基于BIM技術的異型結構高大模板支架智能化施工研究*

王忠輝, 呂毅剛, 韓偉威, 王翠

(1.長沙理工大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410114;2.上海建工四建集團有限公司, 上海 200126;3.長沙理工大學 橋梁結構安全控制湖南省工程實驗室, 湖南 長沙 410114;4.長沙理工大學 交通運輸工程學院, 湖南 長沙 410114)

異型結構高大模板工程施工中存在支架設計難度大、支架轉角多、搭設高度大等難點,將BIM(建筑信息模型)技術應用于異型結構高大模板施工具有可視化模擬、精細化管理的優勢,可以優化支架設計,確保方案精準實施。宋斌以某工程獨立大梁的高大模板工程為例,基于BIM平臺二次開發外部插件,實現了單一梁體構件模板支架自動布置[1]。黃奇榮等利用Revit軟件手動繪制環梁節點的高大模板支架體系,進行可視化交底,讓作業人員更加形象直觀地理解結構復雜節點的模板支架配置[2]。謝暉、徐鵬飛等將BIM三維模型與施工進度有效對接,動態演示施工過程,提前規避施工過程中可能遇到的問題[3-4]。穆文奇等運用BIM技術對模板工程方案設計、施工全過程進行精細化管理,使高大模板施工降本增效[5]。本文基于某改造工程,運用BIM技術對異型結構高大模板支架智能化施工進行研究。

1 工程概況

某改造工程的下部結構基坑深度為12.6～16.8 m,面積為1 200 m2,圍護形式為地下連續墻+3道鋼筋混凝土支撐(見圖1、圖2)。頂板厚度為300 mm、700 mm,支架搭設最大高度為16 m。下部結構共有41根梁,尺寸多樣,部分梁截面面積≥0.9 m2,其中600 mm×1 500 mm梁的支架搭設高度最大,為14.7 m,梁、板均屬于高大模板。

圖1 某改造工程下部結構平面圖

圖2 某改造工程下部結構剖面圖

該工程下部結構模板支架體系采用承插型盤扣式鋼管支架,施工重點和難點如下:1) 結構異型,支架懸挑長度要求高。常規建筑結構形式方正,模板支架布置設計方便。而該工程下部結構為異型結構,梁體較多且側墻含較多折角及弧度,模板支架布置設計時須確保靠近墻邊的每一處支架的主梁懸挑長度滿足要求。2) 支架轉角多,設計難度大。結構異型必然導致支架產生轉角,為保證支架的整體性,須研究支架轉角位置及其連接方式;盤扣式腳手架縱橫向間距固定,支架布置圖一處修改則整體均須調整,設計過程重復。3) 結構復雜,高大模板支架施工難度大。下部結構內部梁體分布不規則,高度不一,同時支架搭設高度大,對支架安裝和拆除、施工安全、結構質量保證等有嚴格要求。

2 異型結構的BIM技術智能化應用優勢

2.1 傳統高大模板工程的施工弊端

2.1.1 設計工作量大

目前大量模板支架設計主要依靠人工,利用AutoCAD軟件在二維圖紙上繪制完成,設計過程中重復環節多,安全驗算和施工圖紙繪制工作量大,需要耗費大量精力和時間,同時二維平面形式的設計成果對高大模板工程中復雜連接難以細致表達。

2.1.2 二維圖紙交底效果差

工程信息的傳遞和管理是以各類工程文檔如設計圖紙、施工方案等為基礎,施工過程中技術人員在對作業人員進行技術交底和工程細部構造描述時往往很難達到預期效果,出現施工交底不清、施工人員對交底內容理解不足等情況[6-7]。

2.2 BIM技術智能化應用優勢

2.2.1 三維可視化

傳統工程建設中以二維CAD圖紙作為主要信息交流工具,施工人員只能依靠想象去認識構件形式,隨著土建結構的日益復雜,僅依靠想象不僅難度越來越大而且容易出錯。在模板支架搭設前通過BIM模型將工程的二維圖紙轉換為三維立體圖形,施工人員可精準地理解各類異型、復雜結構的形式和位置,掌握模板施工的關鍵節點和難點,避免產生理解偏差,確保施工效率和安全[8]。

2.2.2 模板支架快捷智能布置

異型結構的模板支架設計中,先驗算確定支架縱橫向間距和步距等關鍵技術參數,避免非必要的重復。隨后使用BIM模板工程設計軟件對BIM模型的板、梁等構件進行智能識別,輸入相應技術參數,快速對板、梁等模板及支架進行智能布置,實現模板支架布置程序化,同時一鍵生成各類平面、斷面、大樣圖、三維圖等,摒棄人工繪制施工圖的傳統方法,可節約大量時間和精力,提高異型結構模板支架的設計效率。

2.2.3 仿真施工模擬及交底

異型結構模板工程施工工序多且與其他工程存在交叉作業情況,運用BIM技術模擬施工不僅能將信息模型以三維形態展現出來,還能對工程中的各種施工過程、狀態、環境進行模擬,對整個模板工程進行4D(3D模型+時間維度)模擬分析,將施工過程以圖片、動畫的形式展現在施工人員眼前,幫助施工人員理解工程任務,保證工程建設的進度及安全性。

