BIM技術在復雜型鋼混凝土結構中的關鍵應用★

丁傳奇,屈 超,李 華,曹永禎

(北京建工集團有限責任公司,北京 100055)

隨著BIM技術在建筑行業的廣泛推廣，BIM技術在型鋼混凝土中的深度應用也得到進一步延伸[1]，尤其是復雜的型鋼混凝土結構體系中，型鋼混凝土中鋼骨柱和鋼骨交叉節點位置鋼筋排布、模板定位和混凝土澆筑成型質量控制均存在技術難點。BIM技術以其三維可視、施工模擬、高協同和資源共享的特點，輔助實現復雜節點型鋼混凝土結構施工。

1 工程概況

教學科研樓等4項(東南區綜合樓(教學科研樓))、集體宿舍樓(留學生宿舍)工程,項目由中國人民大學投資建設，總建筑面積10.259萬m2，地下3層貫通，為人防及車庫區域以及各類重要機房，其中東南區綜合樓(教學科研樓)的建筑面積為65 856 m2，地上18層，高度81 m，框架-核心筒剪力墻，3層～10層為各種智慧教室，11層～18層為大空間的實驗室，其中東南區綜合樓(教學科研樓)采用大量型鋼混凝土結構形式滿足設計要求。

2 施工技術重難點

2.1 設計特點

為解決教學科研樓框架-核心筒結構受力扭轉不均衡，在結構上首層～5層核心筒東側區域剪力墻暗柱與型鋼框架柱之間布置了一種“剪刀”狀鋼骨斜梁，其中鋼骨為Q345C，規格1 200 mm×1 200 mm的型鋼混凝土柱，鋼骨梁規格500 mm×800 mm，剪力墻800 mm厚，為型鋼混凝土結構中最為復雜，也是施工質量控制的難點。

2.2 施工技術重難點

鋼骨斜梁分別與型鋼混凝土框架柱、暗柱形式之間相連接，其中BIM三維效果如圖1所示。復雜型鋼混凝土區域主要集中在核心筒剪力墻與型鋼框架柱相連接區域，整體呈三角狀連接。

1)型鋼混凝土柱的箍筋加密，梁柱節點處鋼筋密集，混凝土澆筑下落振搗困難，型鋼混凝土質量控制是施工過程控制的重點[2]。2)每一層剪力墻暗柱形式包括L形、T形和弧形，多種轉換形式復雜，要求更高的施工深化技術能力和組織協調能力。3)鋼骨斜梁與型鋼框架柱、暗柱相交，受力主筋為直徑32三級鋼，鋼梁呈斜狀且鋼筋極其密集排布，定位技術水平要求高。4)型鋼混凝土斜梁構件形成“兩線一點”的多角度平面形狀，圓心及曲線線段多，各點位高度關聯，測控精度要求高。

3 BIM應用整體思路

3.1 BIM應用必要性

施工前，利用BIM技術對型鋼混凝土結構復雜節點進行三維可視化模擬深化設計，優化出最優施工技術方案，為現場施工提供信息化技術支持，大幅度提升一次施工合格率，有效保證工序作業。

3.2 BIM應用可行性

基于BIM技術的可視化功能模擬型鋼混凝土復雜節點的鋼結構與鋼筋的相對空間位置關系，通過瀏覽BIM三維模型統籌考慮復雜節點安排和方法，真正做到技術先行且可行，指導實際施工，輔助提升施工效率[3]。

4 BIM技術關鍵應用

復雜型鋼混凝土節點施工整體施工順序見圖2。

4.1 型鋼框架柱混凝土施工關鍵技術

以復雜型鋼混凝土結構整體施工順序為基礎，總結形成型鋼框架柱混凝土結構施工工藝流程[4]，如圖3所示。

4.1.1 整體深化設計

為了解決型鋼框架柱混凝土施工中振搗棒難以順利插到底部的技術難題，基于BIM技術將型鋼框架柱與鋼筋進行三維空間深化并創新研發一種輔助振搗棒插入型鋼框架柱的引導器，其中振搗引導器如圖4所示。振搗器的應用，使得振搗棒順著振搗器內上下振搗，有利于提升型鋼混凝土結構內部混凝土的密實度。借助BIM技術，優化振搗器在型鋼框架柱結構中的位置，見圖5。

