BIM 技術(shù)在型鋼混凝土工程中的技術(shù)應(yīng)用研究

文｜北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 劉曉辰

伴隨著我國(guó)高層建筑技術(shù)的日益發(fā)展，以及對(duì)建筑組合式結(jié)構(gòu)的研究，越來(lái)越多的鋼混結(jié)構(gòu)被用于建筑施工中。與鋼結(jié)構(gòu)或鋼混結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土在結(jié)構(gòu)布局、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及承載能力上有著顯著優(yōu)勢(shì)。但是型鋼混凝土構(gòu)造復(fù)雜，傳統(tǒng)CAD 技術(shù)無(wú)法解決節(jié)點(diǎn)安裝的復(fù)雜性問(wèn)題，有必要將BIM技術(shù)用于其中，發(fā)揮技術(shù)的可視化與模擬性優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前有研究人員將BIM 技術(shù)用于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)處，經(jīng)過(guò)3D 優(yōu)化設(shè)計(jì)后，實(shí)現(xiàn)施工技術(shù)的改進(jìn)，解決了鋼筋密集與鋼結(jié)構(gòu)交叉作業(yè)方面的施工難題。

圖1 2#樓型鋼混凝土結(jié)構(gòu)典型施工圖

1.工程概況

本工程為華僑村二期項(xiàng)目，工程規(guī)模為十字鋼骨柱及工字鋼骨梁的制作、安裝，總重量約615 噸，工程范圍為砼柱內(nèi)的十字鋼骨柱及砼梁內(nèi)的工字鋼骨梁的制作、安裝，其中包含鋼結(jié)構(gòu)二次深化設(shè)計(jì)、十字鋼骨柱制作與安裝、工字鋼骨梁制作與安裝。本項(xiàng)目需要在2#樓、3#樓、7#地下車庫(kù)部分框架柱內(nèi)設(shè)置勁性鋼柱，具體如下：（1）2#樓的結(jié)構(gòu)類形為框架-核心筒，框架砼柱內(nèi)設(shè)有十字鋼骨柱，單層總計(jì)14 根；（2）3#樓的結(jié)構(gòu)類形為框架-核心筒，框架砼柱內(nèi)設(shè)有十字鋼骨柱，單層總計(jì)4 根；（3）7#地下車庫(kù)的結(jié)構(gòu)類形為框架結(jié)構(gòu)，框架砼柱內(nèi)設(shè)有十字鋼骨柱，單層總計(jì)4 根，鋼柱底標(biāo)高為-11.450m，鋼柱頂標(biāo)高為-0.500m，框架砼梁內(nèi)設(shè)有工字鋼骨梁，總計(jì)1 根。（4）勁性柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大幾何尺寸為500×350mm十字形，腹板和翼緣均為38mm 厚，一延米重量約為0.7t，一層（按最大層高4.2m 計(jì)算）總重量約為3t。

鋼柱為鋼板拼焊接的“十”形柱，并焊接栓釘。鋼柱選擇分段制作，自柱底向上每?jī)蓪臃譃橐欢危慷尾坏贸^(guò)兩層，且長(zhǎng)度不得大于8 米，在十字柱的四塊翼板上焊接耳板，連接板先將鋼柱定位固定好，再將鋼柱的腹板和翼板采用全熔透焊接連接。

首先，本工程施工的土建勞務(wù)單位與鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)分包單位有著緊密的聯(lián)系，施工配合效果將直接關(guān)系到工程進(jìn)度與質(zhì)量等要求，這是本工程的一項(xiàng)重難點(diǎn)，總承包單位人員需提前做好協(xié)調(diào)和準(zhǔn)備工作。其次，鋼結(jié)構(gòu)的加工、制作以及安裝是工程的一項(xiàng)難點(diǎn)，要求各單位針對(duì)材料采購(gòu)、加工制作以及安裝施工等環(huán)節(jié)編制質(zhì)量保證措施。最后，對(duì)于工程勁性柱的現(xiàn)場(chǎng)安裝標(biāo)高、軸線、垂直度的控制也是其中的重難點(diǎn)，在編制專項(xiàng)方案的同時(shí)，應(yīng)做好技術(shù)與作業(yè)交底工作。

