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装配式住宅结构自动拆分与组装技术研究

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引言


装配式住宅,其实就是采用现代化的科学技术手段,以先进的、集中的、大工业生产方式代替过去落后的、分散的、手工业生产方式建造的住宅,以达到住宅建筑设计标准化,构件生产工厂化,施工机械化和组织管理信息化的目的。


装配式住宅起源国外,其原因主要有两个。一是工业革命,大批农民从农村涌入城市,促进了城市化运动的急速发展,而城市居民数量的暴涨也导致了住宅的严重不足,大装配式生产方式因此而生;二是第二次世界大战,战争的破坏导致城市住房存量大量减少,同时军人的大批复员,住宅矛盾更加激烈,也正是在这种情况下,众多建筑师开始考虑以装配式的生产方式建造住宅。


在国内,装配式住宅也并非新体系或新技术,早在建国初期,战后的中国住房需求量大,在苏联的影响下尝试使用装配式的方式进行房屋建设,但由于当时专业上以及生产施工技术上的不足,装配式住宅的发展困难较大,更由于自然灾害的侵袭,将装配式住宅建设中隐藏的问题暴露无遗,使其在之后很长一段时间处于停滞状态。直至21世纪以后,随着结构设计、生产方式以及施工技术的日益提高,环境问题的凸显,装配式住宅再一次受到广大业内人士关注,并对其有针对性地进行了大量研究,确保其在整体结构安全的基础下进行推广,必将对整个建筑业产生巨大而深远的影响。


1、装配式住宅的现状


相比于传统现浇住宅,装配式住宅的特点之一就是需要对构件进行拆分,以达到工厂生产,现场组装的目的。这种特有的建造方式使其尺寸和配筋更加标准,现场湿作业量减少,人工及材料用量等都大幅度降低。虽然装配式建筑有诸多优点,但是由于目前国内对于装配式结构设计规范的不完善,各地采用的结构体系、设计手法以及对应的生产施工方式各异,没有统一的指标,使其在应用中存在诸多问题。比如装配式构件深化设计不合理,预制构件厂区较远,产品质量精度无法保证,现场堆放无序,安装工人经验不足等问题,都在一定程度上影响了房屋质量,阻碍装配式住宅的推广(图1)。



造成上述问题的重要原因之一,就是BIM 技术的应用率低,传统的二维设计手法无法在构件拆分阶段充分考虑构件的可生产性、可运输性、可吊装性以及可安装性。而恰恰在装配式住宅的设计、生产、运输、施工、运营维护全流程中,预制构件的拆分设计是第一步,却也相当于装配式住宅全流程中的链条,拆分设计方式决定后续各个阶段的协调性和可操作性,如能实现装配式住宅结构合理的自动拆分,设计阶段将为事半功倍。


鉴于国内当前装配式住宅产生的问题,BIM 技术对于装配式住宅的拆分和组装的应用迫在眉睫。基于此目的,本文梳理了BIM 技术在结构自动拆分和组装技术研究的流程和问题,将BIM 技术优势与结构自动拆分和组装相结合,在实际工程中体现其应用价值。


2、自动拆分的前提和原则


装配式住宅构件深化设计之前,需将主体结构构件进行合理的构件拆分设计,主要是指依据装配式构件拆分原则,将预制构件拆分为供生产及现场装配的单体构件,它是混凝土主体结构设计后的构件深化设计,也是建筑结构的二次设计,之后在施工现场通过专业的安装连接技术进行单体构件间的组装。


2.1 拆分前提


根据现阶段在国内应用较成熟的装配式体系,建筑工程中需要拆分的构件主要包括:①竖向构件,包括全预制剪力墙、PCF 墙板、夹心保温墙板、叠合板式剪力墙、女儿墙、预制柱、外挂墙板、预制飘窗等;②水平构件,包括叠合楼板、叠合梁、全预制梁、叠合阳台板、全预制空调板、全预制楼梯等。


而装配式住宅结构若想达到自动拆分,首先需要满足以下几个前提:


(1)节点标准化。标准化的节点给自动拆分提供了依据,使结构在节点处根据指定尺寸自动拆分。


(2)构件模数化与去模数化相结合。结构自动拆分时,阳台、空调板、楼梯等构件应该模数化,但是墙板、楼板构件却需要去模数化设计。墙板构件模数化和节点标准化是两个不协同的概念,节点的标准化势必无法保证拆分出的墙板构件为模数化;同样,模数化的墙板构件也会导致节点各异。而叠合构件不受模数限制的去模数化特点,使结构可以在节点标准化的基础上实现自动拆分。


