BIM 技術(shù)在模板腳手架設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用

廖 飛 張 坤 周 文 張文強(qiáng) 丁 誠

中建-大成建筑有限責(zé)任公司 北京 100080

1 工程概況

某模板腳手架工程為高層城市綜合體，涵蓋了商業(yè)、寫字樓、酒店、會(huì)議中心等功能建筑。建筑面積為3.15×105m2，高度為60m，結(jié)構(gòu)層數(shù)19 層。工程擬用模板為長1830mm、寬915mm、高15mm 的覆膜膠合板，腳手架為φ48.3m×3.6m 的普通鋼管腳手架。

該模板腳手架項(xiàng)目結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜，模板周轉(zhuǎn)次數(shù)較多，現(xiàn)場(chǎng)割據(jù)作業(yè)強(qiáng)度較大，且場(chǎng)地狹窄，對(duì)模板腳手架進(jìn)場(chǎng)控制造成較大困難。若采用傳統(tǒng)模板腳手架，存在設(shè)計(jì)工序繁瑣、材料統(tǒng)計(jì)誤差因素多等問題，且無法確保外在視覺效果。

為此，根據(jù)模板腳手架設(shè)計(jì)需求，首先完成模板腳手架建模。在三維可視化平臺(tái)上，將模板腳手架組成構(gòu)件修改為插件格式，獲得三維模板腳手架信息模型。借助BIM技術(shù)進(jìn)行模板腳手架施工與配模，同時(shí)統(tǒng)計(jì)工程量，開始模板的集中加工，確保模板腳手架項(xiàng)目的精細(xì)化水平。

2 BIM技術(shù)在模板腳手架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 建立模板腳手架族庫

模板腳手架族庫構(gòu)建是BIM 技術(shù)在模板腳手架設(shè)計(jì)中應(yīng)用的前提，可以大幅度提升模板腳手架設(shè)計(jì)效率及圖像準(zhǔn)確性。在模板腳手架構(gòu)件族模型制作時(shí)，選擇標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族中建筑族分組的常規(guī)模型。在模板腳手架構(gòu)件族制作時(shí)，逐次進(jìn)行桿類、頂托、可調(diào)底座及其他部件的制作[1]。

在桿件制作時(shí)，借助Revit 軟件“構(gòu)件”按鈕下“內(nèi)建模型”欄的常規(guī)模型拉伸功能，進(jìn)行圓鋼管基礎(chǔ)族繪制。繪制后，設(shè)置壁厚（TH）、標(biāo)高上長度（E）、內(nèi)筒直徑（DI）、相對(duì)標(biāo)高下長度（S）、外壁直徑（DO）等參數(shù)，載入構(gòu)件族內(nèi)（見表1），明確各構(gòu)件族內(nèi)基礎(chǔ)圓鋼管的直徑、長度。

表1 模板腳手架族庫 mm

在不同圓管參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上，設(shè)定連接盤厚度為10mm，經(jīng)Revit 軟件拉伸做成基礎(chǔ)族，載入待繪制構(gòu)件族內(nèi)，與鋼管組合固定。一般焊接橫桿插頭應(yīng)用于橫桿，斜桿插頭則應(yīng)用于斜桿（水平/ 豎向）。根據(jù)相對(duì)位置，將基礎(chǔ)構(gòu)件組合成不同類別的桿件，并進(jìn)行構(gòu)件截面尺寸、重量、材質(zhì)的一體化設(shè)置。比如，1500mm 橫桿長度為1436.600mm，相對(duì)標(biāo)高下長度為78.500mm，標(biāo)高上長度為1421.500mm，重量為10.53/ 11.77kN，截面尺寸為φ60.3mm×3.2mm。

在頂托與可調(diào)底座制作時(shí)，選擇普通8mm 厚鋼板，借鑒桿件圓管參數(shù)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行鋼管長度與模型類型調(diào)整，或者進(jìn)行可調(diào)螺母位置參數(shù)的單獨(dú)設(shè)置。如450mm長的可調(diào)底座材質(zhì)為Q235，長度為450.000mm，相對(duì)標(biāo)高下長度為8.000mm，標(biāo)高上長度為458.000mm。

在其他構(gòu)件制作時(shí)，選擇Revit 軟件內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)尺寸構(gòu)件，默認(rèn)長度單位，進(jìn)行多尺寸鋼板組合。如龍骨長度默認(rèn)1000mm 單位長度。