2.BIM 技術(shù)在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用原理

依托Revit 軟件的內(nèi)建模型功能，采用創(chuàng)建拉伸、剪切、空心剪切的方法，以原設(shè)計(jì)圖和鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范作為基礎(chǔ)，建立型鋼柱的BIM 三維模型，再將模型應(yīng)用在主體結(jié)構(gòu)混凝土模型中，對(duì)該部位的梁柱鋼筋等進(jìn)行融合。利用BIM 模型對(duì)型鋼柱的開孔、加勁板、套筒焊接位置等做出精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和精確定位，優(yōu)化箍筋的形式等，最終形成更加清晰明了的空間位置關(guān)系，幫助人們完成三維可視化技術(shù)交底[2]。

3.BIM 在型鋼混凝土工程的技術(shù)應(yīng)用

3.1 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型

3.1.1 施工圖深化設(shè)計(jì)

該環(huán)節(jié)需要與設(shè)計(jì)圖紙作為參考工具，綜合工廠內(nèi)的制作與運(yùn)輸條件，同時(shí)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)拼裝與安裝方案，應(yīng)用BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)與深化出更加詳盡的施工圖。將設(shè)計(jì)文件、加工深化圖、吊裝施工要求等編制為制作工藝書，其中包含制作工藝流程與零部件加工工藝要求等。采用BIM 技術(shù)關(guān)聯(lián)土建、機(jī)電設(shè)備、消防、給排水等專業(yè)，綜合考慮工程相關(guān)的梁柱鋼筋安裝、鋁合金模板安裝、高強(qiáng)混凝土澆筑、塔吊吊裝吊等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)。同時(shí)，在深化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要求施工詳圖中詳細(xì)說(shuō)明直接操作過(guò)程所依據(jù)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)；主材與焊接材料的選擇；焊接剖口形式與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)要求；構(gòu)件尺寸幾何與最大允許偏差等。此外，構(gòu)件平面與立面布置圖需要注明構(gòu)件的位置和編號(hào)；節(jié)點(diǎn)施工詳圖需要確定連接件的形式、位置，明確其材質(zhì)與數(shù)量等要求；施工安裝圖和預(yù)拼裝圖應(yīng)合理分布構(gòu)件平面與立面布置情況，表明構(gòu)件位置與標(biāo)高等信息。

圖2 施工總平面布置圖

3.1.2 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型

利用型鋼柱的設(shè)計(jì)圖紙來(lái)創(chuàng)建相對(duì)應(yīng)的BIM 三維模型，再使用Revit 軟件對(duì)型鋼柱的尺寸和型式進(jìn)行精確化模擬，從而更加真實(shí)的反映出型鋼柱和主梁、次梁之間的位置關(guān)系，發(fā)揮BIM 的可視化優(yōu)勢(shì)，使位置關(guān)系能夠在模型中直觀展現(xiàn)。

明確施工圖紙當(dāng)中型鋼柱和鋼筋混凝土主梁、次梁的交接位置情況，創(chuàng)建能夠可視化技術(shù)交底的BIM 模型。通過(guò)節(jié)點(diǎn)模型確定開孔位置，找出加勁板的安裝位置，并為后續(xù)的套筒焊接作業(yè)提供指導(dǎo)，同時(shí)輔助確定最有效的連接形式。對(duì)于梁縱向受力鋼筋密集的區(qū)域，以及上下兩排鋼筋錨固深度不足的情況，可以在BIM 模型中對(duì)鋼筋彎錨長(zhǎng)度進(jìn)行立體化展示，從而達(dá)到節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要求。

3.2 節(jié)點(diǎn)鋼筋的優(yōu)化處理

對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)處的鋼筋展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)圖中節(jié)點(diǎn)圖進(jìn)行BIM 模型的創(chuàng)建，優(yōu)化菱形箍筋，再將型鋼柱中的菱形箍筋調(diào)整成兩個(gè)單肢箍，使箍筋的總肢數(shù)不變，確保配筋率達(dá)到要求。由于封閉箍筋的鋼筋很大，經(jīng)過(guò)BIM 節(jié)點(diǎn)鋼筋優(yōu)化后，顯著提高了施工效率[3]。

