基于BIM的鋁合金模板配模及深化設計研究

蔣東艷，吳 迪，張 健，李倩倩，宋甜甜

(中建六局建設發展有限公司，天津 300451)

0 引言

鋁合金模板是由鋁型材或鋁板材、支撐系統、緊固系統、附件系統構成的系統模板，具有周轉次數多、拼裝流程易掌握、拼裝精準度高、混凝土面平滑、拆模時間早、零廢料、可回收利用等特點，被廣泛應用于高層住宅建筑中。但鋁合金模板體系存在如前期一次性投入相對較大、現場設計變更不宜過大、二維圖紙難以表述復雜節點、工程量統計繁瑣等問題。

1 工程概況

本次研究的項目位于天津市濱海新區，總占地面積27 223.3m2，總建筑面積118 153m2，如圖1所示，共10棟高層住宅及1棟幼兒園，其中高層住宅中5棟為17層、另5棟為25層，采用裝配式疊合樓板，地上結構除樓板外全部采用鋁合金模板進行施工。由于鋁合金模板整體使用量較大，施工前期需解決各模板單體構件的標識、倒運及周轉問題。其次，鋁合金模板施工技術應用對管理人員與施工班組管理及操作水平要求較高。為保證實現施工質量及進度目標，如何更加直觀、準確地進行鋁合金模板技術交底成為關鍵環節。

圖1 項目效果

2 BIM技術

建筑信息模型(building information modeling,BIM)是以三維數字技術為基礎，集成建筑工程相關信息的工程數據模型，是對項目設施實體與功能特性的數字化表達。建筑信息模型同時應用于設計、建造、管理的數字化方法，支持建筑工程集成管理環境，可使建筑工程在整個進程中顯著提高效率、降低風險。

3 虛擬拼裝實施流程

本項目BIM技術所用的基礎軟件和實施流程均基于Autodesk Revit，Autodesk Navisworks Manage開展。基于BIM技術的鋁合金模板虛擬拼裝流程如下：確定配模關鍵結構模型→創建鋁合金模板構件庫→對關鍵模型進行虛擬配模→分析支撐體系受力→檢測模板構件碰撞→深化校正碰撞部位→完成虛擬拼裝流程并實施。

3.1 確定配模關鍵結構模型

施工初期已創建BIM模型，根據高層住宅中鋁合金模板的運用部位，提取單層標準層結構BIM模型，如圖2所示。

圖2 高層住宅標準層結構BIM模型

3.2 創建鋁合金模板構件庫

鋁合金模板布設需考慮加固和支撐方式，選用的加固方式不同，預拼裝前期需創建的BIM鋁合金模板構件庫也有所不同。鋁合金模板加固方式有對拉螺栓式和拉片式，本項目采用拉片式進行加固。依據鋁合金構件生產加工標準模數及結構尺寸，運用Revit軟件創建對應的BIM鋁合金模板構件庫，包含主要模數鋁合金模板、轉角構件、支撐斜撐、扣件、對拉片、銷釘、方管等虛擬預拼裝構件，如圖3所示。構件庫包含的各類構件應做到參數可調，以便適應同類型構件在不同位置的布設需要。

圖3 BIM鋁合金模板構件庫

3.3 虛擬配模

根據鋁合金模板配模設計原則，由標準層結構模型最外圍墻體開始配模，先配外墻內側，后配外墻外側。再進行樓層內墻體配模，由梁較多的墻面開始，至梁少的墻面，至墻體洞口部位，再布置墻板加固構件。之后布置梁部位鋁合金模板，按照梁底板、梁側板、梁板加固順序進行布設，最后布置疊合樓板板縫處鋁合金模板及支撐(見圖4)。

圖4 住宅標準層虛擬配模完成效果

梯段配模應根據樓梯模型分析結構形狀及尺寸，在梯段底板的梯段與墻、梁交接處，確定底板轉角陰角位置，然后根據梯段結構模型布設斜面底板、臨空側板、踏步模板、踏步狗牙形側板、梯段間結構梁模板等，并設置上反三步模板。配模時應注意斜面底板與其余模板的尺寸關系，盡量保證整數，以便于使用標準模板構件，同時注意梯段與周圍結構各節點處的配模，防止露縫(見圖5)。

