BIM技術(shù)在超高層型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)深化中的應(yīng)用研究

張亞超

（中鐵十一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，湖北武漢 430000）

BIM技術(shù)是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等相關(guān)技術(shù)不斷普及的背景下發(fā)展起來的一種多維模型的信息集成技術(shù)，通過BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了建筑工程的功能特性和物理特征的可視化表達(dá)，對(duì)于建筑領(lǐng)域的生產(chǎn)而言，屬于一項(xiàng)革命性的技術(shù)［1-2］。BIM技術(shù)能夠借助各項(xiàng)建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建，通過模擬分析建筑結(jié)構(gòu)確定建筑施工效果，在此基礎(chǔ)上實(shí)施施工調(diào)整和完善。尤其是在型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)施工中，能夠快速、準(zhǔn)確分析節(jié)點(diǎn)施工中的問題，已經(jīng)成為新時(shí)期建筑施工中不可或缺的關(guān)鍵部分［3-4］。

1 BIM在超高層型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)施工中的應(yīng)用

1.1 工程概述

福清利嘉中心城市綜合體項(xiàng)目包括12 棟超高層，總建筑面積約為105 萬m2，總投資約38 億元。其中8#寫字樓為型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)，主體均為框架-核心筒體系，建筑抗震等級(jí)一級(jí)（局部特一級(jí)），抗震設(shè)防烈度為7 度，地上33 層、地下4 層，建筑高度為178.85 m，最大型鋼框柱截面為2.94 m2，含型鋼框柱最大層高6.9 m，最大框架梁截面為1.375 m2，鋼筋混凝土梁最大梁高為2.75 m，型鋼柱采用焊接十字型鋼，材質(zhì)為Q345B。

1.2 工程技術(shù)難點(diǎn)

本項(xiàng)目工程結(jié)構(gòu)體系大、縱筋配筋層數(shù)過密（最多為4 層）、與型鋼柱連接、結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋與型鋼易發(fā)生碰撞，梁柱節(jié)點(diǎn)（見圖1）處鋼筋密集穿插復(fù)雜、梁柱箍筋加密區(qū)交匯同時(shí)與型鋼位置產(chǎn)生碰撞，型鋼柱焊接套筒位置無法精準(zhǔn)確定，型鋼柱與混凝土梁焊接位置需要焊接貫通、架設(shè)連接板，節(jié)點(diǎn)處梁鋼筋密集，配筋間距小，施工難度大，大截面混凝土梁與型鋼柱的連接質(zhì)量控制困難，不是工程中常規(guī)的混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)問題，更難以提升連接質(zhì)量［5］。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)運(yùn)用廣泛，節(jié)點(diǎn)處連接質(zhì)量難控制、梁柱節(jié)點(diǎn)問題的出現(xiàn)制約了型鋼混凝土的應(yīng)用。項(xiàng)目部決定采用BIM 技術(shù)輔助和優(yōu)化施工，運(yùn)用BIM 技術(shù)將復(fù)雜繁瑣的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖轉(zhuǎn)化為三維可視模型，并且運(yùn)用軟件對(duì)鋼筋節(jié)點(diǎn)施工過程進(jìn)行模擬施工，做到先模擬后施工［6］。

圖1 型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)

1.3 技術(shù)方案

1.3.1 利用BIM技術(shù)對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋密集部位合理優(yōu)化

原設(shè)計(jì)圖紙型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)中，梁截面主筋配筋為16 根直徑25 mm 的三級(jí)鋼鋼筋，在BIM 三維模型中可發(fā)現(xiàn)梁主筋與型鋼翼緣板有碰撞沖突，經(jīng)與原設(shè)計(jì)單位溝通，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)鋼筋進(jìn)行分層排布：6/6/4排布，調(diào)整最內(nèi)側(cè)主筋位置，將最內(nèi)側(cè)的2根鋼筋下移重新調(diào)整鋼筋間距，以方便梁主筋與型鋼柱的連接，在型鋼柱的翼緣板上焊接鋼連接板，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(shí)確保型鋼柱截面的完整性，不會(huì)降低型鋼的強(qiáng)度和剛度。參照三維模型（見圖2、圖3），確定鋼連接板焊接位置和構(gòu)件尺寸，保證施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。