(3)BIM 技术的运用。显而易见,唯有在BIM 中整合,才可将节点、构件等信息集成,并通过BIM 软件自动拆分。


2.2 拆分原则


2.2.1 结构平面布置


装配式住宅结构的平面布置宜更加规则、均匀,具体可体现在如下几点:


(1)户型模数化、标准化,依据《建筑模数协调统一标准》(GBJ2—86)和《住宅建筑模数协调标准》(GB/T50100—2001)。


(2)厨房的模数化、标准化,依据《住宅厨房及相关设备基本参数》(GB/T11228—2008)。


(3)卫生间的模数化、标准化,依据《住宅卫生间功能和尺寸系列》(GB/T11977—2008)。


(4)楼梯的模数化、标准化,依据《建筑楼梯模数协调标准》(GBJ101—1987)。


2.2.2 平面形状


依据《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ1—2014),平面长宽比、高宽比不宜过大(表1),局部突出或凹入部分的尺度也不宜过大,平面形状宜简单、规则、对称,质量、刚度分布均匀。



2.2.3 竖向布置


结构竖向布置宜规则、均匀,竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料宜自下而上逐渐减小,避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力竖向突变,承重构件宜上下对齐,结构侧向刚度宜下大上小。


2.2.4 构件划分


结构相关预制构件(柱、梁、墙、板)的划分,应遵循受力合理、连接简单、施工方便、少规格、多组合,能组装成形式多样的结构系列原则,其中:①预制梁截面尺寸尽量统一,配筋采用大直筋、少种类;②预制剪力墙两端边缘构件对称配筋;③预制带飘窗墙体、阳台、空调板、楼梯尽量模数化;④楼梯与相邻剪力墙的连接在受力合理的情况下尽量简单。


3、自动拆分和组装的过程及难点


为使装配式住宅结构拆分达到自动的目的,必须在拆分前对建筑及结构进行合理布置。因此,拆分的理念在项目的方案阶段就可以开始并贯穿整个前期设计,即从方案阶段的总体拆分到深化阶段的细化拆分,拆分过程如图2 所示。




不同装配式体系的结构拆分根据它们间的组装方式有其自身特点,不可一概而论。针对其中的叠合板式剪力墙在装配式住宅中的结构拆分和组装,宝业集团已经对此作了大量试验研究,也在众多装配式项目中进行应用,不过在期间的构件设计、生产、运输与现场安装过程中,仍遇到许多问题需要注意优化。


3.1 叠合板式剪力墙拆分的尺寸


实践设计中,东西山墙的设计往往不会存在窗洞,对山墙可以不进行拆分整体预制,也可以拆分为2 ~ 3 片单体构件,在拆分尺寸上如何选择需要根据实际情况对生产、运输、吊装成本权衡考量。整体预制可以提高生产与组装效率,但是大构件的运输以及塔吊的选型会增加额外的成本;同样,拆分为多块小板会增加生产费用,并需要附加构件间连接处理工作,降低组装效率,但是在运输和塔吊型号选择上就会有所降低。在装配式住宅设计经验不足的情况下,不周全的考虑就可能拆分出不利于后期操作的方案。


3.2 叠合板式剪力墙在L 型(同T 型)节点处的拆分与组装


叠合板式剪力墙由两片预制板通过桁架筋连接而成的特性,使其在节点处可以灵活调节两片板的长度。现阶段较成熟的拆分方式为内包、外包和双边敞开三种(图3)。三种拆分方式各有利弊,面对具体项目在节点处叠合墙板的拆分时,需要对此进行考虑,选择一种合适的拆分方式。除此之外,拆分完成后还需要充分考虑构件在现场的组装,往往存在的问题是,理想化的钢筋锚固方式导致现场安装困难重重,锚固钢筋的碰撞使构件不能安装到指定位置,也会妨碍现场钢筋的摆放绑扎。