完成型鋼框架柱與振搗器的深化后，通過借助BIM技術虛擬化模擬梁柱節點鋼筋深化，形成復雜梁柱節點BIM三維深化圖，如圖6所示。

4.1.2 振搗棒引導器加工

通過BIM技術模擬引導器與振搗棒的相互關系，優化輔助引導器是由6根直徑80 mm鋼絲和直徑為10 mm鋼絲圓圈垂直點焊制作而成，圓環間距300 mm，振搗引導器實體圖如圖7所示。

4.1.3 鋼筋綁扎及引導器安裝

通過BIM技術對施工工藝分析，引導器與鋼柱縱向受力鋼筋和內圈箍筋不相鄰，先綁扎鋼柱內圈箍筋，完畢后，將引導器的上端部臨時吊掛在鄰近內圈箍筋上，然后綁扎外圈箍筋，待外圈箍筋每綁扎500 mm的高度將引導器拉至與外圈箍筋綁扎固定，安裝效果如圖8所示。

4.1.4 型鋼框架柱模板施工工藝

型鋼框架柱模板施工工藝流程：三維深化設計和加工→型鋼框架柱測量放線及定位→模板吊裝到位→合模→加固件咬合→安裝楔形→水平檢查及緊固→垂直檢查→柱底砂漿封堵。BIM三維深化實施效果見圖9。

4.1.5 型鋼框架柱混凝土澆筑

運用BIM可視化的三維模型，對型鋼框架柱混凝土澆筑順序進行模擬動態演示。利用振搗器進行澆筑時，按照每一步澆筑高度傾倒混凝土拌合物，同時把振動棒插入設置好的振搗引導器內，振搗位置正確，快插慢拔，振搗充分均勻。

4.2 剪力墻結構施工關鍵技術

剪力墻結構施工的難點在于弧形墻鋼筋和弧形模板的深化設計、加工和安裝。基于BIM技術應用，對型鋼梁柱和鋼筋結構進行模型分析，使項目技術人員更方便、更直觀地把握結構性能，預先掌握方案的施工順序對結構的影響情況，形成優化方案[5]。

1)弧形墻鋼筋三維排布深化。

基于設計圖紙明確弧形墻鋼筋的弧度、與斜梁交叉的碰撞、伸入暗柱的復雜節點，使鋼筋的空間位置和錨固、連接方式滿足設計規范和施工圖集要求，分析鋼筋整體空間排布和節點鋼筋交叉分層錯開布置的情況，對鋼筋三維模型進行虛擬化碰撞檢查。

2)弧形模板預制深化。

通過BIM技術利用圓弧定點切線定位法，計算弧形墻模板節點的標高和弧半徑，并以三維可視化虛擬建造模擬弧形梁模板整體外觀效果，通過提前與設計單位溝通，采取技術深化優化措施提前解決安裝技術難題。

3)弧形鋼筋加工下料。

基于BIM技術的弧形鋼筋三維深化和優化模型，自動分析弧形剪力墻每段的弧度、長度，導出鋼筋下料清單明細，并進行場外精細化加工[6]。

4)弧形模板預制加工。

基于BIM技術形成預制模板加工圖，自動分析和導出弧形模板的施工工程量清單明細，明確模板的尺寸和數量清單，直接工廠化加工模板，實現模板高精度加工，有效保證模板的制作質量，最后對預制的模板依次編號。

