装配式建筑信息化拆分及参数化设计应用

孙 璨 曾凡耀 王钦民 王晓璐 殷良慧

(1.东莞理工学院 生态环境与建筑工程学院，东莞 523808；2.深圳市市政设计研究院有限公司，深圳 518029)

近年来，国家和地方政府相继出台相关政策，大力支持建筑工业化，扶持装配式建筑发展。2016年10月1日，国务院办公厅印发了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，总体要求包括推动建造方式创新，大力发展装配式混凝土建筑，不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例，促进建筑产业转型成功； 2017年4月12日，广东省人民政府办公厅《关于大力发展装配式建筑的实施意见》，主要分为两个五年目标，对珠三角城市群、常住人口大于300万的粤西北地区地级市中心城区和全省其他地区关于装配式建筑占新建建筑面积比例做出最低比例要求[1-2]。

政府推动装配式建筑发展，本质上是因其比传统的现浇方式效率更高，同时更加节能环保[3]。但是，由于装配式构件在拆分设计后，同一类型构件没有统一标准，导致了设计预制构件的通用性差，设计效率无法提升，加工时也易出现钢筋定位困难等问题[4-6]。

因此，将BIM技术与装配式建筑相结合，利用BIM技术的可视化和参数化特性，加快设计流程，减少加工错误：在设计阶段，将预制构件进行参数化管理，实现快速拆分和模块化设计； 在生产阶段，实现生产前期准确定位钢筋信息、生产中全面了解构件信息、后期运维有数据可查询[7-8]。

本文以某装配式住宅项目成果为例，重点阐述应用BIM技术进行装配式建筑结构拆分及参数化设计的应用成效。该建筑高10层，总建筑面积约5 400m2，设计使用年限50年。结构类型为框架结构。涉及的预制构件类型有：预制柱、预制梁和预制叠合板。

1 装配式建筑拆分设计

在基于BIM的装配式建筑设计过程中， 由于需要对现浇结构进行拆分，因此在拆分设计的过程中， 需要将连续的模型或构件，在符合国家相关规范及构件厂生产设计要求的前提下，拟定好构件的拆分方案，进行逐个拆分，使其形成独立的部分，并尽量减少构件种类， 以便构件厂进行构件的生产及加工。

根据有关规范制定好拆分设计方案后， 利用BIM软件，建立预制构件模型， 将原先在现浇施工图基础上建立的BIM模型， 拆分为由不同的构件连接而组成的装配式BIM模型[9-10]。

1.1 基于BIM的建筑结构拆分设计流程

本项目是在现浇结构设计模型的基础之上，使用Revit软件实现的拆分设计，流程如下：

(1)现浇模型建模

根据现浇建筑、结构施工图，使用Revit绘制现浇施工图BIM模型。

(2)柱的拆分

根据结构设计图，按照不同截面尺寸的顺序，将现浇柱用预制柱参数族替代。

(3)梁的拆分

根据结构设计图，按照不同截面尺寸的顺序，将现浇梁用预制叠合梁参数族替代。

(4)板的拆分

方法类似柱、梁构件，采用预制叠合楼板族替代现浇楼板。

上述流程完成后，即实现了现浇框架结构的BIM拆分设计(图1)，该模型可视为施工图BIM模型的深化，可用于构件加工图出图、碰撞检查和施工模拟等。

(a)叠合层浇筑前的BIM模型

(b)浇筑完成后的BIM模型图1 基于BIM的拆分设计模型

1.2 基于BIM的预制构件拆分设计要点

结合拆分设计流程，对预制构件的拆分设计要点阐述如下。

1.2.1 预制柱的拆分

由于框架结构预制构件是以等同现浇原则设计的。所以，预制柱在拆分设计建模时，除应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范(2015年版)》GB 50010-2010的要求外，还要满足以下条件，以保证设计的构件性能等同现浇框架结构(如图2)。

