装配整体式楼板研究进展及BIM 的应用

缪建宏 赵 誉 张汉荣 赵 勇

建筑工业化是实现我国传统手工粗放式建筑业向现代化工业生产方式转变的超车利器，也是可持续发展的必然选择。要想实现建筑工业化，就要实现建筑部品预制化、建筑施工装配化。发展适宜于工业化发展的装配式建筑已成为我国建筑业的全新发展方向。发展装配式结构是推进建筑业结构性改革和转型升级的重要举措，也是我国“十四五”时期建筑领域明确鼓励的发展方向。

楼板作为装配式结构体系中的极其重要的水平受力部品构件，不但要将其上荷载传递给竖向承重构件，而且还与竖向承重结构一起形成建筑物的空间承重骨架，共同抵抗各种荷载作用，而广泛应用于各类装配式结构体系中。装配式结构体系中的楼板一般主要采用装配整体式楼板。另外，与普通现浇结构施工不同，装配式建筑项目的完成需要在设计、生产、运输、施工等各环节信息数据更密切的配合协作，而这些信息数据的采集与存储是一项非常繁重而浩大的任务，借助BIM 技术能保证信息在项目全过程中各参与方进行更好的有效传递。

本文首先针对装配整体式楼板，系统梳理了目前国内外常见的构造形式，在此基础上，针对BIM 技术在装配整体式楼板设计、生产、运输、施工等各环节的作用进行了归纳，为推动我国建筑工业化建设提供有利参考。

1 装配整体式楼板的主要类型

装配整体式混凝土楼板是将预制和现浇工艺相结合，在预制底板上部浇筑一层混凝土而形成的一种装配整体式水平受力构件。该类楼板不仅可用于各类装配式混凝土结构体系中，亦可用于装配式钢结构等其他结构体系中。装配整体式混凝土楼板按其所组成的材料及构造形式的不同，可以分为叠合板及楼承板两大主要类型。

2 叠合板研究进展

预制底板既在施工阶段充当施工底模，承担自重及其上施工荷载，又在使用阶段作为构件的一部分，发挥其结构承载力。后浇混凝土叠合层在施工阶段现场浇筑，与预制底板一起形成结构楼板。同时，对于装配式混凝土结构，尤其是装配整体式混凝土结构，后浇混凝土叠合层应用尤其重要，其发挥着类似于砖混结构中“圈梁”的作用，各预制结构构件在水平方向上通过后浇混凝土叠合层连接，进一步确保装配式混凝土结构在水平荷载作用下的整体性。

钢筋混凝土叠合板是由预制底板及后浇混凝土叠合层两阶段制作形成的构件。按其受力性能可以分为“一次受力叠合板”和“二次受力叠合板”两类。

按照国家标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010）中的第9.5.1 条的描述，当叠合板在施工过程中有可靠支撑时，其底板在施工阶段充当模板所产生的变形很小，认为其对结构成型后的内力和变形影响可以忽略，因此，可以按整体受弯构件设计计算，即“一次受力叠合板”；当叠合板在施工过程中无可靠支撑时，其底板在施工阶段将产生较大的变形，会影响结构成型后截面应力分布及变形，此时应按两阶段进行设计计算，即“二次受力叠合板”。由于对叠合板的变形控制要求较为严格，且对作为永久模板的预制底板在施工阶段的变形有严格要求，因此，一般将叠合板视为“一次受力叠合构件”。

叠合板按计算跨度的大小又可分为普通跨度叠合板和大跨度叠合板。实现大跨度叠合板的方式目前主要可以采用预应力技术，利用先张法工艺，将预制底板做成预应力混凝土底板，实现适用于大跨度的平板型叠合板、钢筋桁架叠合板、带肋型叠合板及组合型叠合板等；或采用夹芯技术制造出夹芯叠合板，由于其可有效减轻板件自重，亦可实现较大的跨度。

2.1 平板型预制底板叠合板

平板型预制底板叠合板是早期的叠合板形式，其预制底板采用普通混凝土或预应力混凝土制作而成。该类叠合的优点是预制底板制作方便，便于后期电气管线铺设。但为保证预制底板与后浇混凝土叠合层所形成的叠合面的整体性，在生产预制底板时往往在预制底板的上表面采用人工或机械拉毛的方式进行叠合面粗糙处理。现行的国家混凝土《结构工程施工质量验收规范》（GB 50204―2015）也要求：“预制板表面应做成凹凸差不小于4 mm 的粗糙面，且粗糙面的面积不宜小于结合面的80%”以确保结构连接构造的整体性设计要求。