3 BIM技術在異型結構高大模板支架施工中的智能化應用

3.1 BIM模型的建立

在模板工程施工前,運用Revit軟件對該改造工程進行三維模型繪制,建立標高、軸網,分別將各層柱、墻、梁、板結構CAD圖紙導入軟件中,建立三維結構圖(見圖3、圖4)。根據應用需求對各構件進行分割、繪制,梁構件按跨進行分割,每跨分割為1根獨立梁,板按梁邊線進行分割,并進行構件命名,同時結合實際添加構件信息。

圖3 工程整體BIM三維模型

圖4 下部結構BIM三維模型

3.2 異型結構高大模板支架的智能化布置

3.2.1 異型結構高大模板支架設計原則

(1) 模板排架采用滿堂盤扣式腳手架,立桿縱橫向間距為30 cm、60 cm、90 cm,步距為50 cm、100 cm、150 cm。單根立桿設置托座及底座,托座內設置2根φ48 mm×3.6 mm鋼管作為模板支撐主梁。

(2) 可調托座伸出頂層水平桿的懸臂長度及可調底座距最底層水平桿的離地高度均不大于500 mm。

(3) 對墻邊折角及弧度處立桿進行加密,確保靠近墻邊的小梁及主梁的懸挑長度不大于250 mm。

(4) 所有梁下均設置立桿,單桿承載混凝土量均不大于0.35 m3,梁兩側立桿與梁邊的距離控制在300～350 mm。

(5) 模板采用18 mm厚竹膠板,以50 mm×100 mm木楞作為小梁,板和小梁的間距不大于200 mm。

3.2.2 異型結構高大模板支架自動化安全計算

將初步策劃的設計參數輸入計算軟件中,驗算各類板、梁模板及支架的強度、撓度、抗剪性能、穩定性、承載力等,各類指標驗算均合格后確定最終支架參數。該工程最終驗算確定300 mm厚板下立桿縱橫向間距為900 mm×900 mm,700 mm厚板下立桿縱橫向間距為600 mm×600 mm。各類梁支架布置參數見表1。

表1 各類梁支架布置參數

3.2.3 異型結構高大模板支架快捷智能布置

運用BIM模板工程設計軟件對模型的板、梁等構件進行智能識別,按“先梁后板”的原則輸入驗算確定的技術參數,設置小梁及主梁懸挑長度,即可快速對板、梁等模板及支架進行智能布置(見圖5)。之后再手動調整復雜節點處的支架布置。通過對支架三維模型的研究,該工程下部異型結構排架僅設置3處轉角即可滿足要求,轉角之間采用鋼管扣件替代連接,支架高度大于8 m,滿布豎向斜桿,最大步距為1.5 m,從掃地桿開始每2步增設1道水平剪刀撐。同時一鍵生成各類平面、斷面、大樣圖等圖紙,再利用AutoCAD軟件進行局部調整及美化,將二維圖紙與三維模型相結合指導施工。

圖5 支架智能布置

3.3 異型結構高大模板可視化施工模擬

3.3.1 構件的三維可視化

將Revit BIM模型導入Navisworks軟件中進行內部結構三維漫游(見圖6),施工人員對結構的認知從二維圖紙上升至三維空間,能清晰、直觀地觀察板、梁、預埋件、預留洞口等的位置及尺寸,同時三維模型能精確標示各構件在空間上的相互位置關系,對復雜節點的展示可提高施工人員對節點的理解。

圖6 結構模型內部漫游

3.3.2 異型結構高大模板仿真施工模擬

使用Navisworks軟件對支架搭設各施工階段進行劃分,利用Time Liner模塊給模型支架構件按照實際施工組織計劃添加時間信息,生成4D模型,進而對以下關鍵施工階段進行模擬:1) 模板支架搭設前,立桿縱橫向間距、墻折角、弧線位置及交叉梁等關鍵復雜節點的布置、放樣。2) 搭設過程中剪刀撐設置形式;高支模架搭設至一半高度后進行驗收。3) 支架搭設達到設計標高后,對主梁、小梁、模板及對拉螺栓設置情況進行驗收。4) 支架拆除按先搭后拆、后搭先拆的原則,從頂層開始,由中間向四周逐層向下進行,嚴禁上下層同時拆除。

文字解說配合模型直觀地對管理人員、作業人員等進行可視化技術交底(見圖7),將復雜部位簡單化、透明化,提前模擬方案的現場施工狀態,避免文字描述不明確或理解不透徹等問題,保證施工模擬與現場施工一致。

圖7 支架布置、安裝模擬

4 結語

本文針對異型結構高大模板工程施工的重點和難點,通過BIM技術實現高大模板支架的智能化實施,主要研究成果如下:

(1) 三維支架設計智能化。采用BIM技術實現異型結構高大模板工程模板支架智能布置,輸入參數即可快速布置建模,同時保證靠近墻邊的小梁及主梁的懸挑長度。通過支架模型研究,將支架轉角數量降至最少,確保高大模板支架布置合理、適用,提高模板支架設計效率。

(2) 復雜結構可視化。作業人員利用BIM模型進行內部漫游,對復雜結構的認知不再局限于二維圖紙,可以更加形象、直觀地理解各類構件在空間上的位置關系,避免產生理解偏差,確保各類構件的施工效率和質量。

(3) 施工模擬動態化。該工程下部結構異型且結構復雜,通過高大模板工程腳手架搭設、復雜節點仿真施工模擬對作業人員進行交底,輔助現場施工,降低施工中修改、返工概率,同時有利于施工過程管理及控制,確保施工方案的精準實施。