图2 预制柱构造建模示意图

(1)柱纵向受力钢筋直径≥20mm。

(2)矩形柱截面宽度≥400mm且大于同方向梁宽1.5倍。

(3)柱纵向受力钢筋在柱底采用套筒灌浆连接时，箍筋加密区长度≥纵向受力钢筋连接区域长度+500mm； 套筒上端第一道箍筋距离套筒顶部应≤50mm。

(4)预制柱顶部表面应设置≥6mm的粗糙面。

(5)预制柱的底部应设置键槽，深度≥30mm，键槽端部斜面倾角≤30°。

1.2.2 预制叠合梁的拆分

装配整体式框架结构中，如采用预制叠合梁，则在拆分设计时应注意：

(1)对于抗震等级为一、二级的叠合框架梁，宜采用整体封闭箍筋(如图3-a)； 截面形式可采用矩形截面或凹口截面，本文工程案例采用矩形截面形式(如图3-b)。

(a)整体封闭箍

(b)矩形截面预制梁图3 预制梁的拆分构造设计示意图

(2)箍筋加密区在设计建模时，应从梁端500和1.5hb(梁高)中取大值来划定箍筋加密区范围，其余则为非加密区，这样便可确定箍筋间距、数量、纵筋断开位置等参数，然后运用BIM软件进行建模，就可以完成对梁纵筋和箍筋的创建。

(3)框架梁的后浇混凝土叠合层厚度宜≥150mm，次梁则宜≥120mm。

(4)预制梁与后浇混凝土叠合层之间的结合面应设置粗糙面； 预制梁断面设置贯通截面的键槽，深度≥30mm，倾斜角≤30°。

1.2.3 预制楼板的拆分

图4 叠合板的拆分设计示意图

装配整体式结构的楼板多采用叠合板，叠合板的拆分应按照户型的开间、户型模数、板厚进行拆分。叠合板设计时，除了应该符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010的要求外，还应符合下列规定：

(1)叠合板的预制板厚度不宜<60mm，后浇混凝土叠合层厚度不应<60mm。

(2)预制叠合板与后浇混凝土叠合层之间的结合面应设置凹凸深度≥4mm的粗糙面。

(3)根据叠合板的跨度，>3m且≤6m的叠合板，设计与建模时，宜采用桁架钢筋混凝土叠合板。>6m的叠合板则宜采用预应力混凝土预制板。

本文工程案例拆分设计及建模时采用桁架钢筋混凝土叠合板，受力形式按双向板，接缝构造为无接缝。在熟悉以上设计原则和要点后，可以运用BIM软件，进行拆分设计建模。为了实现高效的预制构件建模，还应运用参数化建模的方法，实现快速建模和模块化设计。

2 预制构件参数化设计

Revit如今是我国建筑行业BIM软件体系中使用最广泛的软件之一，其参数化构件族是在Revit中设计使用的所有建筑构件的基础，于是本文案例工程选择了Revit进行预制构件的参数化设计。

创建预制参数化构件主要有以下流程：

(1)选择族样板，一般选择公制常规模型族样板；

(2)进行构件族类别的选择，根据构件类型需求选择对应的构件族类别。例如预制参数化柱构件选择结构柱族类别，预制参数化叠合梁构件选择结构框架族类别等；

(3)根据预制构件参数化设计需要将预制构件划分成各个组件(俗称零件)，然后进行组件的创建，并进行组件逻辑约束；

(4)对组件逻辑约束包括注释工具栏下的尺寸标注约束，实例属性栏的限制条件约束，和修改工具时的操作约束；

(5)添加对应组件约束的各种参数，将参数与组件约束进行关联，并进行参数测试。测试出现错误提示，则需要重新进行组件逻辑约束。如参数测试成功，则进行下一组件的参数化驱动设计，直至预制构件划分成的所有组件参数测试成功，预制参数化构件完成(如图5)。

图5 预制构件参数化设计流程图

2.1 预制柱参数化设计

预制柱参数化构件包含三部分组件：第一部分是柱混凝土外形组件参数化，第二部分是柱纵筋组件参数化，第三部分是柱箍筋组件参数化。

使用拉伸功能创建第一部分柱混凝土外形组件，并将底部与参照标高锁定约束，其他部分利用注释栏的尺寸标注进行锁定约束，并添加长、宽、高对应参数进行关联。

利用空心拉伸功能创建键槽，根据拆分设计要求，当预制柱底部设置的键槽深度≥30mm，键槽端部斜面倾角≤30°，那么键槽需要建成随预制柱的长宽变化而变化的等腰梯台。以预制柱底端的参照标高为x轴，柱底中部为y轴作为预制柱构件的直角坐标系(如图6)，参数化需要计算键槽底端和顶端的坐标与预制柱长宽坐标的关系。其公式如下：

长=x； 宽=y，键槽底端两点坐标为

图6 键槽截面梯形示意

根据键槽截面梯形的四个顶点坐标创建随长宽变化而变化的因变量参数； 采用空心拉伸功能创建空心拉伸组件，在梯形截面基础上，利用尺寸标注工具进行锁定约束，并与因变量参数进行联动，且键槽拉伸宽度与柱宽y一致； 最后利用剪切工具将之前建立的柱混凝土外形组件减去空心拉伸，完成柱混凝土外形组件的建立。