2.2 钢筋桁架制预制底板叠合板

钢筋桁架预制底板叠合板是指在生产预制底板时，将钢筋桁架放入其内。该类叠合板最大的特点是在两叠合层之间设置了钢筋桁架，对其叠合面的抗剪切性能有了较大提高，增加了叠合板的整体工作性能。该类叠合板是目前我国装配式混凝土结构中最常见的一种叠合板，与平板型预制底板叠合板相比，桁架钢筋的引入增大了预制构件的刚度，在吊装和施工阶段，可减少预制叠合底板的变形，并增强承受施工荷载的能力，也减少了板底部竖向支撑的数量。因具有一定的技术优势，该技术被纳入《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1―2014），并制定了配套的国家标准图集。

在实际施工过程中，由于钢筋桁架不适宜大跨度结构，且易开裂，刘文政[1]提出一种灌浆钢管桁架叠合板，该结构将传统的钢筋桁架叠合板上弦杆改为钢管，在钢管内部灌高强砂浆以提高其抗弯刚度和承载力。通过实验表明，钢管桁架楼承板的开裂荷载明显高于平板构件，具有较好的延性。

2.3 带肋型预制底板叠合板

带肋型预制底板叠合板是指下部采用由实心平板与设有板肋（可为实心肋或预留孔洞的肋）组成的预制底板，上部采用现场后浇混凝土的叠合板。依据预制底板所采用的的材料可分为预制预应力带肋底板叠合板、预制非预应力带肋底板叠合板两大类。

针对预制非预应力带肋底板方面：刘汉朝等[2]提出一种倒“T”型预制底板叠合板，通过试验研究表明，当倒“T”型预制底板的上表面采用满足《混凝土结构设计规范》要求的粗糙面处理方式情况下，该类板的叠合面均具有足够的粘结抗剪能力，能够保证叠合板的整体受力工作性能；同时指出，后浇层的二次配筋可有效提高叠合板的受弯承载力及弯曲延性；侯和涛等[3]提出一种预应力混凝土钢肋预制底板叠合板，并通过受弯试验研究表明，该类板具有较好的延性及弯曲刚度。

针对预制预应力带肋底板叠合板方面：黄海林等[4]提出一种PK 预应力混凝土叠合板，该类叠合板中的预制底板采用先张法工艺的预应技术，后浇叠合层采用普通混凝土。黄海林等通过试验、数值及理论分析建立了该类板的设计计算公式，并编制了相应的指导设计施工规程《预制带肋底板混凝土叠合楼板技术规程》。

2.4 空心或夹芯型预制底板叠合板

空心型（夹芯型）预制底板叠合板是指通过采用预应力技术，或利用内置轻质芯材在楼板中性轴附近弯曲应力较小的部位形成空心（空腔）的预制空心（夹芯）底板，上部采用现场后浇混凝土的叠合板。目前对于空心型（夹芯型）预制底板常用的芯材主要有：以聚苯乙烯为主的轻质泡沫类材料，或以GBF、GRC 为主的轻质高强纤维复合材料等。

吴方伯等[5]提出一种内置筒芯内模的预应力叠合板，该类叠合板的内置芯材采用EPS 等轻质材料填充。吴方伯等通过试验研究与理论分析相结合的研究手段，提出了该类叠合板受剪承载力计算方法；张宇峰等[6]提出一种夹芯叠合板（内置蒸压轻质加气混凝土），并对该类板的弯曲性能开展了多维研究；成莞莞等[7]提出一种CS 夹芯叠合板，并通过理论推导及精细化计算模型分析，建立该类叠合板弯曲性能计算方法。

3 钢筋桁架楼承板研究进展

钢筋桁架楼承板是指由钢筋桁架与底模连接组合而成的承重板，依据其生产及施工工艺可分为：焊接式钢筋桁架楼承板、可拆卸底模桁架楼承板和免拆卸底模桁架楼承板3 类。

3.1 钢筋桁架楼承板

钢筋桁架楼承板预制底板由钢筋桁架及底部镀锌钢板组成，预制底板在工厂加工完成后运至施工现场进行安装，最后浇筑混凝土并进行养护，施工阶段的荷载由钢筋桁架来承担，镀锌钢板兼做模板，使用阶段钢筋桁架与混凝土共同受力。胡宪鑫[8]通过研究钢筋桁架楼承板单向板和双向板受力性能，得出了钢筋桁架楼承板的刚度计算公式。杨超群[9]对系统的评价了钢筋桁架楼承板在设计、施工、经济效益。

3.2 可拆卸底模桁架楼承板

可拆卸底模桁架楼承板是指钢筋桁架与可拆卸底模通过专用连接件连接成整体，待吊装到指定位置后，在其上绑扎钢筋并浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度后底模可拆除的一类装配整体式板，简称可拆式桁架楼承板。可拆底模包括钢板、铝合金模板、竹（木）胶合板及其他材质板。

