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    基于BIM的裝配式結構設計方法探析

    來源:原創論文網 添加時間:2020-04-10

      摘    要: 裝配式建筑作為建筑業未來的發展方向,是當前實現建筑工業化的最有效方法之一,有利于提高生產效率。設計方法是實現裝配式建筑的重要內容。本文針對裝配式結構中的結構設計、拆分設計、節點連接設計等方面的傳統設計方法進行了總結,從參數化設計方法、拆分設計方法及Revit二次開發設計方法3方面介紹了基于BIM的裝配式結構設計方法,并通過比較傳統裝配式和基于BIM的裝配式設計方法,提出了當前行業運行裝配式建筑設計方法存在的諸多問題,以期能促進裝配式建筑的發展。

      關鍵詞: 建筑工業化; 裝配式結構; BIM; 設計方法;

      Abstract: With the demand for the development of construction industry in the new era, the construction industrialization has gradually come into people's sight. Assembled building is one of the most directly ways to realize the construction industrialization, which can effectively improve the quality of structure, reduce labor costs and accelerate the process of construction industrialization. Design method is the core content of assembly building, and it is an indispensable part of building industrialization. This paper expounded the design method of assembly building, and studied the standardization design, joint connection design, structural design and structural design. At the same time, the design method of assembly structure based on BIM was introduced. The parametric design method, split design method and Revit secondary development design method were studied. Through comparison and analysis, the paper put forward many problems in current industry operation of assembly building design methods, in order to accelerate the development of assembly building and realize industrialization.

      Keyword: construction industrialization; fabricated structure; BIM; design method;

      0 、引 言

      隨著建筑業的不斷發展以及人們對建筑設計需求的持續增大,中國建筑業進入新的“工業化革命”時期。眾所周知,裝配式是建筑工業化的代表,可有效降低施工成本。然而,由于對預制裝配式建筑設計存在認識誤區,導致建筑工業化發展進程遲緩。裝配式結構是指預制構件在工地通過可靠的連接方式裝配而成的結構[1]。裝配式設計方法是建筑、結構、設備共同參與對裝配式結構進行設計,最終由設計人員進行深化設計的過程。設計方法需要遵循的原則除了應滿足裝配式結構使用要求,還應遵循“一體化”、“標準化”、“模塊化”、“通用化”的設計原則,通過少規格、多組合的方式提高建設效率,降低成本[2]。

      本文針對裝配式結構中的結構設計、拆分設計、節點連接設計等設計方法進行了總結,從參數化設計方法、拆分設計方法及Revit二次開發設計方法3方面介紹了基于BIM的裝配式結構設計方法。
     

    基于BIM的裝配式結構設計方法探析
     

      1 、傳統的裝配式結構設計方法

      裝配式建筑設計的變化從現澆到現澆與裝配共同配合的結構形式,從通用技術和體系轉變成專有技術和工藝,是一個跨行業的聯合發展過程。傳統裝配式設計方法基于結構性能,對結構進行先整體后拆分設計,將整體結構拆分成預制構件和連接節點2個部分,把施工設計拆分成預制構件的生產和裝配2個部分。其設計方法主要包括結構構件的設計、預制構件的拆分設計、構件的連接節點設計、有限元分析設計。

      1)結構構件的設計

      結構設計是以結構計算與分析為基礎,再根據分析結果進行構件的設計。盧家森[3]系統總結了預制混凝土框架結構設計方法,通過計算參數的選取進行了結構整體計算分析,闡述了預制柱、疊合梁及鋼筋桁架疊合樓板等構件的設計方法,并通過實際工程進行了詳細分析,為工程提供了有益參考。鄭毅超[4]對疊合板單向預應力承載力和雙向預應力剛度分別進行了分析,對雙向疊合板的彈性設計方法進行了研究,通過推理方程證明了疊合板雙向樓板彈性設計方法的合理性,且對疊合板的預制構件進行了設計以及受力驗算,通過分析倒T型預應力雙向疊合板的構件設計,提出了預制構件的多種幾何參數和鋼筋的合理性。

