BIM技術(shù)在群塔作業(yè)與腳手架安全驗(yàn)算分析中的應(yīng)用
——以廣東某項(xiàng)目為例

劉一哲 張博方 于月軒 孫慧靈 謝丹鳳 蔣立鑫

(1.山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 山東淄博 255049；2.中建八局第一建設(shè)有限公司 山東濟(jì)南 250100)

0 引言

隨著大型項(xiàng)目中塔吊使用頻率越來(lái)越高，塔吊布置越來(lái)越密集，但塔吊在施工過(guò)程中可能會(huì)剮蹭到建筑主體或其他塔吊，存在施工隱患。因此，群塔作業(yè)方案論證極為重要。用BIM技術(shù)可以高效、快捷解決群塔作業(yè)安全性和可靠性問(wèn)題[1]。

另外，腳手架設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)、安全、效率是工程施工最主要的三大因素。傳統(tǒng)的腳手架設(shè)計(jì)大多依賴于施工人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，大量的手算公式，使腳手架驗(yàn)算的精度難以得到保證。若腳手架的施工搭接存在問(wèn)題，其拆除和再搭接，降低了施工效率。基于BIM腳手架軟件不僅可以形象直觀地反映出腳手架和主體的搭接形式，更能清楚地定位每個(gè)節(jié)點(diǎn)的搭接情況，能夠提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并進(jìn)行修正，而且可以精確驗(yàn)算出腳手架承載力、變形等安全指標(biāo)，同時(shí)也能導(dǎo)出腳手架的材質(zhì)明細(xì)表，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

基于上述，本文以廣東某工程項(xiàng)目為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，探析BIM技術(shù)在群塔作業(yè)與腳手架安全驗(yàn)算分析中的應(yīng)用。

1 案例項(xiàng)目分析

廣東某項(xiàng)目6號(hào)園64號(hào)樓，地上總建筑面積64 200 m2，框架剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑總高度89.4 m，總層數(shù)為26層。該工程群塔作業(yè)與腳手架解決方案如圖1所示。

圖1 群塔與腳手架解決方案

1.1 BIM優(yōu)化群塔作業(yè)

群塔作業(yè)容易存在碰撞問(wèn)題，群塔作業(yè)合理布局是防碰撞的關(guān)鍵。倘若運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行塔吊施工模擬，則能在滿足安全規(guī)范、工程實(shí)際條件和最優(yōu)工作原則下，通過(guò)BIM施工場(chǎng)地布置軟件和BIM虛擬施工系統(tǒng)可視化模擬，使塔吊位置以及高度最為合理、塔吊工作區(qū)域最大化[2]。而且，可以模擬塔吊的安裝與拆除，有效解決群塔布置施工問(wèn)題和安全問(wèn)題。

(1)塔吊工作面最大化

利用BIM技術(shù)進(jìn)行可視化處理場(chǎng)地布置，模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到BIM施工場(chǎng)地布置軟件中，并使之符合圖紙和規(guī)范要求(塔吊高于建筑物15 m)，在軟件中可以清楚查詢每一個(gè)塔吊的工作半徑。如果塔吊半徑不足，就無(wú)法滿足正常施工需求。但在BIM施工場(chǎng)地布置軟件中可以清晰地體現(xiàn)出來(lái)，解決該問(wèn)題如圖2所示。通過(guò)觀察模架軟件中群塔工作最大面積是否可以將建筑物全面覆蓋，如若不能全部覆蓋或出現(xiàn)重復(fù)區(qū)域，則可在BIM施工場(chǎng)地布置軟件中修改塔吊的半徑，使之滿足要求。

圖2 BIM施工場(chǎng)地布置群塔模擬

圖3 塔吊布置參數(shù)