第二部分是柱纵筋组件参数化，需要利用拉伸创建一根纵筋，添加纵筋半径参数实现纵筋半径参数化，并与由纵筋中心画的两条参照平面辅助线组成模型组，由此可以进行纵筋数量参变的位置锁定约束。通过阵列、修改工具时的操作约束和添加保护层厚度、纵筋半径、箍筋半径等参数，由此计算出箍筋内皮至混凝土外侧距离，将对应参数与约束关联达到b边纵筋数量参变。以纵筋b边最后一根纵筋再进行原来的操作即可达到h边纵筋的数量参变，由此实现纵筋数量参变(如图7)。

图7 柱纵筋组件参数化设计详图

Revit族参数化绝大多数是利用尺寸标注工具约束联动组件实现参数化设计。利用尺寸约束组件实现参数化的前提是，组件尺寸变化的边或顶点相关联的工作平面，能与参照线或参照平面相关联，尺寸参数实质是驱动参照平面辅助线或参照线实现组件参数化联动。通俗说，就是尺寸约束要求组件已经存在，只有存在的组件才能关联参照平面辅助线或参照线。然而纵筋长度的参数化包含柱高以及纵筋伸出柱长度两个自变量，而且纵筋是数量化创建不能与参照辅助线关联，驱动参照平面辅助线实现参数化联动关系。为实现物体数量参变及长度多段参变设计，利用公式运算，纵筋长度Z=y(柱高)+h(纵筋伸出长度)，添加纵筋长度参数并与纵筋实例属性拉伸点限制条件进行联动关系实现纵筋长度参数化。纵筋下部设置灌浆套筒，参数化设计与纵筋基本一致(如图8)。

图8 柱纵筋组件数量长度参数化示意图

第三部分是柱箍筋组件参数化，平剖出一个工作面，利用放样进行箍筋实体的绘制。以柱截面中心为原点，平行h边为x轴，平行b边为y轴建立直角坐标系，添加箍筋的b边与y轴和h边与x轴的距离参数：

l1=(柱宽-箍筋半径×2-2× 保护层厚度)/2

l2=(柱长-箍筋半径×2-2×保护层厚度)/2

将l1、l2参数与放样创建的箍筋实体进行关联使箍筋能够随着柱宽或柱长、箍筋半径、保护层厚度变化而变化。依据设计原则，箍筋加密区长度≥纵向受力钢筋连接区域长度+500mm； 套筒上端第一道箍筋距离套筒顶部应≤50mm，箍筋加密区距离套筒顶部50mm处开始设置下部加密区、中部非加密区，以及上部加密区，直接驱动加密区或非加密区长度和加密区与非加密区间距即可实现箍筋参数化。

2.2 预制叠合梁参数化设计

预制叠合梁参数化设计与预制柱构件参数化设计大体相似，按照拆分设计原则，以及创建预制柱构件参数化的细节实现了预制叠合梁混凝土外形组件尺寸参数化以及保护层厚度参数化； 下部受力筋的排数，每排根数、第二排纵筋高度、受力筋半径和两端伸出长度参数化； 箍筋加密区与非加密区长度以及加密区间距参数化以及键槽粗糙面的参数设置(图9)。

图9 预制叠合梁参数化示意图

表1 预制柱构件参数化设计中的参数示意及公式

2.3 预制桁架板参数化设计

预制桁架板参数化设计采用长度模块，宽度以及板厚采用参数化设计。依据拆分设计原则预制桁架板长度在(3000-6000)mm的范围以300mm递进分成11个模块，达到模块化设计。桁架钢筋结合拆分设计建模并实现了数量参数化使其满足相邻桁架钢筋间距≤600mm的设计要求(图10)。

图10 预制桁架板参数化示意图

3 结语

本文结合装配式建筑工程实践案例，重点阐述了利用BIM技术对装配式构件实施参数化设计、统一装配式构件拆分设计标准的实施流程及方案，能大大提高装配式构件加工和现场安装的工作效率，在较大程度减少人工错误，同时在施工阶段通过节点的精准设置和定位加快施工进度。应用实践效果表明，BIM技术与装配式建筑相结合，能深度挖掘BIM技术在装配式建筑中的应用价值，推动装配式建筑往更高效、高质量方向发展。