基于BIM 技术的装配式空心板剪力墙结构施工及构件检测分析

黄伟

(北京思建新创工程质量检测有限公司)

随着建筑行业的快速发展，装配式建筑因其施工速度快、质量高、环保节能等优势被广泛应用。装配式空心板剪力墙作为装配式建筑的一项重要组成部分，其在提高建筑结构抗震性能、减轻建筑自重以及缩短建设周期等方面展现出显著优势[1]。然而，随着装配式建筑技术的不断发展，如何确保装配式空心板剪力墙的施工质量和安全性，成为重中之重。但是传统的施工及检测方法面临效率低下、信息脱离、难以实现精细化管理等问题。因此，寻求一种高效、准确的施工及检测技术，对于提升装配式空心板剪力墙的施工质量和安全性至关重要。另一方面，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术的兴起为解决上述问题提供了新的思路。BIM 技术通过创建精确的虚拟模型，不仅能够在设计阶段预见潜在的设计与施工冲突，还能在施工阶段实现项目信息的实时共享与协同工作，极大地提高施工效率和质量。基于此，研究提出了基于BIM 技术的装配式空心板剪力墙结构施工及构件检测分析。通过应用BIM 技术，全面深入地研究基于装配式空心板剪力墙结构的施工及构件检测。首先，通过详尽的设计、接合点和运输安装过程的细致探究，旨在实现结构部件的精准设计和高效施工。其次，通过有限元数值分析模型软件，对不同截面形式的剪切墙结构进行比较分析，以全面评估它们在抗震性能、施工复杂度和成本方面的差异。此外，研究还关注了塔吊附着点的选择对施工质量和安全性的影响，以及不同附着距离对预制剪力墙稳定性的影响。最后，对预制楼梯进行挠度、裂缝宽度和承载力等方面的分析，以全面了解装配式空心板剪力墙结构在不同方面的性能表现。研究旨在通过BIM 技术深入分析，提升装配式建筑的设计、施工和检测水平，为该领域的发展提供有力支持。此次研究的成果有望为装配式建筑项目的施工提供更全面的理解和实用的指导，推动建筑行业向更高效、可持续的方向发展。

1.建设工程项目与结构

为全面分析基于BIM 技术的装配式空心板剪力墙结构的施工及构件检测，研究选择总建筑面积大、结构构件多样以及采用的先进建筑技术的建设项目作为案例进行分析。通过案例分析可以更好地理解基于BIM 技术的装配式空心板剪力墙结构的施工及构件检测特点，同时通过对其特殊性和普遍性的论证，为研究目的提供有力的支持。另外，研究选择的工程项目既具有一定的独特性，同时又能够反映实际建筑项目中普遍存在的问题和挑战。在建设项目中，研究选择一座总建筑面积约261,878.53 平方米的建设项目作为案例。项目包括21 栋住宅楼，其中13 栋达到25 层高，采用先进的装配式空心板剪力墙结构，并涉及多种预制构件，如剪力墙、叠合板、预制楼梯、飘窗和阳台。在装配层边缘及电梯井区域采用了现浇剪力墙技术，而其他部分则采用预制剪力墙。空心板作为轻质预制混凝土楼板其内部采用多个空腔，这种设计有助于减轻楼板的整体重量，降低建筑荷载，减小地基和支撑结构的负荷。同时，这些空腔还能有效降低楼板的热传导，提高建筑的保温性能。另一方面，预制混凝土是通过在控制环境下生产制造的，相比传统现场浇筑混凝土，具有更高的质量和一致性。这确保了空心板的结构强度和耐久性。预制混凝土的生产过程中可以更精确地控制混凝土的配比，提高混凝土的强度和抗震性能。项目的建筑密度达30%，绿地率高达40%，展示了其作为低层多户型住宅的环境友好特性。其中，包含3 栋洋房，项目采用对称的标准户型设计，形成了两种不同的楼型。通过综合理论知识，该案例可为研究提供多层面的探索空间，反映了在实际建筑项目中可能普遍存在的问题和挑战。