(2)選擇合理的塔吊工作高度

減少塔吊本身對(duì)高層基坑邊坡穩(wěn)定性的影響，主要是根據(jù)擬建建筑物的樓層進(jìn)行碰撞模擬分析，確定塔吊高度合理值，避免塔吊導(dǎo)致的碰撞影響相鄰建筑物的施工。而通過(guò)對(duì)群塔的模擬分析，則能找到施工過(guò)程中的可能碰撞點(diǎn)，避免塔吊的碰撞對(duì)建筑物主體產(chǎn)生影響，從而提高可視化程度，保證工程施工的進(jìn)度和效率如圖3所示。

由于群塔作業(yè)的施工不是單獨(dú)塔吊的作業(yè)，高度因素會(huì)導(dǎo)致相鄰塔吊作業(yè)之間產(chǎn)生一系列施工和安裝拆除問(wèn)題，而B(niǎo)IM施工場(chǎng)地布置軟件和BIM虛擬施工系統(tǒng)可以解決這一問(wèn)題[3]。通過(guò)三維視圖全方位瀏覽BIM施工場(chǎng)地布置的塔吊，發(fā)現(xiàn)每個(gè)塔吊滿足規(guī)范要求，但是按照實(shí)際情況，不應(yīng)該等高度布置。在軟件模擬中發(fā)現(xiàn)，如果群塔等高布置，施工過(guò)程中必然會(huì)導(dǎo)致相鄰塔吊碰撞，如圖4所示。使用BIM模架軟件選擇塔吊合理工作高度，則可使之具有高度差，避免此類問(wèn)題的發(fā)生。該項(xiàng)目建筑物高度為89.4 m，經(jīng)過(guò)在軟件中調(diào)整，塔吊高度平均為104.9 m，相近塔吊合適高度范圍為102.9 m～106.9 m。

圖4 塔吊細(xì)部碰撞節(jié)點(diǎn)

(3)群塔的安裝、拆除

在BIM虛擬施工系統(tǒng)中，通過(guò)模擬一個(gè)塔吊的安裝與拆除，檢驗(yàn)在安裝拆除過(guò)程中是否會(huì)受到相鄰塔吊的影響，造成施工不便。在BIM虛擬施工系統(tǒng)調(diào)整臨近塔吊的高度和位置，重新模擬施工直到修正后的塔吊可以正常安裝、拆除如圖5所示。從BIM場(chǎng)地布置軟件到BIM虛擬施工系統(tǒng)，對(duì)群塔作業(yè)進(jìn)行可視化分析與修正，提前預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)施工群塔作業(yè)可能發(fā)生的問(wèn)題，對(duì)實(shí)地作業(yè)有實(shí)踐基礎(chǔ)[4]。

圖5 塔吊拆除模擬

(4)塔吊安全模擬

除上述安全問(wèn)題以外，因人員操作不當(dāng)，造成拆卸過(guò)程中塔件掉落，造成人員傷亡[5]。BIM虛擬施工軟件不僅可以模擬塔吊的拆除，而且可以模擬事故場(chǎng)景。BIM虛擬施工風(fēng)力影響，在該系統(tǒng)中調(diào)整風(fēng)力的級(jí)數(shù)，模擬塔吊作業(yè)其他因素導(dǎo)致的安全事故的發(fā)生,如圖6所示。

圖6 塔吊安全事故

1.2 項(xiàng)目腳手架安全分析

(1)基于BIM的腳手架優(yōu)化思路

將該項(xiàng)目BIM模型導(dǎo)入到BIM模架軟件中，根據(jù)擬建建筑物的條件，建立外圍腳手架模型，并且放大腳手架細(xì)部節(jié)點(diǎn)，通過(guò)驗(yàn)算導(dǎo)出不符合承載力、撓度、穩(wěn)定性的節(jié)點(diǎn)，基此在模型中調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置與參數(shù)(表1)，進(jìn)行修正優(yōu)化，得到符合規(guī)范的計(jì)算書(shū)；然后，再一次導(dǎo)入BIM模架軟件進(jìn)行二次驗(yàn)算，使模架可靠性、安全性得到提升。

