基于BIM 的裝配式中空夾層柱腳節點深化設計

謝恩普，鮑依蓓

湖州職業技術學院 建筑工程學院，浙江 湖州 313000

1 引言

中空夾層鋼管混凝土結構是在同心放置的兩層鋼管之間澆筑混凝土形成的組合結構，該結構承載力高、自重輕、抗彎強度大，具有良好的抗震性能［1］。將結構外部的鋼管替換為不銹鋼材料，形成一種不銹鋼-混凝土-碳素鋼組合結構，其造型美觀、耐久性好，在建筑工程領域具有較好的應用前景［2］。

裝配式建筑建設周期短、現場作業量少、產品質量高、環境污染小等特點，符合可持續發展的理念，是未來建筑業的發展方向［3］。為順應裝配式建筑發展趨勢、更好地推廣不銹鋼-混凝土-碳素鋼組合結構，對其加工生產方式進一步優化，采用工廠預制、現場吊裝的方式進行施工，將建筑信息模型技術應用于構件的生產制作與安裝過程。

2 構件基本信息

某擬建工程采用不銹鋼-混凝土-碳素鋼組合結構形式，為便于構件的生產和施工，現采用BIM 軟件對該結構構件進行深化設計，構件的基本信息如下：構件采用方套方截面（如圖1），外鋼管采用316 奧氏不銹鋼，截面邊長Bo=800mm，厚度to=20mm；內鋼管采用Q235B碳素鋼，截面邊長Bi=500mm，厚度ti=14mm；內外層鋼管間采用C30 混凝土，基礎采用C20 混凝土，柱底500mm 范圍內采用C50 后澆混凝土。

鑒于耐久性要求，該組合結構基礎采用常規的鋼筋混凝土結構形式。為抵抗水平荷載，在鋼筋混凝土基礎中預埋抗剪鍵，抗剪鍵位于組合柱的中空部位，安裝時將組合柱吊裝至指定位置后在其中空部位澆筑一定高度的高強混凝土，保證組合結構與基礎的連接，該柱腳節點暴露于外部的材料為不銹鋼外鋼管，耐久性能有較大程度的提高。

為保證柱腳節點安全可靠，在內鋼管內側和預埋的抗剪鍵表面均焊有一定數量的錨固件，通過高強混凝土與錨栓間的錨固作用傳遞豎向的抗拔力，以承受水平荷載在柱腳引起的應力，保證柱腳節點的安全性能。

圖1 構件截面示意圖

3 BIM 模型的建立

利用Tekla 軟件對該構件及柱腳節點進行深化設計，其軟件設置選擇“完全”的配置，確保鋼結構和混凝土部分均能順利的建立模型。對于混凝土基礎部分，首先用混凝土板的命令創建其基礎主體，為了便于后期材料用量的統計，在創建基礎時需要注意設置混凝土的強度等級。運用生成鋼筋的命令在基礎內部放置鋼筋，其強度等級和直徑依據基礎的結構施工圖進行設置［4-5］。在基礎內部鋼筋的上方放置抗剪鍵，并將抗剪鍵與基礎內部鋼筋相焊接，以確保結構的整體性與安全性，需要在抗剪鍵表明建立錨固件，錨固件的創建方式與普通的螺栓創建有所不同，需要將螺栓標準調整為STUD。

利用創建鋼柱的命令來創建組合結構柱的內外鋼管，此時截面型材采用RHS800×20 的形式；也可以采用四塊鋼板組合形成組合結構柱，其截面型材采用PL20×800 的形式，具體而言應依據采購的原材料類型選取建模方式。內外鋼管均創建完成以后采用類似于創建混凝土基礎的方法，建立組合結構的夾層混凝土和柱腳底部500mm 范圍內的高強混凝土模型。為了加強構件與基礎的連接，在內鋼管內側一定的高度范圍內焊接錨固件，創建方法同上述抗剪鍵的錨固件。

三維可視化模型有利于施工技術員更好地理解柱腳節點，形象地展示出組合結構柱的整體構成和細部構造（如圖2～圖3），為現場的正確高效施工奠定基礎。本文建立的組合結構柱腳節點構造與常規螺栓連接節點有所不同，預埋抗剪鍵的安裝精度要求遠遠低于常規柱腳螺栓的預埋錨栓，只要不影響鋼柱放置至基礎頂面即可，可調節的幅度很大。待鋼柱安裝就位后灌注柱底500mm 范圍的高強混凝土。

圖2 組合柱柱腳三維模型

圖3 柱腳節點內部構造

4 模型數據的應用

BIM 模型除了三維展示的作用外，更實用性的功能是為制作和加工零部件生成準確的圖紙，并可以直接導入至數控機床，以完成組合結構柱中鋼結構零部件的生產［6］。利用三維BIM 模型，可以準確統計出各組成部分材料的用量，如表1 所示。

表1 某單根組合柱材料報表

5 結語

中空夾層鋼管混凝土結構承載力高、耐久性好、施工效率高，具有裝配式建筑的一般優點，可在工程領域推廣應用。利用BIM 軟件對該類結構進行深化設計，可以為施工提供精確的圖紙和可視化圖形，有助于施工的順利進行。利用三維BIM 模型自帶的數據可以較準確地統計材料用量，以便更好地進行施工準備工作。