2.BIM 技术在预制空心板剪力墙系统施工与元件的应用

2.1 元件分解与优化应用

在装配式空心板剪力墙体系中，BIM 技术致力于构件的精确分解，确保工程质量[2]。项目中的预制构件包括一字形外墙板、PCF 板、预制阳台、预制楼梯等，均经过BIM 的细致分析和拆分。这些构件的选用旨在达到至少40%的预制率，涵盖了水平和竖向的各类元件。在挑选预制板材时，针对其种类及规格，首选吊装频率较低且成本效益较高的解决方案。关于预制梁部分，根据其品类及实际浇注的高度，挑选可与剪切墙结构匹配接合的梁结构，旨在提升建设速度与简化施工难度。施工中，特别注意梁底筋的设置，以便于后续作业的顺利进行。

2.2 预制元件的深化设计与生产

BIM 技术在预制构件的设计和生产阶段发挥了至关重要的作用，其通过对设计深化的应用，BIM 集成并协调了建筑、结构和设备等多个领域的关键信息，确保设计的完整性和准确性[3-4]。首先需要收集工程项目的基本信息，基于方案设计，通过专门的软件进行BIM 模型构建[5]。在此基础上，对预制构件进行细节设计，并优化设计。再通过模拟分析，考虑成本、时间、材料等因素，确定最优设计方案。之后，根据图纸文件等资料对预制构件进行生产调度计划制定。通过相关设备进行构件的加工与制造，在此过程中，需严格把关构件质量。最后基于BIM 模型规划物流路径和方式，以及为现场工作人员提供指导。此外，该方法在数据共享和无纸化加工的基础上能够减少人工录入错误的概率，这有利于整体的生产效率和准确性提升[6]。BIM 技术的这种综合应用不仅优化了预制构件的生产流程，也为整个建筑项目的成功实施提供了坚实的技术支持。

2.3 预制元件的运输与安装

BIM 技术在预制构件的存储、搬运与起吊作业中发挥了关键作用。首先，在存储方面可利用BIM 模型整合预制构件的尺寸、重量等基础信息。基于该信息，再结合现场施工条件，通过BIM 模型布置存储区域[7]。之后，可通过BIM 模拟分析，对存储的空间布局等进行优化，便于预制构件的存取[8]。其次，在搬运方面可通过BIM 模型提前规划路径，避免搬运过程中的障碍，降低安全风险。最后，在起吊方案设计方面，可在BIM 环境中进行模拟，分析起吊的可行性，评估并预防安全风险。在工地上，合理地对预制部件进行分门别类地码放至关重要，如叠加板与露台板应横向放置，确保吊索向上，而剪力墙结构则应该垂直放置，运用托架进行稳固。

2.4 BIM 技术与预制部件连接管理

在装配式建筑的施工过程中，BIM 技术发挥了重要作用，特别是在预制部件的连接阶段。结合现场监测系统，BIM 技术能够比较虚拟模拟和现实施工的差异，有效地跟踪施工方法的合规性、灌浆的完成情况以及预制部件的连接质量。在这个项目中，预制部件的连接主要依赖于灌浆套筒技术，这是保障剪力墙结构质量的关键步骤。浇筑混凝土之前，需要先向内含钢筋的套筒内注入灌浆料，以实现力量的有效传递。施工过程中，基于BIM 模型，可创建装配式空心板剪力墙的详细施工模型。通过BIM 模型来确定预制构件的质量检测和检测流程，确保其质量符合设计要求[9]。再利用BIM 模型进行物流规划，实现预制构件的快速取用和安装。基于BIM 模型和结构要求，规划灌浆方案和接缝处理方法，避免漏浆或灌浆不足的问题[10]。根据BIM 模型提供的信息，制定构件和整体结构的检测指南和标准，并进行结构的质量评估和反馈。