結(jié)合規(guī)范，對(duì)腳手架縱向水平桿、荷載標(biāo)準(zhǔn)值、搭設(shè)高度以及連墻承載力等安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算并修正(表2),使修正的架體參數(shù)滿足要求或者調(diào)整節(jié)點(diǎn)構(gòu)造[6]。選取外墻1層腳手架以及與腳手架橫向搭接的連桿和蓋板進(jìn)行驗(yàn)算。架體基本參數(shù)如表1所示，荷載統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表2所示，驗(yàn)算腳手架立面圖如圖7所示。

表1 架體搭設(shè)基本參數(shù)

圖7 落地式腳手架立面圖

表2 荷載參數(shù)

(2)縱向水平桿驗(yàn)算

腳手架布置參數(shù)為腳手板自重標(biāo)準(zhǔn)值Gk2為0.1 kN/m2,橫桿上縱桿根數(shù)n為2根。根據(jù)規(guī)范《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)中5.2.4條，縱向水平桿宜按三跨連續(xù)梁計(jì)算，如圖8所示。

其中，本文在荷載統(tǒng)計(jì)時(shí)，將鋼管自重統(tǒng)計(jì)入永久荷載，這樣計(jì)算更為精確，鋼管自重標(biāo)準(zhǔn)值g=3.33/100=0.033 kN/m。由于橫向水平桿上的縱向水平桿均等放置，故縱向水平桿的距離為S=lb/(n+1)，縱向水平桿承受腳手板及施工活荷載。

根據(jù)分析，腳手架的縱向水平桿抗彎強(qiáng)度按承載能力極限狀態(tài)下計(jì)算，荷載基本組合值為：

=1.2[0.033+0.11.05/(2+1)]+1.4[(2+0)1.05/(2+1)]

=1.062 kN/m

縱向水平桿撓度按正常使用極限狀態(tài)下計(jì)算，荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合值為：

=0.083 kN/m

(3)抗彎驗(yàn)算

根據(jù)荷載基本組合結(jié)果，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8 強(qiáng)度計(jì)算受力簡(jiǎn)圖

圖9 彎矩圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器求得彎矩(圖9)：

Mmax=0.239kN·m

σ=Υ0×Mmax/W=10.239×106/4490

=53.216N/mm2≤[f]=205 N/mm2

此處簡(jiǎn)化驗(yàn)算腳手架縱向荷載的抗彎能力結(jié)構(gòu)的承載力，雖然滿足要求，但由于材料的富余，經(jīng)濟(jì)性得不到滿足，所以，適量減少材料的截面面積不僅能滿足強(qiáng)度要求，材料的用量也會(huì)減少，經(jīng)濟(jì)性和安全性得到最大優(yōu)化。

(4)腳手架荷載標(biāo)準(zhǔn)值

①立桿承受的結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值Ng1k

經(jīng)查規(guī)范《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)中附表A.0.1[7]得：

gk=0.13 kN/m

Ng1k=H×gk=89.04×0.13=11.575 kN

②構(gòu)配件自重標(biāo)準(zhǔn)值Ng2k

由于實(shí)際腳手板鋪設(shè)層數(shù)m=3，下式構(gòu)配件計(jì)算中，分別對(duì)腳手板自重、欄桿擋腳板自重、安全密目網(wǎng)自重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算：

Ng1k=m×lb×la×gk1/2+m×gk2×la+la×H×gk3

=3×1.05×1.5×0.1/2+3×0.35×1.5+1.5×89.04×0.01

=3.147 kN

③施工活荷載標(biāo)準(zhǔn)值NQKN

腳手架上其他可變荷載QK2如沖擊荷、震動(dòng)荷載，非偶發(fā)事件僅取一層腳手板上作用，該荷載即可滿足實(shí)際情況。

NQKN=(nzx×QK1+QK2)×lb×la/2

=(1×2+0)×1.05×1.5/2=1.575 kN

(5)立桿穩(wěn)定驗(yàn)算

根據(jù)《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB51210)6.2.6條規(guī)定，取風(fēng)荷載組合值系數(shù)Ψw=0.6，根據(jù)連墻件的步距，可確定ξ1=0.6，連墻件豎向間距H1=3.6。