2.2 搭建模板腳手架模型

在族庫搭建完畢后，將整個(gè)模板腳手架視為一個(gè)格構(gòu)柱、格構(gòu)間部分框架組合，恰當(dāng)調(diào)整立桿布置方式、斜桿布置方式。一般需要先繪制軸網(wǎng)，在軸網(wǎng)內(nèi)定義格構(gòu)柱，確定模板腳手架結(jié)構(gòu)體系的生成位置。在上邊界、下邊界一定的情況下，于Revit 軟件內(nèi)，經(jīng)On Startup()方法重載，并在Tab 操作欄加載系統(tǒng)Panel 內(nèi)族，自動(dòng)搭配頂撐、立桿、底座、斜桿、墊塊以及安全網(wǎng)、護(hù)欄、腳手板、龍骨等輔助結(jié)構(gòu)，促使軸線位置生成模板腳手架整體框架。

2.3 設(shè)計(jì)模板腳手架方案

在模板腳手架模型構(gòu)建完畢后，輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，點(diǎn)擊Revit 軟件內(nèi)“配置確認(rèn)”按鈕，在參數(shù)設(shè)置窗口下彈出的提示字體內(nèi)查看設(shè)計(jì)校核。并點(diǎn)擊選擇“設(shè)計(jì)校核”按鈕，查看前期配置腳手架參數(shù)信息通過與否，包括布置參數(shù)（立桿縱距、橫距、步距等）、荷載參數(shù)（基本風(fēng)壓、施工荷載、風(fēng)荷載體型系數(shù)等）。若順利通過，則開展下一步確認(rèn)操作，獲得模板腳手架設(shè)計(jì)成果。模板腳手架布置參數(shù)和荷載參數(shù)設(shè)計(jì)校核分別見表2 和表3。

表2 模板腳手架布置參數(shù)設(shè)計(jì)校核

表3 模板腳手架荷載參數(shù)設(shè)計(jì)校核

根據(jù)設(shè)計(jì)校核結(jié)果，經(jīng)Revit 后臺(tái)計(jì)算，可以確定大橫桿的抗彎強(qiáng)度與最大撓度、小橫桿的計(jì)算強(qiáng)度與最大撓度、單扣件康華承載力與不組合風(fēng)荷載立桿穩(wěn)定性、組合風(fēng)荷載立桿穩(wěn)定性和連墻件穩(wěn)定性均滿足要求。進(jìn)而導(dǎo)出模板腳手架專項(xiàng)方案計(jì)算書，并在Revit 軟件智能生成按鈕的支持下，選擇需要生成的模板腳手架層數(shù)，根據(jù)要求生成對(duì)應(yīng)層數(shù)的模板腳手架三維可視化模型。

3 BIM技術(shù)在模板腳手架施工中的應(yīng)用

3.1 虛擬仿真施工

在模板腳手架三維立體模型建立的基礎(chǔ)上，根據(jù)表1、表2、表3，進(jìn)行模板腳手架模型參數(shù)設(shè)置。在模型參數(shù)設(shè)置完畢后，關(guān)聯(lián)模板腳手架工藝參數(shù)、施工因素，開展虛擬仿真施工，預(yù)先協(xié)調(diào)模板腳手架設(shè)計(jì)施工問題，提高模板腳手架施工期間資源匹配度，確保施工效率。

根據(jù)模板腳手架施工實(shí)踐情況，區(qū)域支撐架體為φ48.3m×3.6m 普通鋼管腳手架。基于此，可在BIM 模板腳手架設(shè)計(jì)模型中，進(jìn)行計(jì)算依據(jù)、結(jié)構(gòu)類型、材料安全參數(shù)、構(gòu)造要求的復(fù)核。確認(rèn)無誤后，利用在Revit 軟件自帶智能計(jì)算模塊、布置引擎，在短時(shí)間內(nèi)完成立桿、橫桿、連墻件、支撐架的虛擬布置，并實(shí)時(shí)展示每一部分的安全計(jì)算結(jié)果，滿足模板腳手架工程流水段施工安全開展需求[2]。同時(shí)，根據(jù)高支模特點(diǎn)，后臺(tái)生成危險(xiǎn)性分析計(jì)算書。并在對(duì)模板腳手架施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部放大處理的基礎(chǔ)上，自動(dòng)驗(yàn)算局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)、返工概率與外在整體美觀性。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，自動(dòng)調(diào)整或指導(dǎo)施工者調(diào)整模板腳手架構(gòu)件位置，避免返工問題。通過虛擬修正模板腳手架三維模型中樓梯間部位、陽角部位，可在確保高大模板支撐體系施工安全性的同時(shí)，降低施工期間模板腳手架配件材料無價(jià)值損耗率。在支撐架虛擬仿真施工的基礎(chǔ)上，根據(jù)1830mm×915mm×15mm 的覆膜膠合板特點(diǎn)，選擇適宜規(guī)格的原材料，智能設(shè)置梁下模板切割方式、切割損耗率、模板拼接最小塊數(shù)、墻柱模板拼接方向、裁切缺口邊最大值、水平模板配莫模方式等參數(shù)，一鍵快速配模，降低高大支模施工中配件無價(jià)值損耗或固體廢物大量產(chǎn)生概率。一般需要先提取BIM 配模立體模型，再確定模板位置關(guān)系，最后分析模板切割情況并輸出配模圖與配模詳細(xì)列表。通過虛擬方針施工成果輸出，可以為模板腳手架現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體施工提供充足支持，實(shí)現(xiàn)源頭材料的精準(zhǔn)化應(yīng)用，確保工期內(nèi)高質(zhì)量施工任務(wù)順利完成。