3.3 门窗洞口对拆分的影响


由于受传统设计流程的影响,最初的建筑设计方案并不会过多考虑其对装配式建造方式的影响,造成后期深化设计协调、沟通、修改频繁,影响工程进度。装配式结构需要考虑带洞口单体构件的稳定性,避免出现悬臂窗上梁或窗下墙,恰恰这点容易被没有装配式住宅设计经验的建筑师忽视,过于贴近节点的洞口造成叠合墙板拆分困难,需要时常改变建筑方案来满足装配式构件要求。因此,如能建立建筑方案设计的局部标准化设计准则,会给装配式住宅自动拆分和组装带来极大的便捷性。


3.4 短小墙体的拆分


对于平面不规则、凹凸感较强的建筑形式,易出现较难拆分的转角短墙。基本完全处于现浇边缘构件区域,在满足规范的前提下极难使用叠合板式剪力墙拆分,即使勉强进行短墙拆分,安装过程中节点的复杂连接、安装空间的不足,也会降低装配式住宅施工效率,因此在建筑设计时需要尽量规避此类转角短墙。


3.5 竖向拼缝、水平拼缝的组装


由于对装配式住宅科研及规范的不完善,实心墙体的灌浆套筒、浆锚搭接的施工质量把控,叠合板式剪力墙水平拼缝的插筋间接搭接的结构合理性都存在争议。宝业集团也对此进行了大量试验,以试验数据表明,双排插筋在水平拼缝处的间接搭接连接可以很好地保证整体结构的抗震性能。


3.6 楼板对于结构拆分的影响


楼板作为结构构件,其影响拆分的因素有两点。首先是楼板本身,异型的楼板可以提高施工效率,但是需要采取有效的加固措施,防止不规则处发生应力集中导致楼板开裂等问题;其次,楼板的厚度决定着叠合板式剪力墙的内墙净高,相同的楼板厚度可在一定程度上提高结构的拆分和组装效率。


4、利用BIM 技术对装配式住宅结构拆分和组装的优势


BIM 技术的应用对装配式住宅的发展至关重要,可贯穿设计、生产、运输、施工、运营维护全流程。基于BIM 的可视化、协同性、模拟性的特点,可保证各专业、各工作成员间都在一个三维可视环境下的协同工作,并通过真实的模拟施工过程来预先发现可能存在的问题,最大限度减少因设计或施工方面的失误带来的遗憾。因此,数据化的BIM 技术应用是实现高效高质低能耗建筑的前提。


4.1 利用BIM 技术对结构拆分的优势


在装配式住宅结构设计阶段,由于装配式住宅设计协同难度大、设计质量要求高、设计内容要求全、对成本管控严,传统设计方式无法满足装配式住宅的要求,BIM 技术从可视化、协同化、参数化三方面使装配式住宅结构达到自动拆分目的。


(1)可视化:利用内梅切克(Planbar)的三维可视模型,形象、直观地表达构件信息,对墙板拆分的合理性、正确性、完整性、一致性进行审核。


(2)协同化:结合土建、装修、部品设计的要求灵活调整拆分形式,协调各专业高效开展工作,设计深化、修改实时联动更新,很大程度上避免了人为沟通不及时带来的设计错漏。


(3)参数化:利用内梅切克(Planbar)的参数标准化设置对结构进行自动拆分,比如节点宽度、构件超限设置、拼缝设置等,有效规避人为拆分可能造成的墙体过短、构件过重等问题,通过软件提前检测组装过程中的钢筋碰撞等问题。


国内目前在BIM 技术的应用中主要通过内梅切克(Planbar)、Tekla 等软件实现。其中,内梅切克软件来自德国。德国装配式住宅的发展速度和高度均处于世界领先地位,先进的机械制造业为其装配式住宅发展保驾护航。在德国建筑业社会化分工的基础上与内梅切克软件协作,促使信息化数据无缝对接,是国内发展和应用BIM 技术的参考。


在实际应用BIM 技术对装配式住宅结构进行自动拆分前,首先需将装配式住宅的常用节点、钢筋信息、埋件信息、构件参数等数据,根据结构设计规范以及施工工法进行整理归纳,总结出适用于自动化拆分的数据库。在三维精确建模的前提下,对墙板间的L 型、T 型、一型节点一键拆分,使其每块叠合墙板的构件尺寸、重量、结构、配筋合理,并根据数据库中信息提示不规则、难以拆分的墙体,使设计人员能在第一时间发现并调整。