5)弧形墻放線安裝。

基于BIM技術計算出模板弧度并導出弧形剪力墻大樣和剖面圖。依據BIM導出的大樣和剖面圖，精確定位弧形模板角點坐標，采用全站儀完成現場弧形就位，實現弧形剪力墻高精確定位。

6)弧形墻混凝土澆筑。

為保證弧形墻混凝土連續施工，按照BIM深化效果，在混凝土初凝時間內，從弧形墻端部分別對稱依次澆筑混凝土，保證混凝土的施工質量。

4.3 鋼骨斜梁結構施工關鍵技術

4.3.1 鋼骨斜梁結構施工工藝流程

鋼骨斜梁施工主要流程：鋼骨斜梁和型鋼框架柱節點深化→型鋼框架柱、鋼骨斜梁預制加工→現場吊裝→鋼骨斜梁對接→鋼筋穿插→模板安裝→混凝土澆筑。

4.3.2 型鋼框架柱及鋼骨斜梁節點深化

基于BIM技術建立型鋼斜梁、框架柱結構模型并進行鋼筋模型的構建，重點控制鋼筋伸至型鋼框架柱的錨固長度、與套筒連接及深入耳板長度，并優化保證型鋼框架柱鋼筋與斜梁鋼筋交叉的碰撞、鋼筋深入支座的節點位置。深化效果如圖10所示。

4.3.3 型鋼框架柱和鋼骨斜梁預制加工

利用BIM三維動態演示，展示型鋼框架柱和鋼骨斜梁吊裝技術要點，并借助BIM模型導出精細化的加工詳圖，通過嚴格控制型鋼框架柱鋼結構加工與廠內預拼裝。

4.3.4 鋼骨斜梁的現場安裝

利用型鋼鋼骨梁“兩線一點”形成三角平面即框架柱中心點和核心筒剪力墻中心線，多角度鋼骨斜梁位置兩線一點及現場加工效果圖如圖11所示。鋼骨斜梁結構安裝精度：以鋼骨斜梁結構作為參照物，實現模板、鋼筋安裝位置、角度的控制精度。

4.3.5 鋼骨斜梁混凝土施工

鋼骨斜梁混凝土梁內鋼骨多且密集，混凝土振搗棒可操作極其狹窄。按照BIM深化，事先明確振搗的位置和頻次，避免鋼骨梁內部出現孔洞，同時加強混凝土的保溫、保濕養護。

4.4 復雜節點混凝土施工關鍵技術

運用BIM技術進行三維虛擬樣板引路，對節點位置澆筑順序進行模擬動態演示，特別是對框架鋼柱、剪力墻暗柱和鋼骨斜梁相交部位的澆筑順序進行詳細的模擬研究分析，保證從鋼骨斜梁中心向兩側依次對稱澆筑，確保支撐體系受力相對均衡。最終實現多角度鋼骨斜梁和圓弧剪力墻安裝及框架鋼骨柱混凝土良好的成型質量。

5 結語

BIM技術在復雜型鋼混凝土結構施工過程中的關鍵應用，具有明顯的技術應用優勢。

1)基于BIM技術對復雜節點進行策劃，將安裝工序步步分解，有利于施工時鋼結構和鋼筋各工序穿插緊密，使得復雜節點位置的鋼筋綁扎滿足設計要求，大幅度地有效提高一次安裝合格率。2)基于BIM技術能夠實現復雜型鋼結構構件的精確分析和現場安裝精度的輔助控制，借助BIM技術對復雜節點深化優化和精細化管理提供技術支持。3)基于BIM技術的鋼骨斜梁區域施工，實現了弧形鋼筋和預制模板的深化設計、加工和安裝一體化，為復雜異型混凝土結構構件施工提供一種設計施工一體化協同管理模式。4)BIM技術在復雜型鋼混凝土中的應用作為一項創新技術，先進可靠，技術應用效果明顯，為新技術應用示范工程創新技術的攻關和應用提供一種很好的范例。