3.2 精細(xì)化施工管理

借助BIM 算量軟件，搭建三維與二維結(jié)合的模板腳手架施工模型，快速讀取模板腳手架各個(gè)施工工序的信息，奠定精細(xì)化管理基礎(chǔ)。進(jìn)而從模板腳手架工程中無法把握的施工細(xì)節(jié)著手，進(jìn)行針對(duì)性管理。在全面平衡模板腳手架施工期間人力資源、材料資源、設(shè)備資源的基礎(chǔ)上，可以借助Revit 軟件建立模板腳手架識(shí)別區(qū)域，對(duì)構(gòu)件深化加工、運(yùn)輸檢查、安裝驗(yàn)收整個(gè)過程進(jìn)行追蹤定位。比如，爬梯是模板腳手架體系的重要組成部分，常用的爬梯為結(jié)構(gòu)形式固定且構(gòu)造方法簡(jiǎn)單的外部爬梯。在外部爬梯施工期間，施工人員可以借助BIM 技術(shù)全程監(jiān)控管理施工過程。并從前期構(gòu)建的模板腳手架構(gòu)件族庫內(nèi)導(dǎo)入底座、布置、護(hù)欄等信息，由后臺(tái)自動(dòng)判定施工期間底標(biāo)高、頂標(biāo)高偏差，在后臺(tái)報(bào)錯(cuò)后，及時(shí)提醒施工人員修正。進(jìn)而以底標(biāo)高、下生根間距與可調(diào)底座下限為控制節(jié)點(diǎn)，在三維軟件內(nèi)判定爬梯下生根位置，根據(jù)后臺(tái)報(bào)錯(cuò)結(jié)果提醒人員修改，反之則生成單元模型，為后續(xù)驗(yàn)收提供依據(jù)。

3.3 三維可視化交底

傳統(tǒng)施工中，因圖紙均為二維平面視圖，模板腳手架專項(xiàng)施工方案編制需要時(shí)間較長。加之有的操作者基礎(chǔ)知識(shí)水平不高，無法有效理解設(shè)計(jì)圖紙，操作人員技術(shù)交底難度較大、耗時(shí)較長。同時(shí)在實(shí)體施工中，桿件尺寸選擇、橫桿步距確定、立桿間距確定、剪刀支撐布置等問題長期存在于陰陽角施工環(huán)節(jié)，交底難度較大，對(duì)工效工質(zhì)造成了較大的負(fù)面影響，甚至引發(fā)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)搭設(shè)錯(cuò)誤返工、局部失穩(wěn)、機(jī)械窩工等系列問題[3]。基于此，可以在Revit軟件內(nèi)一鍵生成模板腳手架三維施工軟件，自動(dòng)智能驗(yàn)算計(jì)算書、材料清單與模板腳手架專項(xiàng)施工方案，多視角展示模板腳手架三維立體圖紙。同時(shí)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）技術(shù)與BIM 技術(shù)，對(duì)操作者進(jìn)行交底。在技術(shù)交底期間直觀顯示相鄰立桿之間距離、各個(gè)復(fù)雜陰陽角桿件尺寸、剪刀支撐位置、橫桿布局，有效指導(dǎo)操作者按圖施工，降低技術(shù)交底難度。

4 結(jié)語

綜上所述，在模板腳手架設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)用BIM 技術(shù)，返工率有效下降，工期有效縮短，可以確保工程效益，應(yīng)用推廣可行性較高。因此，在模板腳手架工程開展過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)借助BIM 技術(shù)，構(gòu)建模板腳手架三維模型。而施工人員則可以根據(jù)模板腳手架三維模型，進(jìn)行虛擬仿真施工與精細(xì)化施工管理，同時(shí)開展三維可視化交底，預(yù)先確定模板腳手架實(shí)體施工期間與預(yù)埋管線或設(shè)備碰撞問題，及時(shí)交底，確保模板腳手架實(shí)體施工高效高質(zhì)開展。