BIM 技术将传统的二维构件设计用三维可视化设计替代,保证构件之间的开槽、洞口连贯,并采用标准化的设计族插入模型应用,构件图设计阶段仅需将三维构件图导出二维图形,经过简单处理补充,即可完成构件的平、立、剖视图,大幅度降低了繁琐的二维设计过程,且能保证各视图间的一一对应关系。


4.2 利用BIM 技术对结构组装的优势


在构件的组装阶段,整合预制构件、塔吊布置、现场钢筋布置等信息的BIM技术对构件组装的帮助巨大。BIM 技术的钢筋碰撞检查可以让设计及时调整叠合墙板内的外伸筋位置,在三维效果中预先制定施工吊装、钢筋绑扎方案,并据此安排塔吊位置数量,使图纸的高质量得以保证。结合施工进度模拟,优化调整施工方案,施工单位可将计划进度与BIM 模型加以数据集成,通过模拟真实施工进度及状况,预演施工场景以便分析不同施工方案的优劣,并及时做出调整,以此获得最佳施工方案(图4)。



在装配式住宅中,也可以对项目中的重点或难点部分进行实时可建性模拟,例如对组装工作操作空间、多构件节点组装施工顺序、设备管线安装调试等施工安装方案进行优化。


5、装配式住宅节点标准数据化的研究


在实现装配式住宅节点标准化的状况下,达到节点标准数据化,是BIM 技术应用的又一大提升。而在此之前,需要将节点进行标准化设计。


5.1 节点标准化的技术难点


宝业集团上海建筑装配式研究院对节点标准化技术进行了研究,收集了大量工程节点并进行分类,根据现行规范对不同楼层、不同节点类型进行尺寸和钢筋数据调整,提取应用较频繁的节点数据分析。


经过对多个项目现浇边缘构件的对比,发现受结构体系、楼层高度、抗震等级、剪力墙布置方式等影响,节点边缘构件的变化各异。为使项目中节点类型标准,势必需要结构设计进行调试总结,将剪力墙合理布置,均匀各个节点的受力大小,使节点在形式上表现出一定的规律性,达到减少节点种类的目的。


5.2 节点标准化的研究


在L 型、T 型节点的拆分上,根据结构计算拆分出尺寸一致的现浇边缘构件区域,以其中钢筋配筋量来调节其结构抗震性能;在加大配筋量仍无法满足其刚度要求的区域,亦可将部分边缘构件区域移至叠合墙板内,协同提高节点刚度。而对于墙端端柱等一字型节点区域,同样可以“定尺变筋”的方式进行调控,而后进行数据化标准节点研究。如图5 所示,将所有L 型、T 型节点的现浇区域限制在300mm 或400mm 的范围,可以有效控制节点种类,达到节点标准化的目的。装配式住宅考虑的不仅仅是预制构件本身,现浇区域模板的标准化同样也是装配式住宅标准化的体现。



5.3 节点标准数据化的研究


从各个装配式住宅中总结完善的节点设计,例如定尺的400mm 范围一字型节点,以及每边300mm 的L 型和T型节点,基于BIM 软件内梅切克将这些节点信息有机地结合进BIM 族库中,使其标准化、模块化,根据不同项目工程在设计过程中实时调取节点进行结构自动拆分,仅需要稍作调整即可完成设计。更进一步,标准数据库还可将模数化梁、楼梯、阳台等构件进行标准化设计,并将各类标准构件集成进BIM 族库(图6)。这不仅对于装配式住宅结构的自动拆分工作有着显著的提升,对于材料成本、模拟施工、模板规格及固定方式都可进行有效调控。



当然,装配式住宅标准节点数据化需要在实践中总结积累,对设计施工中发现的节点问题进行优化,进而对BIM节点数据库进行相应更新,在一次次的应用中补充完善,以此提升设计及施工品质,将标准节点数据化真正体现在BIM 设计流程中。