發(fā)揮BIM 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋密集的位置優(yōu)化設(shè)計(jì)，使鋼筋與型鋼柱的連接方式更加合理。根據(jù)型鋼柱的翼緣與腹板長(zhǎng)度和梁柱鋼筋位置對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，分為型鋼腹板開孔鋼筋直接通過(guò)、鋼筋焊接在型鋼翼緣的鋼牛腿、鋼筋與焊接在翼緣板的套筒連接三種形式。設(shè)計(jì)圖紙當(dāng)中，個(gè)別梁截面主筋配筋使用了直徑25mm 的三級(jí)鋼，共計(jì)16 根，而三維模型內(nèi)梁主筋和型鋼的翼緣板位置存在碰撞沖突的問(wèn)題。通過(guò)與設(shè)計(jì)單位溝通后，決定對(duì)鋼筋做出分層排布，對(duì)內(nèi)側(cè)鋼筋位置加以微調(diào)，通過(guò)下移2 根鋼筋和調(diào)節(jié)鋼筋的間距，使主筋能夠和型鋼柱有效連接，解決主筋穿透問(wèn)題，確保鋼筋可以正常綁扎，保持型鋼柱截面完整，根據(jù)BIM 三維模型，如圖3 所示，確定焊接位置。

圖3 型鋼柱與梁節(jié)點(diǎn)鋼筋的BIM 三維模型

3.3 鋼結(jié)構(gòu)加工

以型鋼柱為例，利用BIM 技術(shù)完善鋼結(jié)構(gòu)的工廠加工環(huán)節(jié)，依據(jù)Revit 軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)后的圖紙加工，型鋼柱翼緣板和腹板根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，增加焊接時(shí)收縮量，使翼緣板和腹板的焊接位置定位更加精確。同時(shí)，配合柱縱筋與梁主筋的牛腿板與直螺紋套筒的焊接、配合柱箍筋與梁主筋的梁腹板處開孔等也均是重點(diǎn)控制加工精度的部位。在與BIM 模型中各構(gòu)件情況關(guān)聯(lián)后，最終確保節(jié)點(diǎn)構(gòu)造比較復(fù)雜的位置也能夠順利連接鋼筋，或者順利穿過(guò)型鋼柱，使鋼筋連接方式能夠與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求相符合。

3.4 型鋼柱與箍筋安裝

在安裝型鋼柱的地腳錨栓時(shí)，應(yīng)通過(guò)BIM 三維模型對(duì)地腳錨栓理論坐標(biāo)做出定位分析，從而確定型鋼混凝土結(jié)構(gòu)地腳錨栓安裝的位置與實(shí)際范圍。軸線控制點(diǎn)處安裝全站儀，完成水平位置的精準(zhǔn)定位，再將錨栓采用電焊的固定方式，使其在底板位置固定，最后再對(duì)措施鋼筋加固連接。使用BIM 技術(shù)，依靠三維模型形成的施工模擬動(dòng)畫來(lái)演示型鋼柱吊裝的過(guò)程，再對(duì)塔式起重機(jī)的覆蓋范圍和型鋼柱吊裝距離全過(guò)程展示，從而判斷目前吊裝過(guò)程能否達(dá)到施工要求，在確認(rèn)無(wú)誤后正式起吊。

