BIM在装配式建筑安装的关键性技术研究与应用

周 彬

（广东省水利水电第三工程局有限公司 广东 东莞 523710）

0 前言

国内装配式建筑正处于起步阶段，装配式相关技术的研究有利于提升企业综合竞争力［1］。国内采用装配式与BIM 技术相结合的实例较少，经验缺乏。没有对BIM 的系统性实施对策及论证方法。预制件的族及建模标准不完善，针对装配式BIM 的管理体系还不成熟。

1 工程概况

天悦家园项目占地29 130.93 m2，总建筑面积111 655.48 m2。地上部分包含3 栋28层商业住宅楼，1栋26层商业住宅楼以及1 栋3层幼儿园。本项目4栋商业住宅楼3层及以上均采用装配式施工，采用叠合梁、叠合板、预制楼梯等构件。

2 总体思路

2.1 通过Revit等建模软件进行装配式构件1∶1 建模还原［2］，利用BIM 相关平台实现建模阶段的建筑、结构与机电专业之间的协同。通过模型进行碰撞分析，对预制件节点进行优化，进行管线综合布置，在最短时间内建立完整施工模型并能指导施工［3］。

2.2 通过Navisworks等软件实现漫游、管线碰撞实验，并进行4D 模拟吊装施工和制作演示动画。

3 模型建立

3.1 选取模拟吊装对象及拟定模拟施工顺序：以1号楼标准层作为模拟吊装对象，解析该标准层的装配式图纸，确定建模思路及整体模拟施工顺序。具体顺序为：⑴剪力墙现浇段施工；⑵叠合梁吊装（见图1a）；⑶叠合板吊装（见图1b）；⑷预制沉箱吊装（见图1c）；⑸梁板现浇部分施工；⑹预制楼梯吊装（见图1d）。

图1 构件模型Fig.1 Component Model

3.2 确定预制构件建模方式：考虑叠合梁板的规格较多，无法用统一的族来表达单个个体的全部特征，决定采用每一个预制构件对应一个族的方式来建模［4］。通过此种方式建模，能在发现存在问题后，直接对有问题的构件进行参数修改，而不会影响其他构件。而同类构件中存在型态上的共性，可以通过特定类型进行修改生成想要的构件形状，能节省建模时间。

3.3 叠合梁构建要点［5］：

⑴锚固钢筋长度、形状及数量（用于分析不同预制件之间的钢筋碰撞）；

⑵预制面凹槽形状（构建凹槽形状用于分析叠合梁板的连接节点）；

⑶主次梁连续节点处的牛担板定位（构建牛担板定位用于分析主次梁搭接位置的准确性，并确定梁吊装的正反面顺序）。

3.4 叠合板、预制卫生间沉箱构建要点：

⑴锚固钢筋方向及长度（构建钢筋方向能快速确定板的吊装方向，起定位作用）；

⑵板边形状及尺寸（板边设计具有不同的形状，构建还原能分析板四边的连接情况）；

⑶洞口位置及板厚（通过洞口位置的构建来校对预留洞口在预制件定位是否准确，分析不同板厚处的节点连接大样）。

3.5 预制楼梯构建要点：

⑴梯段尺寸（用于分析吊装定位的空间位置及搭接尺寸）；

⑵预留洞口的定位（核对准备建模预留洞口的定位，为现场现浇梁的预埋件定位提供指导）。

4 预制构件碰撞分析［6］

所有预制构件构建完成后，通过原设计图纸的轴线及标高将预制构件就位，通过软件的三维模拟进行碰撞检查。检查思路为：⑴检查预制梁与预制梁之间的钢筋碰撞，在存在相交的节点分析其钢筋避让、锚固长度是否合理，如果存在碰撞情况，上调钢筋高度30～50 mm 或者用直锚变弯锚的形式进行避让［7］；⑵检查预制梁与预制板的就位情况，确保搁置尺寸正确，搁置位置平整无空隙；重点分析降板及存在不同板厚节点处的连接（如阳台降板50 mm）［8］。通过图2进行简要介绍。

图2a 节点处，因存在多条预制梁在剪力墙处交叉锚固，此时应在保证锚固长度的前提下进行钢筋合理避让，类似其它节点的位置较多，需具体分析每处的钢筋长度及高度［9］；图2b 节点处，可明显看到两块板与预制叠合梁的搭接出错，右边板与梁边连续存在空隙，而左边板与梁边发生了碰撞，经核实设计图纸此处为梁上边凹口形状错误，应进行镜像对调才能满足要求。通过模型的3D 可视能力，能提前发现此类问题，避免在后期现场吊装时再发现而造成工期拖延。