贾斌等[10]提出一种木模板楼承板，并通过理论分析证明该类板力学性能等同现浇。后续的研究人员进一步通过有限元分析，分析木模板不同构造形式的结构性能，为工程实践提供参考价值。针对可拆卸式钢-UHPC组合板，也探究了钢-UHPC 与NPR板协同工作性能。

3.3 免拆卸底模桁架楼承板

免拆底模钢筋桁架楼承板是在压型钢板底模楼承板、可拆底模楼承板基础上发展起来的，它是指钢筋桁架与免拆底模通过专用连接件等连接成整体的组合承重板，简称免拆卸式桁架楼承板。其底模可采用：纤维水泥板、硅酸钙板、UHPC 板等非金属板。

在该类楼板的研究方面，研究人员给出了免拆底模板的楼承板相关计算方法，总结了其设计流程；提出用纤维水泥板来替代传统的底模形成免拆底模钢筋桁架楼承板，通过数值与理论分析验证了其可行性。

4 叠合板及楼承板研究展望

装配整体式楼板的应用越来越广泛，一批新型的楼板体系也被学者们相继被提出。

结合现有装配整体式楼板在工程中的使用情况，以下方面需要完善：第1，叠合方面：材料应用目前大多数为普通混凝土或预应力混凝土，可再生材料应用较少，对于轻质预制底板研发不足；目前叠合板的预制底板无论采用何种构造形式，预制底板厚度普遍在60 mm，而在实际工程中由于需要预埋线管，导致叠合板普遍在浇筑完叠合层后厚度较大，普遍在130 mm 以上，所以如何减少预制底板厚度亦是需要亟待解决的问题。第2，钢筋桁架楼承板方面：可（免）拆卸底模桁架楼承板，普遍需要采用固定连接件来固定桁架钢筋，而目前的固定件基本均为专用连接件，如何研发通用可靠的连接件是可（免）拆卸底模桁架楼承板亟待解决的问题。目前该类楼板的桁架钢筋仅可单向布置，而该类楼承板最终形成的楼板多为双向受力板，如何解决仅单方向布置桁架钢筋问题亦要深入研究。

5 BIM 技术在装配整体式楼板中的应用

BIM 技术可在全过程中收集整合信息、可视化程度高，已成为装配式建造过程不可或缺的技术，贯穿于装配式建筑全寿命周期。以下重点从设计、生产、施工3 个方面对其在叠合板中的应用进行介绍。

5.1 BIM 技术在叠合板设计阶段的应用分析

BIM 技术在设计阶段的应用主要有标准化BIM 叠合板构件库的建立、BIM 可视化设计、BIM 构件拆分以及优化设计、BIM 协同设计，具体为：第1，根据不同的叠合板布置方式，建立相对应的标准化深化设计结构构件。通过构件库里系列标准化构件进行组拼组合，快速建模，按照装配式建筑特性进行“组装”设计，保证叠合板的系列标准化，且各个构件满足工厂规模化、自动化加工和现场的高效施工。第2，采用BIM 的设计方法，让各专业设计师通过三维模型更为直观地表达，有效避免二维图纸理解有误的弊病。第3，针对构件标准化、生产加工工艺、开关插座细节深化。第4，基于统一模型，实现全专业协同设计及优化。

5.2 BIM技术在叠合板生产阶段的应用分析

设计院根据构件信息和拆分条件进行构件工艺设计，在此基础上再根据构件详图，装配条件和制造条件进行装配设计以及制造方案设计，制订出相应的吊装方案、排产方案以及配送方案以提高其生产的效率。将BIM与CAM 技术相结合实现基于BIM 的装配式智慧工厂管理平台，将基于BIM 模型的加工数据与基于施工进度的排产导入生产管理系统以实现基于供应链的优化排产。

5.3 BIM技术在叠合板施工阶段的应用分析

在装配式建筑施工阶段，BIM 技术可以进行装配式构件生产指导，并通过CAM 实现预制构件的数字化制造，实现施工现场组织及工序模拟，施工安装，模拟碰撞检测和复杂节点模拟施工以提高装配式建筑施工的质量和效率。

6 结语

我国近年来对装配式建筑推广力度的不断加大，并经过近几十年的发展，装配整体式楼板因整体性好、施工便捷等优点，得到快速发展和应用。因此，开展叠合板的研究，可以进一步优化叠合板相关性能，拓宽叠合板应用范围，推动其在装配式建筑中的应用，有利于加速推进建筑工业化发展进程。

此外，在叠合板设计、生产及施工全过程中，运用BIM 技术可有效提升项目建设质效。积极运用BIM 技术，有效运用该技术在数据集成方面的功能，已成为包括叠合板在内的装配式建造全过程的大方向。