基于BIM技術的型鋼混凝土結構施工優化研究應用

任澤民，呂超，喬金麗，孔令川

（河北工業大學土木與交通學院，天津300401）

基于BIM技術的型鋼混凝土結構施工優化研究應用

任澤民，呂超，喬金麗，孔令川

（河北工業大學土木與交通學院，天津300401）

分析了BIM技術相較型鋼混凝土傳統施工方法的優點.提出了基于BIM技術的型鋼混凝土施工優化流程，利用BIM技術建立直觀形象的三維模型，對結構重要部位進行鋼筋碰撞檢查，找出碰撞原因，給出解決方案.詳細描述了通過BIM技術解決型鋼混凝土結構復雜節點鋼筋布置具體過程及優勢.解決了實際工程中型鋼混凝土結構復雜節點的鋼筋布置這一施工難點.

BIM技術；型鋼混凝土；鋼筋碰撞；3D建模；優化施工

0 前言

型鋼混凝土結構是近年來被廣泛采用的結構形式，與鋼筋混凝土結構相比承載力大、剛度大、抗震性能好，又比鋼結構具有更好的防火性和穩定性．但型鋼混凝土結構在施工中經常會遇到型鋼梁柱節點區域鋼筋與型鋼發生碰撞的問題，這一問題的存在，使得型鋼混凝土梁柱節點處的鋼筋綁扎和錨固變得十分困難，進一步影響梁柱節點處的混凝土澆筑，進而對整個型鋼混凝土梁柱節點安全性產生負面影響[1]．

在具體施工過程中，設計圖紙檢查工作量大，施工交底困難多．設計方出具的施工圖紙由于專業劃分不同，設計人員素質參差不齊，存在大量各專業圖紙相互矛盾、匹配不上的問題．進行人工圖紙校驗和碰撞檢查工作費時費力．同時隨著建筑造型和結構越來越復雜，期望施工周期越來越短，因此對于建筑施工的協調管理和技術交底要求越來越高．而一些復雜結構的施工難度高，施工交底困難大，傳統形式的技術交底面臨諸多難題．這2個問題會導致施工進度滯后，施工成本增加，也給工程質量安全帶來巨大隱患，不利于工程項目的管理[2]．

基于BIM技術強大的三維設計功能和模擬功能，具有三維可視化、協同性和信息可提取性的特點．在型鋼混凝土施工中引入BIM技術，建立三維模型，運用相關軟件進行碰撞檢查，優化施工方案[3]．三維環境下進行碰撞檢查可以快捷明了的發現節點中的碰撞問題，提前全面的反應出施工設計的問題，可以節省人工檢查圖紙時間并提高準確率．施工人員不用再翻閱海量的施工圖紙，只要打開定時維護的三維模型就能進行施工方案討論和優化，同時在BIM模式下進行虛擬施工指導，直接使用三維模型進行交底，降低施工交底難度，直觀簡潔、省時省力[4]．本文分析型鋼混凝土施工中的難點，結合BIM技術的特點提出基于BIM的型鋼混凝土施工優化流程．在工程實例中利用BIM三維建模軟件，對型鋼梁柱節點進行三維建模及施工模擬，提前發現施工過程中會發生的鋼筋型鋼碰撞問題，對型鋼節點進行深化設計和施工優化，提出解決方案，方便施工.

1 BIM技術概述

BIM英文全稱Building Information Model，意為建筑信息模型，其含義為利用創建的數字化模型對建設項目從設計到建造再到運營的全生命周期進行管理的理念、方法、技術和過程．BIM技術應用于施工優化的優勢主要在于以下3點：1）可視化．BIM的可視化優勢體現在能夠將傳統抽象的二維圖紙及工程信息轉化為形象具體的三維模型、視頻、圖表、圖像等形式形象直觀的展現在人們面前．從而達到由抽象到直觀、深入淺出的目的．2）風險預警．二維設計中由于其本身設計手段的局限，錯漏碰缺在所難免．通過BIM技術在計算機上完成碰撞檢查、4D模擬施工等工作，提前發現設計中的問題和今后施工中可能遇到的問題，以便主動采取措施規避風險，將問題和風險盡量控制在項目前期，減少對后面的影響[5]．3）可模擬性和可出圖性．BIM不僅可以模擬設計出建筑物模型，更重要是可以進行4D模擬施工，根據施工組織設計來模擬實際施工，確定合理施工方案．還可以自動生成常用的建筑設圖紙及構件加工圖紙，碰撞檢查、檢測報告和改進方案等文件．