      2)預制構件的拆分設計

      結構計算和構件設計工作完成后,需要對構件進行拆分設計,拆分需滿足施工要求,且拆分構件種類盡量少,拆分的構件應不影響建筑設計的使用功能。王曉珊[5]通過具體案例,在介紹等同現澆的基礎上闡述了預制裝配式結構的拆分設計,展示了剪力墻體與梁的拆分,樓板拆分以及樓梯和陽臺拆分,指出了行業對拆分設計方法沒有統一的標準和原則,通過整體設計、拆分設計、構件深化設計以及創建預制構件庫等設計方法對裝配式結構設計方法進行了探究。李紅旺[6]介紹了2種裝配式剪力墻結構拆分方案,“邊緣構件全部現澆,非邊緣構件預制”和“邊緣構件部分現澆,水平鋼筋環插筋連接”,通過對比已有的2種拆分方式,提出了一種新型剪力墻結構拆分方式——外墻基本全預制,現澆部分設置在內墻。這種拆分是建立在柱梁體系拆分方法基礎上的革新。外墻基本全預制,內墻可選擇部分預制或者全部現澆,新型拆分方法避免了前2種拆分方式存在的邊緣構件箍筋承擔水平剪力,預制墻板變成豎向傳力構件使結構整體傳力途徑不清晰等關鍵性問題。

      3)構件的連接節點設計

      裝配式結構設計是通過節點的可靠連接實現的,不同結構具有不同的連接方式。葉浩文等[7]研究了有利于高效化裝配的標準化設計、全裝配式結構體系及連接節點設計,并提出了關鍵的“三個一體化”裝配式建筑設計方法。鐘春玲等[8]闡述了多種地上裝配式結構節點連接,并介紹了現場直接灌注混凝土節點連接和預應力緊固螺栓節點連接采用榫接的連接方式,連接方法采用張拉法,克服了裝配式結構節點受力可靠性差等缺點。陸鍵榮等[9]采用預制預應力雙T板技術,提出了6種不同的預制構件連接組合方案,介紹了裝配式設計方法在未來建筑中的作用。通過在實際項目中實施雙 T 板與疊合梁的連接、預制主次梁的連接、疊合樓板與疊合梁的連接等多種連接方式,達到了縮短工期及提高經濟性等目標。盧家森[3]闡述了預制柱連接、疊合梁與預制柱連接、樓板與柱的連接等設計方法,并通過工程實例證明了上述主要節點構造滿足裝配式設計要求。

      4)有限元分析設計

      有限元分析方法指先將彈性連續體離散化,變為有限個單元在角點鉸接的組合體,分析每個單元體的受力與變形的關系,再將各單元進行組裝的過程。用有限元分析進行設計時可通過對連接件個數和間距的調整,改善樓層受力情況,滿足設計要求。利用有限元分析方法可就參數,即邊梁強度,連接件間距、 強度,混凝土強度等對受力性能的影響作用進行分析[10]。王海峰等[11]通過有限元分析軟件ANSYS分析了幾種構件,通過模擬裝配式節點得到了節點極限承載力的相關數據,分析獲得了對構件節點受力特征較為全面的認識。黃頻等[12]采用非線性有限元分析軟件對 5 個新型預制裝配式節點進行了單調荷載作用下的三維非線性有限元分析,通過合理的單元劃分、本構模型的選取以及邊界條件的參數化設置獲取了難以通過試驗測量得到的節點細部受力特性,從而獲得了對結構設計更全面的認識。陶月波[13]通過實際案例分析了裝配式混凝土梁柱一體節點在受到靜力作用和低周往復荷載作用時的受力情況,指出了裝配式節點設計在多種受力情況下可達到理想的性能,通過有限元軟件ABAQUS分析得出了在不同受力下裝配式連接節點以及現澆節點的應力和位移,說明裝配式節點連接是裝配式建筑安全的關鍵,且裝配式混凝土節點連接的抗疲勞性能有待提高。

      由上述可知,傳統的設計方法阻礙了標準化和工業化設計發展進程。因此,需要改變從整體設計分析再到預制構件拆分的設計思路,而改為面向預制構件基于BIM的裝配式結構設計方法進行設計[14]。

      2 、基于BIM的裝配式結構設計方法研究

      基于BIM的設計方法需要各專業協同設計,以有效降低設計錯誤率,從參數化設計方法、拆分設計方法及Revit二次開發設計方法3方面介紹基于BIM的裝配式結構設計方法。