图2 模型图Fig.2 Model Diagram

5 吊装顺序模拟

吊装顺序模拟是在正式吊装前确定具体顺序，及通过软件的模拟能力寻找出吊装过程中可能不合理或者应改善的细节。同时还应考虑构件的堆放顺序及装车顺序。本分析过程更注重提高吊装的功效，减少起吊过程的构件周转，为现场吊装进行交底并提供技术指导［10］。具体分析及考虑要素如下：

5.1 吊装区域划分

以1号楼标准层作吊装模拟，吊装区域划分为分单元吊装。1号楼共有两个单元，先吊装一单元楼栋，后吊装二单元楼栋。

5.2 吊装户型划分

一单元共有4 个户型，1 电梯前室；经研究决定，先吊装A1 户型后吊装电梯前室区域，再一起吊装A2及 A2′户型，最后吊装 A1′户型。

5.3 确定预制构件吊装顺序

先绑扎剪力墙钢筋，安装铝模支撑系统后浇筑剪力墙至2.4 m 高。然后吊装叠合梁、叠合板，再吊装预制沉箱。吊装完成后绑扎现浇层钢筋然后整体现浇，最后吊装预制楼梯。

5.4 同类构件的吊装顺序

叠合梁吊装顺序需考虑主次梁的连接关系，先吊装主梁后吊装次梁；叠合板需考虑构件间的叠放关系，因各叠合板尺寸差异较大，需根据具体户型考虑偏小的构件放上层，尺寸大的构件放底层。

完成分析和吊装模拟后，将成果转化为CAD 图纸和构件图纸，使施工人员更直观地掌握吊装顺序及构件形态，有效提升施工质量和相关人员的沟通协作效率［11］。

6 构件堆放模拟

在完成吊装顺序模拟后，根据确定的顺序来推算构件堆放顺序，并考虑以下三个主要因素［12］：

6.1 堆放区域划分

堆放区域分单元堆放，同一单元楼栋的构件统一堆放在同一区域；另细分叠合板堆放区与叠合梁堆放区、预制楼梯及预制沉箱堆放区。

6.2 构件叠放

叠合梁由于占地面积较小，可采用平放的方式。叠合板占地面积较大，采用叠放的方式，原则上不超过6层一堆。预制沉箱采用2层一堆的叠放方式，构件堆放之间需考虑工作面宽度。

6.3 同类构件堆放顺序

叠合梁（见图3）的堆放将同一户型的梁归类的同一位置，方便吊装人员快速识别构件，并在构件上标记编号及吊装方向；叠合板（见图4）叠放同样按同一户型进行编号归类，面积由大到小逐层往下到上进行叠放，同样需标注好编号及吊装方向。

图3 预制叠合梁堆放模拟Fig.3 Prefabricated Stacked Beams

图4 预制叠合板及沉箱堆放模拟Fig.4 Prefabricated Laminated Plywood and Caisson Stacking Simulation

7 研究实施总结

装配式建筑作为一种行业新工艺，有别于传统现浇做法。目前在建筑住宅领域的推行还不够广泛，存在施工经验不足，缺乏本专业工艺作业人员，并且预制构件在预制厂生产完成后运送至施工现场，如果构件出错需返厂重做，需花费较长时间等待，造成窝工和拖延工期。故运用BIM 技术3D 可视化技术，能够提前进行施工工艺问题排除及现场人员技术交底，有利于项目顺利开展。

而本次BIM 工作主要通过上述预制构件族创建、构件碰撞分析、吊装模拟、构件堆放模拟等四大部分进行研究，提供基于BIM 在装配式建筑安装施工的技术研究方法［13］。本技术核心在于预制构件族的创建方式，若使用传统现浇梁板柱的Revit 原生族，叠合梁板的一些特性无法在模型里体现。原建模过程是采用混凝土与钢筋分开创建，在研究过程中，为更好的还原预制构件形态，决定与实际预制构件一样，构件族里包含钢筋、企口、凹槽面等具体细节［11］。通过此创建族的方法，能为后续的碰撞分析提供更高的精度和准确性，此也为本研究的重点。基于高还原族的创建进行构件碰撞分析，将问题节点优化，并反馈至设计院及预制厂，提前解决构件的设计不合理及错误之处。

吊装及堆放是装配式施工的要点，合理的顺序安排能大大提升施工速度和效率，本次BIM 运用研究也总结了吊装及堆放分析的要点［14］。通过本次BIM 技术的实际运用，为现场施工提供了可靠的指导，也对BIM 在装配式建筑安装的应用有了系统性的总结方法和手段。从时间和经济成本控制的角度，为项目开展节省了工期和成本，为后续企业在装配式施工中积累经验，有重大的战略意义。