BIM技術(shù)在梁柱節(jié)點(diǎn)配筋優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

韋華威 楊東雷 范 博

(中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

信息化與建筑行業(yè)的融合發(fā)展已成為建筑業(yè)發(fā)展的方向，將對建筑業(yè)的發(fā)展帶來戰(zhàn)略性和全局性的影響。建筑信息模型(以下簡稱BIM)技術(shù)具有可視性，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性，其在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用也較為廣泛，技術(shù)及功能也趨于成熟。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，BIM技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在鋼筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)。關(guān)于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要思想是“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”，所以梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)對建筑工程的安全性不言而喻，做好梁柱節(jié)點(diǎn)的配筋設(shè)計(jì)更是重中之重。本文通過對西安火車站改擴(kuò)建項(xiàng)目某梁柱節(jié)點(diǎn)的配筋優(yōu)化設(shè)計(jì)，介紹了基于BIM技術(shù)的三維設(shè)計(jì)相對于原二維設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，探討這一技術(shù)在實(shí)際工程項(xiàng)目中的作用。

1 工程概況

西安站改擴(kuò)建工程(新建西安站市政地下通廊、地下進(jìn)出站廳工程)主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，部分進(jìn)出站樓扶梯采用鋼結(jié)構(gòu)。主體地下1層，局部設(shè)置地下進(jìn)站夾層、站臺夾層。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度8級，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。

文章以地下進(jìn)出站廳部分某梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)框架柱截面尺寸為1.9 m×1.9 m，高度9.2 m，主框架梁尺寸為1.4 m×1.9 m，另一方向框架梁尺寸為0.35 m×0.6 m。其具體配筋情況詳見圖1。該節(jié)點(diǎn)有鋼筋密集，施工操作空間小等特點(diǎn)，這也是所有梁柱節(jié)點(diǎn)的共性。現(xiàn)場施工時(shí)可能會面臨綁扎鋼筋數(shù)量與設(shè)計(jì)不符或者鋼筋間距難以滿足規(guī)范要求等問題，給結(jié)構(gòu)安全留有隱患，所以對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便指導(dǎo)施工。

2 BIM配筋模型的建立

本文采用Autodesk Revit軟件對梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行BIM配筋模型的建立，該軟件自帶結(jié)構(gòu)鋼筋模塊，其鋼筋模塊須以混凝土構(gòu)件為基礎(chǔ)，所以梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋系統(tǒng)的建立，必須基于混凝土構(gòu)件。具體步驟如下：

1)混凝土梁柱構(gòu)件建立。由結(jié)構(gòu)圖紙中具體梁柱截面尺寸，通過Revit軟件結(jié)構(gòu)模塊中“編輯類型”命令，建立柱類型，類型屬性見圖2。在柱類型中可設(shè)置信息屬性，在圖2中標(biāo)識數(shù)據(jù)下方各欄中輸入柱屬性，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中柱的內(nèi)力情況、材料型號，如施工中柱的澆筑時(shí)間、施工人員、管理人員等，通過對信息的存儲實(shí)現(xiàn)建筑信息化。梁類型的建立同柱。

2)選擇合適視圖。Revit軟件中，支持多種視角、視圖模式，包括三維模式，其在空間上自由度很高。在設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)情況來確定視圖，以達(dá)到準(zhǔn)確、快速建模的目的。因鋼筋模塊是基于混凝土構(gòu)件，所以在配筋設(shè)計(jì)時(shí)，對梁柱構(gòu)件選擇合適的位置增加剖面，采用剖面視圖進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

3)確定混凝土保護(hù)層厚度。根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖紙及相關(guān)規(guī)范，確定相應(yīng)保護(hù)層厚度。Revit軟件中保護(hù)層設(shè)置應(yīng)先選擇主體單元，然后進(jìn)行保護(hù)層的設(shè)定。

