新型装配式混凝土建筑结构体...计方法与自主BIM应用技术_肖从真.pdf

建设科技 101一 等 奖2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）新型装配式混凝土建筑结构体系、设计方法与自主 BIM 应用技术2016年9月，国务院办公厅发布了关于大力发展装配式建筑的指导意见，之后国家和许多地方发布实施了相应的技术标准和政策措施，各地开展了大量的推广工程应用。虽然我国装配式建筑研究及应用已取得肖从真1 许杰峰1 姜波1 田春雨2 李建辉1 冯大斌2 马恩成3 夏绪勇3 徐福泉2孙超1 张渤钰1 王俊2 潘从建2 周剑2 马静越1(1.中国建筑科学研究院有限公司 北京 1 0 0 0 1 3 ;2.中建研科技股份有限公司,北京 1 0 0 0 1 3;3.北京构力科技有限公司,北京 1 0 0 0 1 3)摘要 针对目前装配式建筑存在的问题，本项目从结构体系、设计方法、标准规范、BIM应用技术四个层面进行全面系统的研究和创新，提出了多套新型装配式混凝土结构体系，建立了相应的设计方法，突破等同现浇原则限制，促进装配式混凝土结构设计理论的发展；构建了装配式混凝土结构标准体系，突破制约装配式混凝土结构发展的标准化瓶颈；研发我国自主的BIM全流程集成应用系统，解决了装配式建筑全产业链BIM应用技术国产化的“卡脖子”难题。研究成果提升了我国装配式混凝土结构的技术水平，促进装配式混凝土建筑广泛应用。关键词 装配式；混凝土；结构体系；设计方法；标准体系；自主BIMNew Structure Systems,Design Method and Independent BIM Application Technology of Prefabricated Concrete BuildingXiao Congzhen1,Xu Jiefeng1,Jiang Bo 1,Tian Chunyu2,Li Jianhui 1,Feng Dabin2,Ma Encheng3,Xia Xuyong3,Xu fuquan2,Sun Chao1,zhang Boyu1,Wang jun2,Pan Congjian2,Zhou Jian2,Ma jingyue1(1.China Academy of Building Research,Beijing 100013;2.CABR Technology Co,Ltd,Beijing 100013;3.Beijing Glory PKPM Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013)Abstract:In response to the problems currently existing in prefabricated buildings,this project conducts a comprehensive and systematic research and innovation from four aspects:structural system,design methods,standards and specifications,and BIM application technology.Several sets of new prefabricated concrete structural systems are proposed,and corresponding design methods are established to break through the limitations of the equivalent cast-in-place principle and promote the development of the design theory of prefabricated concrete structures.A prefabricated concrete structure standard system is also established to break through the standardization bottleneck that restricts the development of prefabricated concrete structures.An independently developed BIM full-process integrated application system is developed to solve the bottleneck problem of domestication of BIM application technology for the entire industrial chain of prefabricated buildings.The research results have not only improved the technical level of Chinas prefabricated concrete structures,but also promoted the widespread application of prefabricated concrete buildings.Keywords:prefabricated,concrete,structural system,design method,standard system,independent BIM良好的成绩，但当前仍存在一系列问题，例如“连接节点无法摆脱湿作业，施工效率低”、“设计方法照搬现浇结构，不适用于新型高性能装配式结构体系”、“尚未建立标准规范体系，关键技术和产品标准缺位、标准DOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.023102 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊化程度不高”、“缺乏我国自主的BIM应用系统，协同工作效率低”等，使得装配式建筑的施工效率和经济效益优势未能充分发挥，推广应用也遇到了瓶颈。