2 基于BIM的型鋼混凝土施工優化

由于結構的形態日趨復雜，越來越多的工程鋼筋節點處非常密集，施工有比較大的難度，同時不少設計采用型鋼混凝土的結構形式，在本已密集的鋼筋工程中加入了尺寸比較大的型鋼，帶來了新的矛盾[6]．通常表現如下：1）型鋼與箍筋之間的矛盾，大量的箍筋需要在型鋼上留孔或焊接；2）型鋼柱與混凝土梁接頭部位鋼筋的連接形式較為復雜，需要通過焊接、架設連接板或者貫通等方式來完成連接[7]；3）多個構件相交之處鋼筋較為密集，多層鋼筋重疊，鋼筋本身的標高控制及施工有著很大的難度．

利用BIM技術可以給施工單位一種很好的手段來與項目其他參與方進行交流，共同解決以上問題．采用BIM技術對型鋼混凝土復雜節點進行施工優化設計，提前對重要部位的安裝進行動態演示、施工方案預演和比選，實現三維指導施工，從而更加直觀化地傳達施工意圖，避免二次返工．

1）運用Revit、Tekla等軟件根據圖紙進行三維實體建模，直觀表達構件尺寸、位置、配筋情況等施工信息．

2）用Naviswork等工具進行碰撞檢測，根據檢測報告，在模型中調整鋼筋和型鋼，做出優化方案．還應根據施工現場情況和規范進行施工方案比選，選出最優解決方案．

3）運用模擬施工功能進行工序模擬和施工交底，可制作三維施工模擬和技術交底動畫在技術交底會議上演示，最后可生成圖紙指導施工．

基于BIM技術型鋼混凝土施工優化的流程如圖1.

圖1 基于BIM技術型鋼混凝土施工優化流程圖Fig.1 The flow chart of construction optimization of steel reinforced concrete based on BIM

3 工程實例

3.1 工程概況

某大學機械、材料學院教學實驗樓，總建筑面積34 970.2 m2，地下1層，地上5層，為框架剪力墻結構．建筑高度最高處23.75 m，首層層高5.7 m，2～5層層高4.2 m，型鋼設置范圍為1～5層，其中標高18.25 m以上設置為鋼桁架．鋼梁采用焊接H型鋼，材質為Q235B．根據原設計圖紙，利用BIM三維建模軟件對型鋼混凝土結構進行三維建模分析，尤其對型鋼梁柱節點施工進行必要的施工優化，確保施工可行性．

3.2 工程實例技術難點

工程結構體系大，結構節點復雜，尤其是型鋼混凝土節點處鋼筋密集，鋼筋與型鋼之間的碰撞問題，框架柱箍筋的就位及梁受力筋與型鋼的連接是型鋼混凝土施工的技術難點．為了型鋼混凝土結構復雜節點能夠順利施工，項目部決定采用BIM技術輔助和優化施工．運用BIM技術將復雜繁瑣的節點構造圖轉化為三維可視模型，并且運用軟件對鋼筋節點施工過程進行模擬施工，做到先模擬后施工（圖2為工程整體建模效果）.