3.有限元数值分析模型构建

ETABS 软件是一种专门用于建筑结构分析和设计的计算机软件，该软件能够处理从设计到施工阶段的所有相关任务。并且可支持建筑结构的三维建模，简化复杂结构模型，对于设计流程的优化十分关键[11]。作为一种主要的有限元分析工具，ETABS 软件在混凝土构件的收缩和徐变效应分析方面发挥着重要作用。在这一过程中，一个关键的模型是欧洲混凝土委员会和国际预应力联合会联合推出的模型，它被广泛用于模拟分析混凝土的收缩和徐变。这个模型特别注重考虑了混凝土性能的多个关键因素，包括混凝土的龄期、环境相对湿度、拆模时间以及构件的尺寸影响。这种模型的应用对于深入理解和预测混凝土构件的长期性能具有重要意义。混凝土徐变的计算公式，详细表达了这些影响因素的综合作用，如式（1）所示。

式（1）中，εe(t0)表示混凝土的即时弹性变化；ΦRH表示随时间变化的形变比率。混凝土性能受到多种因素的影响，例如环境湿度影响系数表示为Φ(t,t0)、混凝土抗压强度影响系数表示为β(ƒcm)，而混凝土龄期和荷载施加影响系数则表示为β(t0)。此外，混凝土的截面积Ac和构件与空气接触的周长u 也是影响其性能的重要因素。ƒcm0表示为混凝土抗压强度3D 龄期。t1表示时间参数，构件尺寸参数h0为100mm。混凝土收缩的具体计算如式（2）所示。

式（2）中，εcs0表示混凝土的标准收缩系数，RH 和βs(t-ts)表示环境的相对湿度以及随时间变化的收缩发展系数。

4.基于BIM 技术的装配式剪力墙检测方法

4.1 施工检测目的

为了明确塔吊对BIM 技术基础上的装配式空心板剪力墙结构的作用，研究在策略性位置安装了振弦式表面应变计，覆盖在塔吊的每个附着点以及预制剪力墙与现浇墙的交界处。利用应变计采集的数据，以便精确测量附着点的力量，并将这些数据应用于有限元模型，模拟附着点受力对周围预制部件的潜在影响。根据有限元分析的结果，研究进一步利用BIM 技术进行数据记录和模型构建，以模拟装配式剪力墙安装过程中的受力变化。通过附着点受力模拟对不同类型剪力墙附着点的位置及其对周围预制部件影响的分析提供关键数据。

4.2 施工检测关键点选择

经过对比现场所有STC 型塔吊的附着位置、方式以及力量传递路径后，研究将4 号楼的塔吊作为监测的重点。4号楼塔吊的四杆对称附着结构更满足施工检测试验中的理想监测对象需求，因为该类结构设计有助于降低现场变量对数据准确性的影响。4 号楼共有25 层，其中底部的1 至3 层采用现浇结构，4 层至25 层则为装配式结构。塔吊的主要附着点位于第7 层剪力墙上，高27 米，以及分别位于43.80 米高的第13 层和60.50 米高的第19 层。研究的监测重点放在第三个附着点，该点的混凝土强度等级明确划分为：墙柱强度为C30、梁板强度为C30、灌浆料混凝土强度为C80，从而确保检测数据的准确性和可靠性。

4.3 施工检测荷载分级

在进行结构试验前，首先需要确定荷载组合的标准值Qs。另外，为了检验支座的平稳性，确保仪表和加载设备的正常运作，试验的初步阶段先对待检预制楼梯进行预加载，并对仪表进行调零处理。研究设定：在达到荷载组合的标准值Qs之前，每一级的加载值不应超过0.20Qs；当超过Qs之后，每一级的加载值应控制在不超过0.10Qs；而当荷载接近承载力检验荷载值时，每一级的荷载不应超过0.05Qs。在每级加载完成后，保持荷载10 分钟。在该段持续荷载时间内，仔细观察裂缝的出现和发展情况，同时检查钢筋是否有滑移现象，并在持续时间结束时记录下各项读数。试验的终止条件包括：荷载值达到15.3kN/m²（包括自重）时，最大裂缝宽度在受拉力的主筋处达到1.5mm，或者挠度达到跨度的1/50。当任一条件满足时，立即停止试验。