为了解决以上问题，本项目从结构体系、设计方法、标准规范、BIM应用技术四个层面进行全面系统的研究和创新，提出了多套新型装配式混凝土结构体系，建立了相应的设计方法，构建了装配式混凝土结构标准体系，研发我国自主的BIM全流程集成应用系统，以提升我国装配式混凝土结构的技术水平，促进装配式混凝土建筑广泛应用，项目的总体思路、创新成果和应用概况如图1所示。图 1 项目总体创新点与成果1 新型装配式混凝土结构体系图2 高性能装配式框架结构体系 图3 全装配式预应力混凝土框架结构体系(1)高性能装配式框架结构体系。构建了一种由高强混凝土预制构件、高变形能力干式连接节点和消能装置构成的高性能装配式框架结构体系，如图2所示，可实现刚度退化可控的破坏机制和构件损伤可控的耗能机制，具有高抗震性能、高耐久性和高施工效率。通过模型试验、数值模拟和理论分析，揭示了高性能装配式框架结构体系的受力机理，验证了其破坏机理和耗能机制。(2)全装配式预应力混凝土框架结构体系。构建了一种由预制楼板、全预制后张无粘结预应力框架梁和预制框架柱构成的全装配式预应力混凝土框架结构体系，如图3所示，具有施工效率高、地震损伤轻、延性好、自复位等特点；通过模型试验、数值模拟和理论分析，揭示了梁端受压界面在弯-剪-扭耦合作用下的抗扭失效特征及受力机理；通过1/2缩尺的振动台试验，揭示了全装配式预应力混凝土框架结构在地震作用下的损伤特征和抗震机理等。(3)外包钢混凝土梁-钢管混凝土柱组合框架结构体系。研发了外包钢混凝土梁-钢管混凝土柱组合框架结构体系，具有高承载力、良好的耐火性能和抗震性能，施工方便；通过模型试验、数值模拟和理论分析，揭示了组合梁的受力机理和裂缝开展规律；揭示了梁柱节点采用不同构造设计的抗震性能和破坏机理；研发了可工业化生产的免拆底模楼承板。(4)装配式局部叠合剪力墙结构体系。研发了底部预留后浇区的装配式局部叠合剪力墙结构体系，可以显著为降低现场支模工程量；通过模型试验，揭示了装配式局部叠合剪力墙的破坏机理和抗震性能，以及水平、竖向拼缝对剪力墙受力性能的影响；验证了剪力墙装配方式的可靠性和合理性，提出了加强装配式剪力墙整体性的构造措施建议。2 装配式混凝土结构设计方法(1)高性能装配式框架结构体系抗震设计方法。给出了高性能装配式框架结构的整体性能目标和构件各自的性能目标；提出了多遇地震下的等效线性分析方法和罕遇地震下基于中国规范反应谱的弹塑性推覆分析方法；建立了结构的抗震等级规定和消能器布置原则；形成了梁柱构件、消能器、梁柱连接节点的设计方法。(2)全装配式预应力混凝土框架结构体系抗震设计方法。提出了全装配式预应力混凝土框架结构楼盖设计方法，实现了框架结构的整体抗侧变形协调；建立了梁-建设科技 103一 等 奖柱节点界面在弯-剪-扭耦合受力状态下的承载力计算方法和抗扭设计建议；给出了全装配式预应力混凝土框架结构抗震设计建议，包括整体结构位移角限值和抗震等级、验算“强柱弱梁”节点承载力和框架梁端屈服位移角等。(3)外包钢混凝土梁-钢管混凝土柱组合框架结构体系设计方法。提出了外包钢组合梁的受弯承载力计算方法、抗剪承载力计算方法、裂缝宽度和挠度的计算方法；提出了梁柱节点的承载力计算方法，以及提高节点抗震性能的构造设计建议；提出了免拆底模楼承板的设计方法。3 装配式混凝土结构标准体系评估了现行标准的适用性，提出了标准修订建议。建立了现行标准对装配式混凝土结构适用性评估方法；开展了相关标准对于工业化发展的全方位适用性评估，提出制约行业发展的技术瓶颈问题与内容欠缺，并给出标准修订建议。形成了装配式混凝土结构标准体系。设计了装配式混凝土结构的标准体系，编制了体系框图及体系表，如图4所示；提出各项具体标准的适用范围、主要技术内容及制修订建议。图4 装配式混凝土结构标准体系框架和分布情况编制了装配式混凝土行业关键标准。编制了标准体系中填补领域空白、适应工程重要需求的标准，突破制约装配式混凝土结构规模化发展的标准化瓶颈。4 基于BIM的装配式建筑全流程集成应用系统(1)研发了预制装配式建筑全产业应用BIM平台。根据我国预制装配式建筑产业化全过程的应用需求，研发支持装配式建筑设计、加工、运输、施工全过程应用的自主BIM平台，如图5所示；建立符合我国装配式建筑特点的BIM数据标准化描述、存取与管理架构，实现装配式建筑全产业链各环节数据的顺畅流动；研究协同工作原理与技术方法，提高协同工作效率。图5 预制装配式建筑全产业应用BIM平台（PKPM-BIM）(2)研发了基于BIM平台的预制装配式建筑分析设计软件。软件可实现装配式建筑智能拆分、装配式结构直接分析计算、标准预制部件详细设计与验算、构件钢筋碰撞检查、设备开洞和预埋管线，自动统计预制率和装配率，一键生成施工图、构件加工详图和构件物料清单等功能；实现了装配式建筑参数化、标准化、全专业一体化设计。(3)研发了预制构件和部品数据库软件。研发了基于云服务平台的预制构件和部品数据库管理系统，如图6所示，解决标准化预制构件和部品数据的共享问题；允许企业用户上传预制构件信息和模型，支持共享部品数据在设计、生产、施工全流程的应用。图6 预制构件和部品数据库软件5 应用情况本项目研究成果与实际工程紧密结合，研发的高性能装配式混凝土框架结构及抗震设计方法，以及基于BIM的装配式建筑全流程集成应用系统已经实现了研究成果产业化，目前已在深汕实验办公楼、合肥市高新区人才公寓项目、沈阳宝能环球金融中心、北京新机场停车楼及综合服务楼工程、武汉东西湖体育中心、深圳国际会展中心、重庆来福士等33项工程中，总建筑面积510万平方米，在保证结构安全的基础上提升设计效率不少于35%，取得了显著的经济效益和社会效益。C