6、工程项目实例


6.1 工程项目简介和分析


在当前装配式住宅的推进阶段,各地的装配式住宅项目数量庞大。宝业集团的叠合板式剪力墙体系在多年实践运用中积累了大量经验,并在国内对于装配式住宅规范不完善的情况下,通过一系列试验并结合多年施工经验,参与制定了针对叠合板体系的地方标准,使BIM 技术的自动拆分在数据库参数标准化上有了依据。2014 年底,宝业集团与上海现代建筑设计集团联合打造的上海第一幢叠合板体系示范项目楼顺利结顶,此项目结构体系为叠合板式混凝土剪力墙结构,由叠合板式剪力墙、叠合楼板、叠合式梁、叠合式阳台、预制楼梯和预制空调板,并辅以必要的现浇混凝土剪力墙、边缘构件、梁等共同形成。项目创新性地采用大开间设计手法,通过结构优化将剪力墙全部布置在建筑外围,内部空间无任何剪力墙与结构柱,用户可根据不同需求对室内空间进行灵活分割。整个项目流程以BIM 信息化技术为平台,通过模型数据的无缝传递链接设计与制造环节,提高质量和效率。具体在设计、生产、施工主要体现在以下几个方面。


(1)在此项目的结构设计上,为适应装配式住宅设计方式,将传统设计手法上的室内框架柱、局部T 型剪力墙优化。室内框架柱的取消,增加了室内空间的使用效率,达到了空间可变的目的;而局部T 型剪力墙的取消,将南北墙体平整化,使南北墙可不受边缘构件约束进行整体预制,在叠合楼板的拆分上更加便捷(图7)。


(2)在叠合墙板节点拆分方式上,采用叠合板式剪力墙外包方式。根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)对边缘构件的要求,该示范项目的标准化节点现浇段尺寸规定在400mm的区域,拆分阶段将此数据提前写入BIM 数据库中,利用BIM 数据库自动三维拆分,提高了深化设计效率,使其在结构自动拆分后符合现有规范要求,在一定程度上表现了标准化结构节点的数据化特征。在保证叠合板式剪力墙外伸段安全下,外包的方式利于构件现场的组装,将大部分作业移至室内进行,模板的固定、钢筋的绑扎质量都较高(图8)。



(3)在较长墙板的拆分方式上,考虑到生产、吊装的便捷性,宝业集团采用了大板整体预制的方式,在该示范项目中,仅将每个单元的南立面墙体做一次拆分,减少构件种类,并且将一字型的边缘构件与叠合墙板整合,简化了设计、生产、运输、施工上的工作,从多方面降低了项目成本(图9)。




(4)在叠合主梁、次梁、端柱节点上,项目采用BIM 技术对构件设计、组装方案、组装顺序进行了模拟,通过BIM 软件三维设计节点构造模型,模拟施工过程中各构件组装与现浇段钢筋搭建的可行性,以此优化叠合梁纵筋水平位置,交错放置,保证实际施工过程中各构件组装顺畅(图10)。



6.2 工程项目总结


根据对该示范工程从设计、生产、运输到现场施工全流程的实施总结,并结合宝业集团在装配式住宅领域多年的研发、施工经验,笔者认为,装配式住宅的结构自动拆分与组装中应具备以下特点:


(1)三维设计可视化。三维设计是实现结构自动拆分的基础,也是装配式住宅深化设计最直观的特点。


(2)方案设计协同化。提前介入的水、电、暖通专业配合建筑、结构专业协同设计,根据标准化设计方式进行相应调整。


(3)参数节点标准化。只有节点标准化了,才可以利用BIM 技术根据标准化节点数据实现拆分标准化。


(4) 叠合构件大板化。在符合现行规范的条件下,尽量采用大板形式,以此提高各环节的工作效率。


(5) 施工进程模拟化。利用BIM 模拟施工过程,对现场构件组装过程中的重点难点提前检验。


7、结语


随着装配式工程项目的迅速发展,基本的结构拆分已不是难点。但是,信息化时代所必须具备的是如何从结构拆分上升为结构自动拆分,其中的问题需要通过深入研究及大量工程实践来探讨解决,而BIM 技术的应用是必经之路。希望本文中基于BIM 技术对结构自动拆分和组装的理解和应用示例,能给业内人士新的思路,一起推动装配式住宅向信息化、智能化的演变。


本文作者:樊 骅  夏 锋  丁 泓 ,参加本文写作的还有恽燕春。

樊骅,宝业集团股份有限公司副总工程师,宝业集团上海建筑工业化研究院院长;

夏锋,宝业集团上海公司总经理;

丁泓,宝业集团上海建筑工业化研究院主任结构工程师


责任编辑:施丹丹




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