预制楼梯外形尺寸根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2015 进行均布加载，从两边向中间均匀加载，采用的砝码分别为20kg、10kg、2kg、1kg 和0.1kg。加载前用钢卷尺测量尺寸并检查外观质量，记录裂缝及其他缺陷。试验设定的预制楼梯尺寸为2880mm×1230mm×180mm和2680mm×1230mm×180mm，设计混凝土强度为C30。

5.基于BIM 技术的装配式剪力墙安装与施工过程分析

5.1 安装过程检测方法

为了实现装配式预制件与不同截面剪力墙的影响分析，研究首先通过BIM 技术模拟了施工现场的实际操作：塔吊连续提升地面上的预制剪力墙构件至指定施工层。在检测过程中，围绕塔吊附着点及临近的预制剪力墙边缘设置了8 个数据采集点，并实时记录数据采集点的微应变频率的变化。提升的预制剪力墙重量约为5.5 吨。在塔吊搬运过程中进行数据记录，尤其是在塔臂旋转时连接的读数器每秒更新一次频率数据。另外，第4 号楼塔吊的附着点均设在现浇剪力墙上，并在结构上呈现左右对称布局，每个附着点距离下方顶板约1 米。剪力墙的结构设计在平面图上也呈对称，相应地，塔吊的附着点在两边均匀分布，分为A-D和E-H 两组。

5.2 安装检测数据分析

由于检测点A、B、E、F 主要用于分析预制剪力墙与现浇剪力墙之间的微小应变差异，并不涉及力量计算，因此，通过分析得出的微应变和附着杆的轴力如图1 所示。图1（b）揭示了四根附着杆的轴力在不同时间上的变化曲线。可以看出，随着时间的增加，四根附着杆的轴力先增加后趋于稳定。这可能是因为初期塔臂的加速旋转和提升重物所产生的牵引力导致的轴力上升。当塔臂速度稳定且重物停止升高时，附着杆的轴力趋于平衡。进一步对比分析可以看出，C 和D 位置的附着杆一号和二号在吊臂转动期间的中心力量略高于三和四号，其中一号和二号的最高总力为74010.21N。可以看出，在剪力墙安装过程中，塔吊不同附着点对构件结构规产生不同程度的微应变力影响。在实际施工中，应通过BIM 技术进行安装模拟降低塔吊附着点对构件产生的受力影响，再进行可靠的装配式建筑构件安装操作。

图1 微应变和附着杆轴力分析

5.3 装配式不同截面剪力墙的施工过程分析

在连接预制组件与现浇混凝土结构的过程中，常见的剪切墙设计主要分为直立型、角型和交叉型三类。每种类型在结构设计和性能方面有其独特之处。其中直立型剪切墙在抗弯和稳定性方面的性能较弱，通常在设计阶段被排除。与此相比，角型剪切墙更受青睐，其抗弯曲能力和稳定性更加优越。而交叉型剪切墙在抗地震方面的出色表现而备受推崇，但该类型剪切墙在边缘部分的施工支撑相对更加复杂。因此，研究利用有限元分析对三种剪切墙的设计进行了仔细的对比分析。研究设定三种剪切墙在材料属性、连接方式和内部钢筋配置方面保持一致，并假设一个集中力被作用在每种剪切墙结构的附着点上，以便对其结构影响进行模拟和可视化比较。另外，在施工现场中，附着点与预制剪切墙边缘之间的距离是决定工程成功的关键因素之一。过于靠近的间隔或许会影响组装元件的坚固度，引发安全隐患；反之，间隔过大可能导致现场浇筑构造体积增大，进而造成更多建设上的困难和费用增加。因此，为了更准确地评估附着力对剪切墙的具体影响，研究以角形剪切墙为例，通过调整固定点至墙体边界的距离来进行实验。在利用BIM 技术构建的模型中，将角形剪切墙两端的翼墙长度设定为600mm，并与其他类型剪切墙的分析保持参数一致性。同时，在模拟数值中设定不同的附着点距离，并对这些点所承受的集中力进行实验，具体结果如图2 所示。可以发现，附着距离超200mm，剪切墙位移曲线斜率小。150-200mm 内，斜率大，并且随着连接距离的缩短，结构的位移显著增加。这一发现表明，在实际工程应用中，选择塔吊的附着点时，应避免将其设置在距离预制剪切墙边缘200mm 以内，以确保结构的稳定性和施工的顺利进行。