通過三維實體建模發現，節點處鋼筋密集，穿插復雜，具體施工難點主要包括：

1）型鋼箍筋施工：型鋼混凝土柱采用四肢箍，型鋼截面為700×300，中間的箍筋均與型鋼相碰撞．型鋼與箍筋之間的矛盾，大量的箍筋要在型鋼上留孔或焊接．

2）梁柱節點處鋼筋施工：梁柱節點處鋼筋密集穿插復雜，梁柱箍筋加密區交匯同時與型鋼位置產生碰撞．型鋼柱與混凝土梁接頭部位鋼筋的連接形式較為復雜，需要通過焊接、架設連接板或者貫通的方法來連接．

3）多個構件相交之處鋼筋密集，多層鋼筋重疊，鋼筋本身的標高控制及施工有很大難處．

圖2 建模效果Fig.2 Modeling effect

3.3 BIM三維實體建模

利用BIM三維實體建模軟件，建立型鋼混凝土關鍵節點的三維實體模型．可以實現：1）三維多角度直觀顯示節點情況；2）準確顯示鋼筋型號及位置，方便現場施工；3）進行多層次鋼筋碰撞檢查；4）直接給出鋼筋用量，一目了然，方便快捷；5）可以使結構設計和施工對接．

3.4 施工優化方案

3.4.1 梁上下主筋優化

原設計圖紙型鋼梁柱節點中，梁截面主筋配筋為6Φ25，在BIM三維模型中可發現梁主筋與型鋼柱翼緣板有碰撞沖突（如圖4），經與設計單位進行溝通，在滿足設計要求的前提下，調整最內側主筋位置，將最內側的兩根鋼筋位置下移，重新調整鋼筋間距，以方便梁主筋與型鋼柱的連接（如圖5、圖6）．在型鋼柱的翼緣上焊接鋼連接板，解決主筋無法穿過的問題．鋼連接板平行于鋼筋與型鋼柱翼緣垂直放置．保證梁鋼筋能正常綁扎錨固的同時確保了型鋼柱截面的完整性，不會降低型鋼的強度和剛度．參照三維模型，確定連接板焊接位置和構件尺寸，保證施工質量和施工進度．

3.4.2 型鋼柱箍筋配筋優化

圖3 鋼桁架模型Fig.3 Steel truss modeling

圖4 碰撞顯示Fig.4 Collision display

根據BIM三維模型可知，型鋼柱箍筋與型鋼柱腹板碰撞（如圖7），無法穿過腹板完成綁扎．因箍筋數量眾多，無法在型鋼腹板開孔讓鋼筋穿過，因為在型鋼截面開孔過多會大大降低型鋼的整體剛度，需進行加固補強處理無法保證施工進度和質量[8-10]．因此選取一種盡量少穿型鋼柱的布置方式，即在柱型鋼上設置加勁板（如圖8），將對稱箍筋改為插口箍筋，再將箍筋焊接在加勁板上．該方式既能滿足設計對于配箍率的要求，又能方便指導施工．

圖5 梁原配筋圖Fig.5 Former beam reinforcing bars

圖6 優化后梁配筋圖Fig.6 Optimized beam reinforcing bars

圖7 柱箍筋與型鋼碰撞Fig.7 Collision display

圖8 加勁板優化Fig.8 Optimized stiffening plate

3.4.3 梁柱節點位置鋼筋優化

型鋼柱豎向鋼筋與梁型鋼碰撞（如圖9、圖10），將鋼筋在碰撞位置斷開，在型鋼上下翼緣板上焊接一個垂直于翼緣板的連接鋼板，再將鋼筋與鋼板焊接．對于梁柱節點區，由于箍筋的凈間距不足，需增大梁柱節點區域的箍筋設計間距．適當減少箍筋數量，以柱箍筋為主，減少梁箍筋；梁和細柱中的拉筋不進入節點處．箍筋多做成90°彎鉤焊成封閉箍筋．與翼緣板相遇的梁筋，梁受力筋與連接鋼板相焊．根據梁筋的排布位置，確定連接鋼板的標高方向和尺寸，從而確定梁筋的焊接位置．