圖5 住宅標準層樓梯部位虛擬配模效果

3.4 模板受力分析及支撐體系優化

虛擬配模完成后，在建模軟件中拆解出墻、柱、梁、疊合板板縫、樓梯等關鍵部位的模板構件以及對拉拉片，斜撐及背楞等，分別對應單元受力構件載入ABAQUS中，賦予材料及其物理和力學特性，根據鋁合金模板預計受力情況，分析計算單元受力構件施加工況(荷載、約束等邊界條件)。計算完成后，將計算結果由云紋實例圖進行表達，從構件應力、應變、位移等多角度顯示分析結果，將軟件計算得出的結果對比JGJ 386—2016《組合鋁合金模板工程技術規程》中的鋁合金模板剛度、強度等要求，驗證鋁合金模板尺寸、力學性能、緊固構件間距、斜撐設置間距等，均滿足規范規定。

3.5 構件碰撞檢測

對關鍵單元節點進行受力分析并滿足規定后，整合標準層鋁合金模板及加固支撐體系模型，導入Autodesk Navisworks Manage軟件，運用碰撞校核功能進行碰撞檢測，以檢查配模過程中所有的細微誤差，以表單列出所有模型上存在的碰撞情況，便于配模設計人員核實校正。通過多次執行，最終消除所有鋁合金模板虛擬布設誤差，提前解決在現場拼裝時可能出現的碰撞及誤差等問題。

3.6 節點深化校正

本項目在標準層配模碰撞檢測中，共發現5處問題，根據軟件運行報告內容及三維碰撞節點詳圖，配模設計人員深化校正碰撞節點，確保整體鋁合金模板設計及拼模準確無誤。碰撞部位為軸交軸處梁板、墻板，碰撞構件為L41-01-1515CL55-1515×550，L41-06-1015LC27-1015×270，L41-07-10L27-100×270，西Q15-20-2015PCJ15+260KC-1015×(150+2600)，優化為去除L41-07-10L27-100×270構件，將L41-01-1515CL55-1515×550構件改為L41-01-1515CL55-1515×500，將L41-06-1015LC27-1015×270構件改為L41-06-1515LC27-1515×270，如圖6所示。

圖6 碰撞節點優化前后

4 虛擬配模深化設計BIM技術應用

4.1 模板構件爆炸分解詳圖

配模過程中，窗臺、洞口、升降板、樓梯、異形構造等部位常作為重要節點，需額外控制精度，這些部位構造普遍比其他大面區域構造復雜，若使用CAD對復雜節點構造進行配模及出圖，可能存在圖紙表述不清、施工人員難以理解等問題。

通過BIM技術，利用軟件單獨隔離虛擬配模模型中的重要細部節點并進行分解，形成對應節點鋁合金模板分解爆炸圖，便于直觀了解復雜節點的模板構成(見圖7)。并基于三維模型剖切，形成節點深化圖紙(包括正視圖、背視圖、不同部位側視圖及剖面視圖等)。運用三維立體模型結合二維施工圖紙交付給施工單位，解決鋁合金模板二維設計施工圖紙難以表述復雜節點的問題。

圖7 標準層樓梯間模板構成爆炸分解

4.2 模板預留預埋精準定位

通過BIM技術整合鋁合金模板模型、結構模型、機電模型，精確定位機電施工預留洞口及管線預埋位置，提前定位鋁合金模板壓槽、開孔位置、樣式和尺寸，并出具CAD加工圖紙，精確加工預留預埋模板構件(見圖8)。

圖8 鋁合金模板管線預埋構件模型及現場拼裝

4.3 模板構件工程量統計

基于鋁合金模板模型，軟件根據模板類型、名稱等統計方式，出具鋁合金模板構件用量明細表，通過明細表匯總生成以標準層或樓棟為單元的鋁合金模板構件工程量。取代繁復的圖紙算量過程，通過BIM模型直接生成構件數量清單，便于提前周轉及規劃同類型模板構件。結合BIM模型中包含的定額信息，實現人、材、機用量預計，并可分析資源需求量和投入量，從而優化資源分配。另一方面，降低資源沖突發生的可能，盡量減少施工過程變更，有效控制業主方和施工方的成本。

5 結語

1)本文旨在探索更加合理、高質量、高技術的鋁合金模板設計工作流程，聯合鋁合金模板設計、加工廠家及施工單位等多方合作，研究鋁合金模板體系設計施工中基于BIM技術的優化、深化和管理流程，以指導類似項目在鋁合金模板設計施工中的應用，提高建筑工程集成化、信息化程度，為鋁合金模板設計施工發展帶來助益。

2)通過BIM技術輔助鋁合金模板體系設計及深化，避免可能導致返工、誤工及材料浪費的情況，在提升深化設計質量的同時，帶來大量隱性經濟效益，如通過鋁合金模板虛擬配模及碰撞檢測提高配模效率及精確率，通過BIM技術拆解展示復雜節點，減少因節點難度大、圖紙不清可能產生的誤工等情況。