      2.1 、裝配式參數化設計方法

      參數化設計是指將整個系統分為獨立的小空間模塊,根據用戶需求對單獨模塊進行選擇和設計,再創建出具有不同功能及性質的模塊體系。韓進宇[15]的研究表明,通過參數化組合形式可實現建筑從單元到整體的轉變。設計遵循從上到下的多層次設計結構組合。本文通過BIM從族庫中挑選所需,運用到基于構件庫的深化設計階段,實現結構模擬和施工等程序的結合。其中,深化設計是裝配式結構設計過程中最重要的一步,應滿足建筑、結構和機電設備等各專業及環節的綜合要求[16]。

      張超[17]研究了基于BIM的裝配式結構設計與建造關鍵技術,闡述了參數化設計是結構設計標準化的基石,標準化設計是裝配式設計的關鍵。三者關系緊緊相扣,是順利完成裝配式結構設計的重要步驟。將相同類型的構件整合為一個構件庫,在設計時從預先創建好的族庫中選擇所需構件,若查詢不到所需構件,設計人員可參數化定義新型構件,創建的新構件稱為“族”,用于滿足特殊的建筑布局要求。裝配式參數化設計是DFMA(制造和裝配設計)與BIM的有機結合,是一種新的設計理念[18]。所有的參數化預制構件必須符合面向裝配設計和制造設計的條件。

      2.2、 裝配式結構拆分設計方法

      拆分設計是裝配式建筑設計過程的重要環節之一。項目成本的高低、工程質量的好壞與拆分設計的合理性有密切關系。樊則森等[19]實現了基于BIM平臺的預制構件的設計,通過實際案例將預制構件設為建筑信息系統的基本單位,指出裝配式設計中的關鍵問題是構件構造設計,因此進行構件拆分設計(如預制外墻、樓面等),通過構件信息及BIM模型完成最終的項目設計圖。如裝配式剪力墻結構的外墻宜全部采用預制外墻,根據預制外墻拆分圖,利用BIM設計進行構件編碼,模數協調性避免了構件從設計工廠預制到施工現場安裝過程中產品重復性生產的弊端。

      周文波等[20]研究表明,結構模型是在 Tekla Structures 中開發參數化節點拆分設計建筑、結構和水電等專業的模型,再由軟件Revit將建筑和水電模型轉換成IFC格式文件導入Tekla Structures中形成最終的BIM模型。通過把結構體系以構件的形式呈現,實現工程項目的導入、導出功能。韓彥欣[21]通過對比Revit 的拆分與傳統的 CAD 拆分設計,總結 Revit 拆分的特點。在 Revit 里構件以族的形式存在,更側重于構件的組裝;找出了用 Revit 進行拆分設計的優勢,提出了基于Revit的拆分設計流程,與傳統的拆分設計方法相比融入了三維可視化,提高了設計質量,為面向裝配式建筑工程拆分設計的研究提供了參考信息。

      林東等[22]研究了基于BIM的預制建筑集成法。預制建筑的核心是設計一體化的集成方法,是現代預制建筑創新的重要基石,新的集成方法與BIM技術相結合[23],將大大推動預制技術的發展。兩者的結合使拆分設計模塊化,模塊化體現“多即少”的特征。通過模塊化使每個獨立模塊都需設計和制造,安裝構件時所有連接節點都需確保質量,防止錯位[24]。新的集成思想與BIM技術相結合,對預制技術的發展起到了巨大的推動作用。裝配式結構拆分不僅要考慮結構安全性問題,滿足規范要求,還要考慮預制混凝土結構生產、安裝等方面的問題。

      2.3、 裝配式結構基于Revit二次開發設計方法

      Revit建模軟件是適用于裝配設計建模技術的工具之一,其軟件建模功能隨著BIM在建筑行業中關注度的不斷提升日益完善。陳興[25]研究了基于 Revit 的預制裝配式結構設計方法。族的運用是Revit 的主要功能之一,軟件將族庫分為建筑族、結構族和機電族3個類型,各族庫相互獨立。設計人員在族庫中進行PC構件設計,構建完成的施工圖可直接生產構件,提高設計效率,減少勞動量。