3.4.4 混凝土澆筑

在型鋼柱的混凝土施工中，整體鋼筋數量多且密集，混凝土澆筑不能一次成型，所以分為3次澆筑，第1次澆筑下層梁及下平板，第2次澆筑立柱及斜撐，第3次澆筑上層梁和上平板．由于型鋼混凝土梁柱節點位置鋼筋密集，內部鋼筋情況復雜，澆搗混凝土前要提前確定振搗位置，保證振搗棒能夠抵達有效部位充分振搗．注意澆筑順序，在先澆的柱混凝土初凝前澆搗梁板混凝土，梁板混凝土要在初凝前再振搗一次．采用了此種方式進行了普通混凝土的澆筑及振搗，效果良好．

圖9 梁柱節點處箍筋碰撞Fig.9 Collision display

圖10 柱縱筋與梁型鋼碰撞Fig.10 Collision display

4 結論

1）介紹分析BIM技術特點和應用于型鋼混凝土施工優化的適用性，提出了基于BIM技術的型鋼混凝土施工優化方法和流程．

2）利用此方法在工程實例中成功運用，對型鋼混凝土結構梁柱節點優化鋼筋布置，并采用合理的連接處理方法，解決型鋼與鋼筋碰撞問題，減少型鋼梁柱節點鋼筋綁扎的工作難度；同時增加梁柱節點間混凝土澆筑空間，優化混凝土澆注方式，提高混凝土澆筑質量，節約工期，保證工程質量和施工進度．

3）工程實踐證明BIM技術能提高型鋼混凝土等復雜工程的施工效率和施工質量，BIM技術將大大推動數字化施工、精細化施工的發展進程，在工程建設中應該加以推廣．

[1]崔偉鋒.基于BIM對型鋼混凝土梁柱節點施工優化[J].廣東土木與建筑，2016（1）：32-33.

[2]劉占省，趙雪鋒.BIM技術與施工項目管理[M].北京：中國電力出版社，2015：100-103.

[3]丁烈云.BIM應用·施工[M].上海：同濟大學出版社，2015：70-75.

[4]江宇冠.BIM技術在某工程復雜節點鋼筋設計中的應用[J].施工技術，2013，42（24）：93-95.

[5]吳子昊.BIM技術在建筑施工進程中的碰撞研究[D].武漢：武漢科技大學，2013：19-20.

[6]楊震卿.BIM技術在超高層建筑工程深化設計中的應用[J].建筑技術，2014，45（2）：115-118.

[7]陳麗華，李愛群.型鋼混凝土梁柱節點的研究現狀[J].工業建筑，2005，35（1）：56-57.

[8]陳洋，劉玉彬，趙培霞.型鋼混凝土組合結構施工技術[J].建筑技術，2007，38（4）：280-282.

[9]混凝土結構施工鋼筋排布規則與構造詳圖：12G901-1[S].中國建筑標準設計研究院.

[10]混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖：11G101-1[S].中國建筑標準設計研究院.

[責任編輯 楊屹]

Application Research of Construction Optimization of Steel Reinforced Concrete Based on BIM

Ren Zemin,Lü Chao,Qiao Jinli,Kong Lingchuan
（College of Civil and Transportation,Hebei University of Technology,Tianjin,300401,China）

The advantages of BIM technology compared with the traditional construction method of steel reinforced concrete are analyzed.The optimization process of steel concrete construction based on BIM technology is put forward．The three-dimensional model of intuitive image is established by using BIM technology and the collision of steel bars is carried out to identify the causes of the collision and give the solution.The process and advantages of solving the layout of the complex steel joint of steel reinforced concrete by BIM technology are described in detail．Thus,the construction difficulties of the layout of complex steel joints of steel reinforced concrete in practical projects are solved．

BIM technology;steel reinforced concrete;steel clash;3D modeling;construction optimization

TU398.9

A

1007-2373（2017）04-0080-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.014

2017-02-28

任澤民（1964-），男，正高級工程師．通訊作者：喬金麗（1978-），女，副教授，40237614@qq.com.