4)選擇鋼筋參數(shù)設(shè)置及繪制。對于常規(guī)鋼筋形狀，Revit軟件中自帶鋼筋族，且屬于參數(shù)化族，是一種智能的設(shè)計(jì)方式，具體鋼筋形狀在鋼筋瀏覽器中查看。通過自動識別混凝土保護(hù)層厚度，自動放置于混凝土主體內(nèi)。鋼筋放置之前應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求設(shè)定參數(shù)，如鋼筋材質(zhì)、直徑、彎曲半徑、彎鉤長度及角度等。對于非常規(guī)鋼筋(如柱外側(cè)箍筋，柱截面四角為弧形，則箍筋形狀在鋼筋瀏覽器中不存在)，可采用“繪制鋼筋”的命令，先選定合適的視圖，按照圖紙及規(guī)范要求進(jìn)行手動繪制。

鋼筋繪制時(shí)，應(yīng)注意工作平面的選取，即鋼筋的放置方向。軟件中提供了平行于工作平面、平行于保護(hù)層、垂直于保護(hù)層三種方位來選擇。鋼筋方向確定之后，對于同一種形狀、尺寸的鋼筋，可采用“鋼筋集”命令進(jìn)行編輯。“鋼筋集”可讓同一形狀、尺寸鋼筋沿鋼筋放置方向按一定間距均勻布置。此方法提供多種布局方式，且可快速繪制鋼筋，也為鋼筋明細(xì)表統(tǒng)計(jì)提供便利。

3 配筋優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 保護(hù)層厚度的確定

混凝土保護(hù)層厚度確定時(shí)應(yīng)注意保證構(gòu)件中受力鋼筋的保護(hù)層厚度大于受力鋼筋的公稱直徑。本節(jié)點(diǎn)中，結(jié)構(gòu)總說明中對梁、柱混凝土保護(hù)層厚度的規(guī)定為28 mm，KZ9及KL4中受力鋼筋直徑為32 mm，KL24中受力鋼筋最大直徑為25 mm，由此可確定KZ9及KL4混凝土保護(hù)層厚度為32 mm，KL24混凝土保護(hù)層厚度為28 mm。

3.2 梁鋼筋的優(yōu)化

3.3 柱鋼筋的優(yōu)化

柱鋼筋優(yōu)化應(yīng)注意以下幾點(diǎn)原則：第一，對縱筋應(yīng)保證凈距不小于50 mm；第二，對箍筋應(yīng)盡量采用大箍套小箍的型式，保證箍筋肢距均勻；第三，外大箍開口方向，上下箍筋應(yīng)交錯布置。優(yōu)化后柱鋼筋情況見圖5。

3.4 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼筋優(yōu)化布置

在優(yōu)化過程中，發(fā)現(xiàn)KL4的混凝土保護(hù)層厚度為32 mm，KL24的混凝土保護(hù)層厚度為28 mm，考慮到KL4在受力上較KL24重要，將KL24的縱筋下移，使其頂部縱筋位于KL4第一排縱筋之下，詳見圖6。

對于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，鋼筋分布密集，所以鋼筋排布情況應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化，要做到如下幾點(diǎn)：1)縱筋間距及箍筋肢距盡量保持均勻；2)保證梁鋼筋在節(jié)點(diǎn)中的錨固長度；3)梁縱筋最外排豎向彎折段與柱外側(cè)縱向鋼筋凈距宜為25 mm；4)對于頂層端節(jié)點(diǎn)，鋼筋彎弧外的混凝土中應(yīng)配置防裂、防剝落的構(gòu)造鋼筋。具體做法：在柱寬范圍的柱箍筋內(nèi)側(cè)設(shè)置間距不大于150 mm且不少于3根直徑不小于10 mm的角部附加鋼筋，且角部附加鋼筋應(yīng)與柱箍筋及柱縱筋可靠綁扎。優(yōu)化后梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋三維情況見圖7。

4 BIM技術(shù)在配筋優(yōu)化設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢

4.1 混凝土保護(hù)層厚度

二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙中，用以表示配筋的各剖面中鋼筋均是以點(diǎn)或線的形式表達(dá)，且未按比例進(jìn)行繪制，圖紙中保護(hù)層厚度僅供參考。施工時(shí)應(yīng)結(jié)合規(guī)范要求及圖紙說明來確定保護(hù)層厚度。在BIM配筋模型中，鋼筋繪制前，要對保護(hù)層進(jìn)行設(shè)定，對于鋼筋位置，Revit軟件會自動調(diào)整，保證其緊貼保護(hù)層允許范圍。所以由Revit繪制的三維模型中可確保保護(hù)層厚度，可直接用于施工。