      北京交通大學的王淘[26]基于BIM對密肋復合板結構的設計進行了研究。在建筑信息模型的基礎上,結合Revit的建模性能及API接口的可擴展性功能實現了裝配式構件族庫的創建。利用Revit的API功能,通過C#進行二次開發。通過程序編寫創建用于裝配式密肋復合板結構的插件系統。學者安岫沨[27]通過此軟件進行了裝配式密肋復合板結構設計方法的研究。采用程序代碼實現Revit二次開發,結合Visual Studio程序語言和結構模型創建程序語言庫,添加Revit和Windows等外部引用,最終生成dll文件進行結構設計。

      3、 傳統設計方法與基于BIM的設計方法對比

      在我國,一直以來建筑設計都是采用手工制圖來呈現的,計算機制圖的引入顛覆了傳統的設計方法,設計效率得到了可觀提高。計算機輔助設計CAD的出現使建筑業發生了巨大的變化。從傳統的手工繪制圖紙到通過計算機輔助軟件進行標準化、批量化出圖的新型模式,給建筑行業注入了新的活力和更大的發展空間。相較二維計算機制圖,BIM提供了更直觀的設計模式,創造了標準化、通用化的集成綜合共享的信息體,以3D建筑信息模型為共享信息源,提高工作效率,2種方法在設計依據及設計思路上有一定的區別。

      1)設計依據不同

      傳統的裝配式設計方法是將3D 的建筑轉變為 2D 的三視圖,是依據眾多的建筑規范標準等條文進行繪制,當涉及復雜結構時往往需要繪制大量平面圖來表示建筑的真實狀態,很容易出現設計錯誤。而BIM是一種可視化載體,能夠全方位地展示建筑,做到“所見即所得”,準確定位結構空間位置,繪制復雜構件時,能通過三維視圖展示結構形態[28]。BIM裝配式結構設計方法的核心是建立預制構件庫,有利于各專業的信息共享,且技術人員僅需查看BIM信息模型來及時檢查,即可防止繪制過程中出現設計問題。

      2)設計思路不同

      傳統的裝配式建筑是先整體后拆分的設計思路,這必然導致設計步驟的增加以及構件數目的驟增。而基于BIM的設計方法是以構件庫為依據,大部分的構件都已經設計好存入構件庫,可以直接選取儲存好的模型進行設計,若找不到相應的構件,設計所需的構件存入庫中再調用,達到了裝配式建筑設計工業化、模塊化的要求。BIM將三維模型和數學信息融合起來,創造了新的設計方法和理念,改善了信息丟失及設計脫節的問題,展現了全新的集成化設計模式。

      4 、研究與方法應用中存在的問題

      1)預制構件設計局限性

      BIM中構件均是以獨立的形式存在的,且BIM使用的參數化設計方法適用于預制裝配式構件的創建方式。由上述可知,BIM系統已經具備了一部分適用于預制結構的預制構件族,BIM建模實現了預制件之間的自動識別和連接的功能。然而,部分實際工程案例會出現BIM的族庫中沒有足夠類型的構件庫導致工程設計速度緩慢的技術問題,需繪制非預制構件圖及其模型再結構分析,大大影響最終成品的成本、質量和預制構件之間的裝配和連接節點的安裝。因此,需創建符合預制構件要求的設計方法。預制構件的裝配和節點連接方式也需不斷優化。

      2)應用技術受限

      由于當前建筑行業技術發展緩慢,兼容性與互操性有限,將BIM應用到項目的整個設計和建筑生命周期中具有難度[29],族庫有限,對計算硬件的要求高等多方面的問題導致BIM技術得不到廣泛的應用。BIM模型需要更高的精度和細節,由于不同學科構建的BIM模型包含太多不相關的數據,這些數據會產生大量難以處理的文件[30]。又由于目前項目設計采用二維圖紙,更加阻礙了BIM在國內設計和施工中的應用,BIM僅在一些層面起到了基于二維圖紙設計的一個補充作用,并沒有發揮應有的作用。因此,相關企業要求BIM部門能夠更好地針對典型設計任務開發基于BIM的有效解決方法。

      5 、結 語

      在建筑業的發展趨勢下,裝配式建筑設計得到了越來越多的關注和更加廣泛的應用,構件設計和連接節點設計是裝配式設計技術的關鍵所在。建筑業正在積極推動新型預制裝配式結構體系的大規模推廣應用,加快建筑工業化發展進程。實現BIM應用并整合到設計流程中,促進各專業之間更大的合作和交流有待提高。因此,在裝配式建筑的發展道路上還需砥礪前行。

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