图2 施加在附着点变化对剪力墙结构产生的位移

5.4 预制楼梯施工挠度曲线分析

为了对预制楼梯的荷载挠度变化进行分析，研究首先使用钢卷尺测量待测预制楼梯的实际尺寸，检查其外观质量并记录裂缝及其他外观质量缺陷，其次利用BIM 技术进行预制楼梯构建。研究分析的对象为两种尺寸的预制楼梯，分别为2880mm×1230mm×180mm 和2680mm×1230mm×180mm。两种预制楼梯的挠度变化曲线如图3 所示。图3(a)可以看出，挠度最大试验荷载为12.73kN/m2，实测挠度为0.83mm，远低于设计限值13.4mm。其承载力为15.28kN/m2，承载力下的挠度实测值为1.31mm，同样低于设计限值53.6mm。而图3(b)可以看出，挠度最大试验荷载为12.75kN/m2，实测挠度为0.75mm，低于设计限值12.4mm。其承载力为15.30kN/m2，承载力下的挠度实测值为1.28mm，也低于设计限值49.6mm。这些结果表明，两种尺寸的预制楼梯在承载力和挠度方面均满足设计要求，证明了其结构的合理性和安全性。

图3 预制楼梯进行挠度曲线分析

6.基于BIM 技术的装配式预制剪力墙稳定性分析

为进一步对比分析BIM 技术基础上的装配式空心板剪力墙结构对预制剪力墙稳定性的影响效果，研究统计了不同方法检测所得的不同位移下剪力墙结构的阻尼系数，其结果如图4 所示。从图4（a）可以看出，在剪力墙结构位移小于11.00mm 的范围内，激光扫描方法、振动传感器方法与结构检测传感器方法下墙体的阻尼系数变化不大，均在 0.05～0.09 之间。在4.00 mm 到23.00 mm，研究所提方法在该位移范围内的阻尼系数表现出显著差异，最小值达到了 0.09，最大值达到了 0.20。激光扫描方法、振动传感器方法与结构检测传感器方法下剪力墙的最大阻尼系数分别为 0.15、0.12 和0.15。而研究所提方法的最大阻尼系数达到了 2.00，且存在较大的上升空间。这说明BIM 技术基础上的装配式空心板剪力墙结构稳定性有所提升，与其他方法相比更优越。

图4 不同方法下的剪力墙结构阻尼系数

7.结论

在装配式剪力墙结构的快速发展背景下，BIM 技术已成为建筑行业中提升施工效率和工程质量的关键因素。该研究充分利用了BIM 技术的信息化优势，结合现场施工的实际需求，对预制空心板剪力墙结构的施工及构件检测进行了全面分析。通过细致的构件分解和优化应用，BIM技术确保了工程质量，同时提高了施工的精确性和效率。研究中利用有限元模型软件进行的深入分析，对比了不同截面形式的剪切墙在施工复杂度和成本方面的差异。此外，通过对附着点位置的精确控制和分析，该研究揭示了附着点距离对预制剪切墙稳定性的重要性。附着距离超200mm，剪切墙位移曲线斜率小。150-200mm 内，斜率大，位移增加。建议塔吊附着点不在剪切墙边缘200mm 内，保证结构稳定。此外，两种尺寸的预制楼梯在承载力和挠度方面均满足设计要求，证明了其结构的合理性和安全性。综上所述，利用BIM 技术和有限元模型软件，能够对装配式建筑的设计和施工过程进行更为精确的分析和优化，不仅提高了施工效率，还确保了建筑的质量和安全性。因此，BIM 技术在现代装配式建筑领域中扮演着至关重要的角色，为建筑设计和施工提供了一种高效、准确且可持续的方法。