圖2 型鋼柱、梁節(jié)點(diǎn)鋼筋模型

圖3 型鋼柱、梁節(jié)點(diǎn)模型剖面圖

1.3.2 利用BIM技術(shù)模擬箍筋安裝過程，制定箍筋外形

根據(jù)BIM 模型可知，型鋼柱箍筋與型鋼柱腹板碰撞，無法穿過腹板完成綁扎，因?yàn)樵谛弯摻孛骈_孔過多會(huì)大大降低型鋼的整體剛度，需進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處理，無法保證施工進(jìn)度和質(zhì)量。因此選取一種盡量少穿型鋼柱的布置方式，即將箍筋改為拉筋外繞，將拉鉤做成C 字形，兩端彎鉤135°，中間段繞到第三根柱筋外側(cè)通過（見圖4）。

型鋼混凝土柱核心區(qū)拉鉤遇牛腿腹板時(shí)，將拉鉤改為兩段，一段穿過牛腿腹板與另一段采用單面焊的形式連接（見圖5），單面焊焊縫長度≥10倍焊接鋼筋直徑，接頭錯(cuò)開。

圖4 優(yōu)化后箍筋與型鋼連接三維圖

圖5 優(yōu)化后箍筋與型鋼焊接圖

1.3.3 利用BIM技術(shù)對(duì)型鋼套筒進(jìn)行定位

利用BIM 技術(shù)對(duì)型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)部位的鋼筋進(jìn)行3D 建模、動(dòng)畫演示，確定鋼筋與型鋼柱的接觸點(diǎn)，以確定型鋼上部套筒的精確位置，并對(duì)套筒位置進(jìn)行標(biāo)識(shí)，定位標(biāo)高位置、尺寸，在后期型鋼柱加工過程中，對(duì)焊接套筒位置進(jìn)行技術(shù)交底，并保證焊接質(zhì)量（見圖6、圖7）。

2 施工優(yōu)化

梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋節(jié)點(diǎn)圖（見圖8）包括節(jié)點(diǎn)平面圖、剖面圖（若此面無梁則不存在剖面圖）節(jié)點(diǎn)說明、牛腿位置平面圖。

圖6 BIM建模型鋼柱上部套筒定位圖

圖7 型鋼套筒定位現(xiàn)場

梁柱節(jié)點(diǎn)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)平面圖的確定首先以柱為基礎(chǔ)，確定梁的位置，與圖紙相符。確定梁的配筋并標(biāo)注在圖上，需注意梁的集中標(biāo)注和原位標(biāo)注。畫出牛腿的相應(yīng)位置，牛腿的長度為翼緣板的寬度，牛腿的寬度一般取15 cm，根據(jù)規(guī)范要求雙面焊接的長度為5 倍的焊接鋼筋直徑。在平面圖上還需標(biāo)明柱主筋的分配位置，原則上標(biāo)明每根角筋外，其余主筋需均勻分布。

型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)三維建模效果圖（見圖9）需表示的鋼筋有3 種形式：焊接鋼筋；直錨、彎錨鋼筋；貫通鋼筋。備注：（1）不同顏色線條不同部位分別建立不同圖層；（2） 梁、柱、墻外輪廓線為白色；（3）型鋼柱（梁）輪廓線為黃色，剖面顯示板厚部分也進(jìn)行黃色填充；（4）墻、柱主筋為紅色；（5）焊接牛腿梁筋為藍(lán)色；（6）貫通或直錨梁筋為紅色；（7）套筒對(duì)接梁筋為綠色；（8）彎錨梁筋為青色；（9）箍筋、拉筋為洋紅色。

圖9 型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)三維建模效果圖

焊接鋼筋：當(dāng)上部第一排鋼筋排列好后，圖紙上表示鋼筋在牛腿板上時(shí)，全部采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)電弧焊焊接鋼筋。現(xiàn)場施工時(shí)要注意焊接質(zhì)量，不能點(diǎn)焊和露焊，焊接需飽滿。焊接長度最少保證5倍的焊接鋼筋直徑。

直錨、彎錨鋼筋：根據(jù)鋼筋錨固相關(guān)規(guī)范要求，考慮混凝土強(qiáng)度、鋼筋型號(hào)、抗震等級(jí)等，計(jì)算鋼筋的錨固長度。能否達(dá)到直錨要求，需要計(jì)算鋼筋錨固長度a和柱邊到型鋼腹板的距離b，若b>a，則具備要求；若b