腳手架立桿由風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值：

腳手架立桿由風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩設(shè)計(jì)值：

Mwd=Ψw×γQ×MWK=0.6×1.4×0.114=0.096 kN·m

立桿荷載組合：

根據(jù)《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB51210)6.2.5條規(guī)定進(jìn)行計(jì)算[8]：

Nd=1.2×(NG1K+NG2K)+1.4×NQK=1.2×(11.575+3.147)+1.4×1.575=19.871 kN

l0=kμh=1.155×1.5×1.8=3.119 m

λ=l0/i=3.119×1000/15.95=195.517

根據(jù)l值查規(guī)范JGJ130-2011附錄A.O.6得到φ=0.188

則立桿穩(wěn)定的驗(yàn)算式為：

不組合風(fēng)荷載：

γ0×Nd/φA=1×(19.871×1000)/(0.188×424)=249.28N/mm2≥f=205 N/mm2

組合風(fēng)荷載：

γ0×Nd/φA+γ0×Mwd/W=1×(19.651×1000)/(0.188×424)+1×0.076×106/4490=263.45 N/mm2≥205 N/mm2

通過(guò)驗(yàn)算立桿的穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)不滿足要求，荷載的影像下，立桿的穩(wěn)定性得不到滿足，安全性得不到保障。由于影響穩(wěn)定性的因素是長(zhǎng)細(xì)比，因此，減少立桿的高度，增大截面的寬度，可有效地提高立桿的穩(wěn)定性，使安全性得到滿足。

(6)連墻件承載力驗(yàn)算

表3是連墻構(gòu)件參數(shù)。

表3 連墻件參數(shù)

計(jì)算連墻件的計(jì)算長(zhǎng)度：

a0=a=0.2×1000=200mm,a0/i=200/15.95=12.539

根據(jù)l值查規(guī)范JGJ130-2011附錄A.O.6得到φ=0.967

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

ωk=μzμsω0=1.423×1×0.3=0.427 kN

風(fēng)荷載產(chǎn)生的連墻件軸向力設(shè)計(jì)值：

Nwld=γQwkL1H1=1.4×0.427×16.2=9.682 kN

連墻件的軸向力設(shè)計(jì)值：

Nld=Nwld+N0=9.682+3=12.682 kN

其中N0由根據(jù)《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB51210)6.2.7條規(guī)定進(jìn)行取值(表3)。

將Nl、φ代入下式：

強(qiáng)度：σ=Nl/Ac=12.682×1000/424

=29.911 N/mm2≤0.85f=0.85×205

=174.25 N/mm2

經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，并對(duì)不滿足規(guī)范的節(jié)點(diǎn)，比如承載力不足，撓度過(guò)大等問(wèn)題進(jìn)行驗(yàn)算。一是要滿足腳手架的強(qiáng)度要求，二是強(qiáng)度的保障不能過(guò)于考慮材料的富余性，經(jīng)濟(jì)性也要考慮，所以要綜合修正BIM腳手架軟件參數(shù)使得滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。大大提高了精確度，從而使腳手架的可靠度大大提高，減少了不必要的時(shí)間、人力資源和材料的浪費(fèi)。

2 結(jié)語(yǔ)

利用BIM技術(shù)，對(duì)腳手架和群塔作業(yè)安全管控進(jìn)行論證分析，有效解決了傳統(tǒng)施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性、效率性問(wèn)題。在群塔作業(yè)方面，通過(guò)BIM技術(shù)，對(duì)塔吊進(jìn)行了合理的布局，提高了群塔施工方案的論證效率；在腳手架的安全分析中，BIM技術(shù)改變了傳統(tǒng)計(jì)算方式的冗雜，提高了精度和效率，方便施工人員對(duì)不合理值進(jìn)行修正，降低了工程成本和安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，對(duì)施工有重大的利用價(jià)值。