基于BIM技术的装配式剪力墙结构深化设计研究 罗富中 姚大伟 杨经纬 韩俊杰Summary：装配式建筑的快速发展对建筑设计领域提出了新的要求，而以BIM技术为代表的建筑信息化技术也为建筑的设计带来了新的发展本文以某装配式剪力墙结构住宅项目为例对BIM技术在深化设计中的应用进行研究，找出项目设计过程的要点与关键环节，总结BIM技术在项目应用中的优势与效益，对项目设计过程中所发现的问题进行分析并提出了相应的解决思路Key：BIM技术;装配式建筑;剪力墙结构;深化设计：TU241 ：A ：2096-6903（2021）07-0000-001 研究背景2013年以来，中央及地方政府持续出台大量相关政策，大力推广装配式建筑产业现代化发展，同时，随着装配式建筑技术体系的日趋成熟，我国装配式建筑产业终于迎来了高速发展阶段根据住建部发布的相关数据显示，2020年，全国装配式建筑新开工建筑面积共计6.3亿㎡，占新建建筑面积的比例约为20.5%，较2019年增长50%，近5年平均增速超过50%总的来看，近年来装配式建筑发展迅猛，在促进建筑产业转型升级，推动城乡建设领域绿色发展和高质量发展方面发挥了重要作用。
相较于新开工建筑面积的快速增长，BIM技术作为建筑产业信息化的核心技术之一，发展速度却不可谓迅速相较于发达國家，我国建筑产业信息化技术与BIM应用水平较低，建筑企业信息化投入约占总产值的比例0.08%，而发达国家为1%左右随着我国建筑信息化产业的不断发展进步，BIM技术将会将成为推动整个建筑行业持续高速高质量发展的重要助力2深化设计内容相较于传统建筑的设计流程，装配式建筑在方案设计阶段与施工图设计阶段都有额外的工作需要完成在方案设计的同时，我们需要编制装配方案，确定装配式建筑相关指标与基本的技术路线;而在施工图阶段，装配式建筑还需要进行专项设计，即需要对方案阶段所确定的设计目标进行准确的拆分并对连接形式、节点构造等进行计算，满足相应地区的装配式建筑计算细则，保证项目的顺利实施，如图1所示深化设计是项目设计过程中最末端、最精细、图纸深度要求最高的阶段，同时也是设计与施工之间承前启后的部分，既需要充分满足前期设计功能与安全等要求，同时还需要兼顾现场运输与吊装等各个阶段的不同需求通过BIM技术的运用，我们可以在深化设计阶段充分整合建筑、结构、机电、装修等各专业需求，通过可视化的信息化模型解决前端问题与缺陷，消灭设计与施工间的信息偏差，指导后端生产与现场施工，通过施工模拟技术为施工组织设计提供依据，全方位保证项目绿色、高效实施。
本文以某装配式剪力墙住宅项目为例，采用国标装配整体式剪力墙结构技术路线，通过Revit系列BIM软件结合相关深化设计软件，基于构件进行深化设计，主要涉及预制剪力墙、预制梁、叠合板等多种类型的预制构件2.1 模型建立在完成专项设计后，采用Bee-PC深化设计软件在Revit平台开始对预制构件进行深化设计根据项目拆分方案，按楼层到楼栋的顺序，基于单个构件开始建立预制剪力墙、预制叠合梁、预制叠合板等部品部件BIM模型并将其调整至准确位置，同时对现浇部分模型加以区分完成模型后，可通过软件功能快速计算装配率与预制率等数据，确保设计符合要求2.2 筋排布及优化设计根据对应结构专业施工图调整预制构件钢筋排布，同时考虑不同预制构件间的钢筋碰撞问题，及时调整预制构件钢筋排布，必要时还需要向前端反馈问题并调整拆分设计方案，确保深化设计到工厂生产，现场安装的可实施性本项目在钢筋排布阶段，通过对剪力墙、叠合梁、叠合板等预制构件的配筋间距与配筋直径进行了大量优化调整，如在墙板及叠合板类构件中均采用间距200的间距，通过不同直径与附加实现差异化配筋，同时还可以调整板边第一根钢筋的保护层厚度，使接缝两侧叠合板在实现钢筋避让的同时还能使用同一套模具，大大提高了本项目预制构件生产的标准化程度，减少不同种类的钢模板用量，在提高效率的同时还降低了预制构件的模板摊销成本，发挥出了装配式的核心优势。