利用型鋼柱結(jié)構(gòu)的BIM 模型，定位型鋼柱加以加固的加勁板位置，同時(shí)在模型內(nèi)標(biāo)注各個(gè)等級(jí)的焊縫，依據(jù)梁柱節(jié)點(diǎn)的BIM 模型，將型鋼柱和懸挑鋼梁的空間位置確定，同時(shí)確定焊縫位置與高度，通過(guò)BIM 模型確認(rèn)后才能開展焊接施工作業(yè)。在安裝箍筋之前，需要根據(jù)模型導(dǎo)出圖紙，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員作出三維可視化技術(shù)交底，對(duì)型鋼柱縱向受力鋼筋與套筒和牛腿的位置予以確認(rèn)，再確定鋼筋連接方式，對(duì)于貫穿型鋼柱腹板的開孔位置，應(yīng)采取一定的補(bǔ)強(qiáng)措施。利用BIM 技術(shù)模擬箍筋安裝過(guò)程，合理制作箍筋外形，解決箍筋和腹板之間的碰撞問(wèn)題、防止腹板開孔過(guò)多影響強(qiáng)度等問(wèn)題，輔助綁扎環(huán)節(jié)等過(guò)程補(bǔ)強(qiáng)處理，最終將箍筋改成拉近環(huán)繞的形式，拉鉤采用C 字形的設(shè)計(jì)方式，兩端彎鉤成為135°角，并通過(guò)BIM 三維模型演示，確認(rèn)工程設(shè)計(jì)效果。

3.5 焊接與套筒連接

對(duì)建筑中梁鋼筋和型鋼柱加勁板進(jìn)行焊接時(shí)，要求焊接位置和BIM 模型中的位置保持一致。此外，對(duì)于一些不易確定位置的鋼筋，如個(gè)別梁縱向鋼筋和型鋼柱的連接也可以使用現(xiàn)場(chǎng)焊接套筒連接的方式，將梁鋼筋直接和套筒連接，且套筒焊接位置同樣需要按照BIM 模型完成精確定位，完成施工現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)確放樣操作。

裝配效果將會(huì)關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量。建議按照鋼結(jié)構(gòu)特征，比如H 型剛裝配就要用到H 型鋼組立機(jī)，再用CO2半自動(dòng)氣保焊機(jī)做出點(diǎn)焊固定，確保點(diǎn)固焊縫擁有＜6mm 的高度，焊縫長(zhǎng)度保持在50mm 左右，間距達(dá)到500mm 即可。在三維圖紙內(nèi)做好鋼材組立前的矯正調(diào)整，確保接觸面沒(méi)有任何偏差，保持構(gòu)件組裝緊密。依靠BIM 技術(shù)做好裝配環(huán)節(jié)的精度控制，尤其是在點(diǎn)焊施工中確保焊材與焊件的匹配，且焊縫的厚度可以處于設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的三分之二，即不超過(guò)8mm，預(yù)組立的構(gòu)件必須符合圖紙尺寸。采用BIM 技術(shù)完成型鋼結(jié)構(gòu)套筒的定位分析，對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)位置處的鋼筋展開3D 動(dòng)畫演示，明確型鋼柱和材料的接觸點(diǎn)，再確定套筒位置，對(duì)其做出表示與標(biāo)高定位，現(xiàn)場(chǎng)人員在鋼材料加工時(shí)對(duì)焊接套筒的位置做出技術(shù)交底，從而全方位的保障焊接工藝質(zhì)量。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中，梁柱節(jié)點(diǎn)的三維建模效果如圖4 所示，其中三種形式的鋼筋，分別是“焊接鋼筋”“直錨與彎錨鋼筋”“貫通鋼筋”。將不同形式的鋼筋在圖紙內(nèi)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，按照顏色的不同與部位的區(qū)別建立圖層，比如梁柱使用白色線條，型鋼柱的輪廓線使用黃色線條，剖面顯示板厚也用黃色來(lái)填充，墻柱主筋使用紅色，貫通與直錨兩斤使用紅色。焊接牛腿梁筋和套筒對(duì)接梁筋分別使用藍(lán)色與綠色。比如焊接鋼筋的時(shí)候，第一排位置的鋼筋排列之后需要在圖紙上做出標(biāo)注，對(duì)于圖紙上處于牛腿板位置的鋼筋，標(biāo)注需選擇使用CO2保護(hù)電弧焊完成鋼筋的雙面焊接的標(biāo)志，并要求焊接長(zhǎng)度達(dá)到鋼筋直徑的5 倍以上，這些都要在BIM 技術(shù)圖紙中有所體現(xiàn)。