貫通鋼筋：貫通鋼筋為穿越型鋼腹板的鋼筋，需排列好鋼筋后在腹板上面開孔。開孔需注意孔洞的位置、大小及數(shù)量。一般為確保現(xiàn)場施工方便，鋼板處貫通直徑25 mm鋼筋開32 mm的洞口，貫通直徑28 mm鋼筋開36 mm 的洞口，需注意的是鋼筋排布不是所有鋼筋都需穿過腹板。當(dāng)原位鋼筋和集中標(biāo)注鋼筋在一起時(shí)，要注意集中標(biāo)注鋼筋穿過腹板時(shí)的鋼筋排布，盡量考慮現(xiàn)場施工簡單和工效。型鋼腹板開孔的數(shù)量是有嚴(yán)格要求的，若整塊腹板的長度為L，開孔直徑的總長度不能大于0.25L。當(dāng)一根鋼筋同時(shí)可以彎錨和貫通時(shí)，優(yōu)先考慮貫通。當(dāng)2個(gè)方向垂直的鋼筋都需要貫通時(shí)，需將某一邊的開孔洞口上調(diào)一根鋼筋的直徑，避免鋼筋與鋼筋之間產(chǎn)生沖突。

深化原則：

（1）若梁兩側(cè)貫通，上部一排鋼筋保證1/3 以上穿腹板貫通連接，其余焊接在牛腿上，二排以上采用套筒對(duì)接及穿腹板貫通，盡量少采用套筒對(duì)接；下部一排鋼筋采取焊接及直錨，若直錨長度不夠則采取彎錨，二排及以上采取套筒對(duì)接及直錨，若直錨長度不夠則采取彎錨。

（2）若兩側(cè)梁不貫通或?yàn)樾绷海喜恳慌配摻畈捎门Ｍ群附蛹爸卞^，若直錨長度不夠則采取彎錨，二排以上采用套筒對(duì)接及直錨，若直錨長度不夠則采取彎錨；下部鋼筋同上部鋼筋排布原則［7-8］。

（3）梁中兩端采用套筒連接的縱筋中間采用焊接進(jìn)行連接，單面焊焊接長度≥10倍焊接鋼筋直徑，雙面焊焊接長度≥5倍焊接鋼筋直徑。

（4）主樓梁牛腿高度L=h-95（h為梁高，mm）。因型鋼柱翼緣板柱外邊為200 mm 或250 mm，柱鋼筋為28 mm，箍筋18 mm，焊縫為5d（d為梁筋尺寸，多為25 mm），牛腿翼緣板與鋼柱翼緣板焊腳為25 mm，柱保護(hù)層為25 mm，以上尺寸合計(jì)28+18+5×25+25+25=221 mm。如按照6d進(jìn)行牛腿翼緣設(shè)計(jì)，無法保證柱筋貫通。為保證柱筋貫通，將型鋼柱翼緣板至柱外邊為200 mm，梁牛腿翼緣板改為7d，在牛腿翼緣板上開孔，保證柱筋上下貫通。型鋼柱翼緣板至柱外邊為250 mm，梁牛腿翼緣板為6d。

（5）因兩側(cè)梁高不一致或兩側(cè)梁面標(biāo)高不一致，導(dǎo)致牛腿翼緣板高度不一致，加勁肋板取牛腿上翼緣較高和下翼緣較低處。

3 結(jié)束語

福清利嘉中心二期項(xiàng)目中的超高層型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)連接施工較為復(fù)雜，質(zhì)量把控難度大，需通過BIM 技術(shù)建模、模擬確定連接過程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的合理性、有效性和準(zhǔn)確性，采用BIM 模擬分析施工過程、直觀把握梁柱節(jié)點(diǎn)連接狀況，在節(jié)點(diǎn)處主筋與型鋼柱深化設(shè)計(jì)、滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，實(shí)施相應(yīng)的調(diào)整。尤其是在主筋結(jié)構(gòu)數(shù)量、間距、箍筋外形、梁柱結(jié)構(gòu)套筒連接定位調(diào)整等方面，控制重要數(shù)據(jù)參數(shù)，建模、安裝過程模擬分析，確定型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)連接優(yōu)化效果，才能真正實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)指導(dǎo)施工，從根本上提高建筑施工經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。