4.2 鋼筋布置的優(yōu)化

二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙中，多數(shù)采用平法標(biāo)注，需配合圖集16G 101-1—3混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖進(jìn)行施工，鋼筋的排布、錨固等均不能直觀的表達(dá)。對于一些復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，存在表達(dá)不清，位置關(guān)系錯誤等情況。而在BIM配筋模型中，依據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及18G 901—1鋼筋排布規(guī)則對鋼筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后鋼筋按照正確的比例，實(shí)際的長度及直徑，直觀的表達(dá)在三維模型里面。對經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的三維模型，直接用于施工，將施工階段問題解決于設(shè)計(jì)階段。

4.3 各視角、視圖圖紙輸出

在二維設(shè)計(jì)圖紙中，由于平面制圖方式的限制，鋼筋表達(dá)均采用標(biāo)準(zhǔn)斷面，但在一些復(fù)雜節(jié)點(diǎn)中或一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)情況下，單剖面會導(dǎo)致設(shè)計(jì)表達(dá)不清，同時(shí)會在施工中造成一些錯誤。BIM配筋設(shè)計(jì)中，各視圖或剖面是聯(lián)動關(guān)系，對配筋進(jìn)行修改后，將反映到所有視圖剖面中。對各構(gòu)件配筋均可多視角、視圖出圖，從而清晰表達(dá)鋼筋情況，且設(shè)計(jì)人員工作量不增加。

4.4 輸出鋼筋明細(xì)表

在二維施工圖紙繪制過程中，鋼筋明細(xì)表中鋼筋長度及數(shù)量是靠人工手算完成。過程較為繁瑣且技術(shù)含量不高，此過程較為耗時(shí)耗力，也難免出現(xiàn)錯誤，施工前還需復(fù)核確定。Revit軟件中“明細(xì)表”功能，可自動生成鋼筋明細(xì)表，其表中信息可根據(jù)設(shè)計(jì)者想表達(dá)內(nèi)容，及設(shè)計(jì)過程中所輸入的鋼筋“類型屬性”進(jìn)行輸出。此功能不僅可以保證鋼筋數(shù)量長度的準(zhǔn)確性，節(jié)省大量的繪表時(shí)間。如果后期設(shè)計(jì)方案調(diào)整導(dǎo)致鋼筋發(fā)生變化，可減少因鋼筋統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生的工作量，從而大幅提高設(shè)計(jì)人員工作效率。

5 結(jié)語

建筑工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)已有一些應(yīng)用，對配筋優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，BIM技術(shù)應(yīng)用有強(qiáng)大的潛力。本文中運(yùn)用BIM技術(shù)對梁柱節(jié)點(diǎn)的配筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到指導(dǎo)施工的目的。BIM技術(shù)具有強(qiáng)大的功能，其優(yōu)勢也很明顯，對于工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)及指導(dǎo)施工具有重大意義，特別是對配筋設(shè)計(jì)中，可以直觀的反映鋼筋的直徑、形狀、位置等信息，多視角多維度對鋼筋情況進(jìn)行展示，對鋼筋情況表達(dá)十分清晰；另外通過BIM技術(shù)還可對每根鋼筋進(jìn)行信息管理，對每根鋼筋的型號、直徑，長度等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，輸出于明細(xì)表中。對比二維鋼筋圖紙，有較大優(yōu)勢。

BIM技術(shù)在鋼筋設(shè)計(jì)的應(yīng)用也存在一定的局限性。因其對計(jì)算機(jī)硬件要求較高和軟件性能等方面的問題，在BIM三維模型中，無法大量繪制鋼筋，在整個(gè)項(xiàng)目中，將全部鋼筋進(jìn)行表達(dá)是無法達(dá)到的。所以，可僅對工程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和重要構(gòu)件，進(jìn)行BIM模型的配筋優(yōu)化設(shè)計(jì)，對于常規(guī)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，尚不需進(jìn)行配筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)，且施工單位對常規(guī)構(gòu)件的施工技術(shù)較為成熟。在將來，BIM技術(shù)會更加成熟，應(yīng)會得到進(jìn)一步的推廣，更好的為建筑工程項(xiàng)目服務(wù)。