圖4 型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)BIM 三維建模效果圖

3.6 模板加工與安裝

基于BIM 技術(shù)，輔以數(shù)字化加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模板深化設(shè)計(jì)和高精度加工一體化。

工程地上標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)采用鋁合金模板體系，地下結(jié)構(gòu)及地上非標(biāo)準(zhǔn)層采用中空塑料模板配合鋼龍骨體系。針對(duì)塑料模板，尤其圓形型鋼混凝土結(jié)構(gòu)柱所涉及圓弧形模板進(jìn)行模型深化，通過(guò)對(duì)預(yù)制件模型的虛擬化分割，形成預(yù)制模板加工圖，模擬分析并導(dǎo)出模板工程量清單及明細(xì)，明確切割模板的尺寸和數(shù)量及其他輔材清單用量。最后，利用分析數(shù)據(jù)，導(dǎo)入數(shù)字化加工系統(tǒng)，進(jìn)行模板的數(shù)字化加工切割等工作，實(shí)現(xiàn)模板的高精度數(shù)字化加工，有效保證模板的制作質(zhì)量。利用BIM 模型，形成各剖面的模板與鋼龍骨安裝圖及相關(guān)詳圖，輔助模板工程安裝過(guò)程，確保拼接位置緊密。同時(shí)，在施工過(guò)程及時(shí)檢查，如出現(xiàn)拼縫漏漿等情況后，項(xiàng)目采用反饋至BIM 模型開始初始調(diào)整，再通過(guò)數(shù)字化加工不斷提高模板精度，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用完善加工，降本提質(zhì)。

3.7 混凝土澆筑控制

運(yùn)用BIM 可視化的三維模型，對(duì)混凝土澆筑工序和施工關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬與優(yōu)化。一方面因工程梁柱節(jié)點(diǎn)處混凝土標(biāo)號(hào)不同，梁柱混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)存在相差兩個(gè)標(biāo)號(hào)以上。另一方面因工程地處市中心，混凝土供應(yīng)需分時(shí)段進(jìn)行，對(duì)于連續(xù)澆筑存在不確定性。

針對(duì)混凝土工程重難點(diǎn)，項(xiàng)目從BIM技術(shù)入手輔助施工。首先，項(xiàng)目利用BIM技術(shù)在模型中繪制一種插拔式定型分隔裝置，以對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)混凝土澆筑過(guò)程中進(jìn)行臨時(shí)分割，再通過(guò)BIM 技術(shù)進(jìn)行模擬與優(yōu)化，確保分割效果的同時(shí)，通過(guò)裝置與鋼筋碰撞檢查，避免裝置與鋼筋的干涉和對(duì)混凝土振搗的影響。其次，結(jié)合混凝土供應(yīng)情況與樓層特點(diǎn)，對(duì)澆筑過(guò)程進(jìn)行模擬，明確每個(gè)區(qū)域與構(gòu)件的澆筑順序，利用模型實(shí)時(shí)跟進(jìn)并優(yōu)化澆筑方案，避免出現(xiàn)冷縫等情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)澆筑過(guò)程的精細(xì)化管理。最后，基于BIM 模型的快速計(jì)算功能，準(zhǔn)確、快速地對(duì)混凝土材料的供應(yīng)量進(jìn)行計(jì)算和實(shí)施反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整混凝土供應(yīng)計(jì)劃，即滿足連續(xù)施工的要求，又不會(huì)使混凝土在現(xiàn)場(chǎng)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)從而影響混凝土質(zhì)量，提質(zhì)增效。

4.總結(jié)

總而言之，本工程需要在混凝土柱內(nèi)的十字鋼骨柱及混凝土梁內(nèi)的工字鋼骨梁的制作、安裝，同時(shí)在2#樓、3#樓、7#地下車庫(kù)部分框架柱內(nèi)設(shè)置勁性鋼柱。所以，利用BIM 技術(shù)的可視化、信息化等優(yōu)勢(shì)，對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維建模并模擬優(yōu)化，輔助優(yōu)化施工工序，改進(jìn)傳統(tǒng)施工工藝，減少碰撞沖突，保障施工質(zhì)量。