2.3预留预埋设计在建立预制构件部品部件BIM模型的同时，还需要对电气、给排水、暖通与精装等各专业的预留预埋进行深化设计首先需要确定各专业预留预埋位置及产品规格，并在BIM模型中建立对应型号的预埋件，对预留预埋件与钢筋、桁架碰撞问题进行处理，及时调整不合理设计，在优化布置方案的同时，还便于统计原材料的需求数量本项目预埋件较多，类型包括PVC线盒、金属线盒、D50～D100止水节、D80～D150钢套管等，单件预制构件的预埋件数量最多超过了10个，存在较多的钢筋避让问题，局部无法实现钢筋避让的，还需采取截断桁架，断开、弯折或搭接等方法处理预制构件钢筋并额外附加加强钢筋，或反馈机电及精装专业人员调整设计方案预埋件的深化设计是深化设计阶段较为枯燥、繁琐的工作，但其对整个装配式建筑项目顺利实施具有重要意义，只有在深化设计阶段将各类预留预埋进行精确的定位与避让设计，才能减少后期问题，保证项目生产和施工阶段的顺利进行，真正实现装配式建筑的绿色高效，如图2所示2.4 深化设计阶段的验算与设计为了保证预制构件生产与施工安全，我们需要对构件生产过程中的脱模与吊运，施工过程中的吊装与斜撑等各种工况进行验算与设计，而其中最关键的就是吊点设计。
合理的吊点设计能够有效的避免预制构件吊装过程中产生的开裂和安全风险从深化设计角度出发，吊点设计主要考虑工厂脱模吊装和现场安装吊装两个阶段，要对两种不同工况分别进行正截面混凝土法向拉应力、混凝土开裂弯矩、钢筋屈服强度等分析验算，最终计算出合理的设计方案;同时，还要根据预制构件自身重量、钢筋排布、安装方式、节点碰撞等各种因素，合理选择不同的吊点形式并配置对应的吊点加强钢筋例如在本项目中，预制外墙的吊点的设计考虑到墙板类构件较重，采用了预埋吊环的设计，在减少吊点数量、提高吊装效率的同时保证里吊装过程的安全;叠合梁的吊点设计考虑到剪力墙住宅项目的梁截面与跨度较小、重量较轻的特点，采用了预埋吊钉的方案，既保证了吊装安全，也避免了叠合梁后浇部分在钢筋绑扎时出现的梁上部纵筋、叠合板胡子筋等与吊环钢筋碰撞的问题，方便现场施工人员操作;预制叠合板的吊点采用了在桁架钢筋波谷处布置加强钢筋并在桁架波峰处设置吊点的形式，既可以减少吊环钢筋的用量，节省材料，还可以避免因为吊环钢筋高出叠合层板面，需要在完成吊装后二次切割吊环钢筋的问题等等2.5 装配式连接节点构造本项目所采用的装配式技术路线为装配整体式剪力墙结构体系，即构件通过可靠的方式进行连接，与现场后浇混凝土、水泥基灌浆料等形成整体结构，共同抵抗荷载，其核心理念为“等同现浇”的装配式建筑设计，所以安全可靠的节点连接方式是保证结构适用性、安全性与耐久性的关键。
预制构件的连接类型按其工艺可分为湿式连接或干式连接，本项目主要预制构件类型包括预制外墙、预制叠合梁、预制叠合板、预制阳台及预制楼梯等，均采用湿式连接的形式，主要包括后浇混凝土连接与灌浆套筒连接后浇混凝土连接即在同一标高的相邻预制外墙或预制叠合板等预制构件间设置后浇混凝土带，完成吊装后在现浇区域绑扎搭接钢筋后用混凝土将其浇筑成一个整体套管灌浆连接就是在预制构件钢筋连接部位预埋高强度的灌浆套筒，在安装时将另一侧预留竖向钢筋插入对应灌浆套筒内并用高强度无收缩的灌浆料填充密实，形成可靠连接的整体而根据所连接的构件类型，连接节点还可分为墙-梁节点、主-次梁节点、墙-墙节点、梁-板节点等，这些连接节点除需满足结构设计安全、可靠等各方面的要求外，还需要利用BIM技术进行节点钢筋的碰撞避让设计，避免现场施工时因钢筋问题导致安装困难一般来说，预制构件在工厂完成生产，其产品质量较现场浇筑会有较大提升，而到了现场施工阶段，连接节点的施工质量往往取决于现场工人与管理人员素质，如套筒灌浆技术施工质量的不可视性更增加了质量管理难度，毫不夸张的说，节点连接是装配式建筑实施过程中至关重要的一环，对建筑的质量、安全，乃至整个项目的成败起着决定性作用，如图3所示。
