的组装:找出了用Revit进行拆分设计的优势,提出了基于Revit的拆分设计流程,与传统的拆分设计方法相比融入了三维可视化,提高了设计质量,为面向装配式建筑工程拆分设计的研究提供了参考信息。


林东等[22]研究了基于BIM的预制建筑集成法。预制建筑的核心是设计一体化的集成方法,是现代预制建筑创新的重要基石,新的集成方法与BM技术相结合[23],将大大推动预制技术的发展。两者的结合使拆分设计模块化,模块化体现“多即少”的特征。通过模块化使每个独立模块都需设计和制造,安装构件时所有连接节点都需确保质量,防止错位[24]。新的集成思想与BM技术相结合,对预制技术的发展起到了巨大的推动作用。装配式结构拆分不仅要考虑结构安全性问题,满足规范要求,还要考虑预制混凝土结构生产、安装等方面的问题。


(3)装配式结构基于Revit二次开发设计方法


Revit建模软件是适用于装配设计建模技术的工具之一,其软件建模能随着BIM在建筑行业中关注度的不断提升日益完善。陈兴[25]研究了基于Revit的预制装配式结构设计方法。族的运用是Revit的主要功能之一,软件将族库分为建筑族、结构族和机电族3个类型,各族库相互独立。设计人员在族库中进行P构件设计,构建完成的施工图可直接生产构件,提高设计效率,减少劳动量。


北京交通大学的王淘[26]基于BIM对密肋复合板结构的设计进行了研究。在建筑信息模型的基础上,结合Revit的建模性能及API接口的可扩展性功能实现了装配式构件族库的创建。利用Revit的API功能,通过C#进行二次开发。通过程序编写创建用于装配式密肋复合板结构的插件系统。学者安岫沨[27]可通过此软件进行了装配式密肋复合板结构设计方法的研究。采用程序代码实现Revit二次开发,结合Visual Studio程序语言和结构模型创建程序语言库,添加Revit和Windows等外部引用,最终生成dll文件进行结构设计。


3、传统设计方法与基于BIM的设计方法对比


在我国,一直以来建筑设计都是采用手工制图来呈现的,计算机制图的引入颠覆了传统的设计方法,设计效率得到了可观提高。计算机辅助设计CAD的出现使建筑业发生了巨大的变化。从传统的手工绘制图纸到通过计算机辅助软件进行标准化、批量化出图的新型模式,给建筑行业注入了新的活力和更大的发展空间。相较二维计算机制图,BIM提供了更直观的设计模式,创造了标准化、通用化的集成综合共享的信息体,以3D建筑信息模型为共享信息源,提高工作效率,2种方法在设计依据及设计思路上有一定的区别。


(1)设计依据不同


传统的装配式设计方法是将3D的建筑转变为2D的三视图,是依据众多的建筑规范标准等条文进行绘制,当涉及复杂结构时往往需要绘制大量平面图来表示建筑的真实状态,很容易出现设计错误。而BIM是一种可视化载体,能够全方位地展示建筑,做到“所见即所得”,准确定位结构空间位置,绘制复杂构件时,能通过三维视图展示结构形态[28]。BIM装配式结构设计方法的核心是建立预制构件库,有利于各专业的信息共享,且技术人员仅需查看BIM信息模型来及时检查,即可防止绘制过程中出现设计问题。


(2)设计思路不同


传统的装配式建筑是先整体后拆分的设计思路,这必然导致设计步骤的增加以及构件数目的骤增。而基于BIM的设计方法是以构件库为依据,大部分的构件都已经设计好存入构件库,可以直接选取储存好的模型进行设计,若找不到相应的构件,设计所需的构件存入库中再调用,达到了装配式建筑设计工业化,模块化的要求。BIM将三维模型和数学信息融合起来,创造了新的设计方法和理念,改善了信息丢失及设计脱节的问题,展现了全新的集成化设计模式。


4、研究与方法应用中存在的问题


(1)预制构件设计局限性


BIM中构件均是以独立的形式存在的,且BIM使用的参数化设计方法适用于预制装配式构件的创建方式。由上述可知,BIM系统已经具备了一部分适用于预制结构的预制构件族,BIM建模实现了预制件之间的自动识别和连接的功能。


然而,部分实际工程案例会出现BIM的族库中没有足够类型的构件库导致工程设计速度缓慢的技术问题,需绘制非预制构件图及其模型再结构分析,大大影响最终成品的成本、质量和预制构件之间的装配和连接节点的安装。因此,需创建符合预制构件要求的设计方法。预制构件的装配和节点连接方式也需不断优化。


(2)应用技术受限


由于当前建筑行业技术发展缓慢,兼容性与互操性有限,将BIM应用到项目的整个设计和建筑生命周期中具有难度[29],族库有限,对计算硬件的要求高等多方面的问题导致BIM技术得不到广泛的应用。BIM模型需要更高的精度和细节,由于不同学科构建的BIM模型包含太多不相关的数据,这些数据会产生大量难以处理的文件[30]。又由于目前项目设计采用二维图纸,更加阻碍了BIM在国内设计和施工中的应用,BIM仅在一些层面起到了基于二维图纸设计的一个补充作用,并没有发挥应有的作用。因此,相关企业要求BM部门能够更好地针对典型设计任务开发基于BIM的有效解决方法。


5、结语


在建筑业的发展趋势下,装配式建筑设计得到了越来越多的关注和更加广泛的应用,构件设计和连接节点设计是装配式设计技术的关键所在。建筑业正在积极推动新型预制装配式结构体系的大规模推广应用,加快建筑工业化发展进程。实现BIM应用并整合到设计流程中,促进各专业之间更大的合作和交流有待提高。因此,在装配式建筑的发展道路上还需砥砺前行。


——艾菲玛·艾合塔木《四川建筑科学研究》


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(编辑:奚雅青)


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