3 BIM深化设计的效益分析BIM技术与装配式建筑的关系如同双生，彼此需要，彼此成就，BIM技术为装配式建筑的发展提供了有力支撑，是装配式建筑设计与管理的重要工具;而装配式建筑为BIM技术提供了舞台，只有现代化的建筑产业也能真正发挥BIM技术的优势，实现质量与效率的提升，品质与成本的双赢BIM技术的引入对装配式建筑的深化设计有着显著的提升，而从整个项目实施流程来看，BIM技术同样影响深远在前期设计阶段，基于BIM技术的深化设计与传统二维深化相比，其最大的区别就在于可视化、参数化与集成化可视化顾名思义就是以三维模型的形式展示建筑设计与部品部件细节，简单直观，准确易理解，无论是内部校核还是对外交流，可视化的模型都让人能够快速理解意图、交流调整;参数化就是将建筑与部品部件变成完整、准确的参数化指标，无论是建筑总体的统计分析还是细节处的建模修改，参数化的模型数据都能在不同阶段、不同軟件间准确传递;集成化不仅包含了部品部件对其附属预留预埋的集成，更是集成了建模与规范图集信息，在建模过程中实时联动规范图集，辅助设计师完成设计任务而在后期的生产与施工过程中，采用BIM技术进行深化设计的项目既能通过部品部件模型输出BOM信息统计表，连接生产端自动化生产线加工生产，大大提高生产效率与准确性，又能将模型数据用于施工单位的现场布置、施工吊装等模拟，为现场施工组织设计与项目管理提供依据与参考，助力项目精细化管理，实现降本增效。
4应用难点分析与解决思路BIM技术对于深化设计的显著提升是毫无疑问的，但就目前BIM技术与装配式建筑的发展应用情况而言还存在较多的问题与较大提升空间，这些问题不仅是BIM技术与深化设计自身问题导致，也是整个建筑产业链和建筑体系现状所决定的，需要从主管部门到各级单位，全产业共同努力才能解决4.1 BIM技术应用现状BIM技术的发展从时间上来说还为时尚短，各家BIM平台公司百花争鸣，涌现了大量BIM相关应用，这也导致了BIM技术领域缺少统一，权威的应用平台，设计、施工、造价等不同方向都有公司在争相研制，各有所长，乃至于结构的计算与其他专业的BIM模型都不在同一个平台尽管激烈的竞争在一定程度上促进了BIM技术的快速发展进步，但客观上也大大降低了产业链上各专业、各环节的沟通传递效率从国家层面，BIM数据的标准化正在逐步展开，随着《建筑信息模型应用统一标准》（GB/T51212-2016）等一系列国家标准的出台，相信在不久的将来，BIM技术在建筑产业一定大有可为4.2 深化设计与前端专业协同问题深化设计是整个设计阶段最末端的环节，也是对接生产最直接最紧密的环节，这也决定了深化设计的特点，即要在保证符合前端设计要求的同时，让预制构件能够顺利生产吊装。
而目前来说方案设计、施工图设计、装配式专项设计、深化设计往往由不同单位完成，等到前端的施工图与装配式专篇完成后才有深化设计人员介入，各家单位各专业自顾自地设计，缺乏通盘考虑，大量问题都汇集到深化设计专业，深化设计需要与上游专业、单位反复沟通，修改，大大降低了设计效率与设计质量想要解决这一问题，一方面需要深化设计专业的提前介入，比如由总承包单位统筹设计与施工，选择方案、施工图与深化一体化的设计单位，或是安排深化设计从方案阶段开始全程介入，跟踪并解决影响后期生产施工的核心问题，另一方面也需要前端的设计人员改变传统现浇结构的粗犷设计理念，从而提高项目拆分深化与生产施工的质量和效率4.3标准化设计问题建筑产业现代化的第一步就是从源头设计开始，用工业化的理念开展建筑标准化、模数化、模块化的设计目前，重庆地区装配式设计领域还是以现浇施工图+装配式专项设计+深化设计的模式为主，而从传统理念出发的设计方案往往在标准化设计方面较为匮乏，大量的非标准设计既加大了深化设计的拆分与。