基于BIM的建筑核心筒H型鋼柱定位裝置安裝施工技術

霍 軍

(商丘職業技術學院,河南 商丘 476100)

在高層預制裝配式建筑中,核心筒是重要組成部分,其施工質量決定了整個建筑的穩定與安全.該核心筒鋼筋混凝土結構中的H型鋼柱定位裝置,可以在BIM技術的輔助下進一步設計優化和工廠預制,這既能保證鋼構件的標準化生產,方便現場裝配,同時又能節約工期.核心筒混凝土澆筑完成,并且養護結束后,這些臨時定位裝置還能拆卸下來重復利用,有助于降低施工成本,符合綠色施工理念.

1 工程概況

某預制裝配式建筑工程總建筑面積3.77*104m2,共12層,高度38.2 m.地下1層,為地下室與設備用房,地上11層,屬于預制集成模塊建筑.地下部分與核心筒均采用鋼筋混凝土結構體系.該工程中鋼結構預制件數量較多、種類復雜,對各類鋼構件的制作精度、安裝質量提出了嚴格要求.為了保質保量地完成工程建設任務,本項目使用了BIM技術.前期,利用BIM技術進行鋼構件的預制;中期,通過BIM技術進行碰撞檢測、施工模擬,在加快施工進度和保證施工質量等方面發揮了重要作用.

2 預制裝配式建筑中BIM技術的應用

2.1 基于BIM的構件預制

不同于現澆建筑,預制裝配式建筑中的很多模塊、構件會在工廠進行預制,然后由汽車運輸到施工現場完成吊裝.本工程中使用BIM技術設計了裝配式建筑的三維模型,建模過程如下:啟動BIM建模軟件后,從零件庫中挑選基本零件(長方體、圓柱體、球體等),對基本零件進行組裝、切割等處理,得到符合設計參數的標準化PC構件模型,并以IFC格式文件保存,然后將這些PC構件進行拼裝,得到單個預制戶型模塊,按照同樣的方式添加連接件,將多個預制戶型模塊連接成為一個整體,即為預制裝配式建筑模型.檢驗建筑模型,通過驗收后即可拆解模型,對模型中的各個獨立構件進行工廠化預制[1].基于BIM技術預制裝配式建筑的構件,能夠保證每一個構件都能得到合理應用,避免了構件的浪費,節約了施工成本.

2.2 基于BIM的施工圖紙深化設計

BIM技術在預制裝配式建筑核心筒臨時定位裝置的安裝施工中,還能發揮深化設計的作用,這樣能最大限度減少設計方案中的不合理地方,為后續臨時裝置的安裝提供參考,避免出現返工情況.由于BIM技術具有可視化、所見即所得的特點,可以將原來的二維平面圖紙以三維立體模型的方式呈現,使設計師設計的內容,以及建筑模型中包含的信息更加直觀地呈現.例如,本次工程,使用BIM技術進行設計深化后,發現施工圖中24軸交A軸處的H型鋼柱預埋鋼板向西偏移了18 mm,導致突出墻體.發現這一設計缺陷后,技術人員及時修改設計,將H型鋼柱預埋板向東移動18 mm,使其處于墻體內部.

2.3 基于BIM的施工模擬與優化

基于BIM技術模擬性的特點,可以對預制裝配式建筑的整個施工過程進行模擬,這樣可以幫助施工人員提前了解到預制件裝配過程中可能遇到的問題,進而提前采取應對措施,對提高施工效率和保證施工質量有良好效果.例如,本工程對核心筒H型鋼柱的臨時定位安裝,使用了BIM軟件提供的“碰撞檢測”功能,對臨時定位裝置中各類構件的安裝進行了仿真,發現原設計方案中水平鋼筋與U型定位槽鋼存在碰撞.針對這一問題,技術人員將U型定位槽鋼的位置向上移動了5 mm,避免了水平鋼筋與U型定位槽鋼的位置沖突[2].除此之外,BIM軟件還提供了虛擬漫游功能,以第一人稱視角對構建的建筑模型進行漫游,有助于及時發現問題,為后續施工管理提供了依據.

3 核心筒H型鋼柱定位裝置安裝施工流程與技術要點

3.1 工藝原理與技術優勢

H型鋼柱的臨時定位裝置由上下2大部分構成.其中,上部臨時定位裝置由U型定位槽鋼、斜支撐鋼筋和水平定位鋼筋3類組件;下部臨時定位裝置則包含了定位耳板、連接板、螺栓3類組件.這6類組件均使用BIM進行三維設計,然后通過數控機床加工,實現工廠標準化定制.上、下兩節鋼柱之間分布著8個定位耳板,并等間距開有3個小孔,如圖1所示.

圖1 定位耳板示意圖

定位耳板每8個為一組,上節鋼柱的下端翼緣板和下節鋼柱的上端翼緣板,分別固定4個.在定位耳板的外側布置連接板,將高強螺栓插入定位耳板和連接板的預留孔中進行固定.在距離鋼柱端部500 mm處設置U型定位槽鋼.要求斜支撐鋼筋的上端與U型定位槽鋼齊平,并且要超出樓層頂板標高至少10 mm.水平定位鋼筋的長度為360 mm,位于鋼柱的兩側,并采用螺栓固定的方式連接到U型定位槽鋼的底部,如圖2所示.

圖2 上部定位組件連接示意圖

以上所述的臨時定位裝置適用于截面高度160 mm和截面寬度200 mm以下的H型鋼柱的臨時固定,技術優勢主要表現為以下幾點:1)整體性好.H型鋼柱下部臨時定位裝置可以將上鋼柱和下鋼柱連接起來,上部臨時定位裝置可以將核心筒周圍的H型鋼柱焊接固定,使核心筒的單元型鋼柱成為一個整體.2)降低成本.H型鋼柱臨時定位裝置的6類組件均采用BIM建模和工廠定制,產品質量好、標準化程度高,并且支持重復使用,節約了施工成本.3)采用了螺栓緊固和焊接固定2種連接方式,提高了H型鋼柱體系的穩定性.

3.2 施工準備

臨時定位裝置完成預制后,施工人員按照設計圖紙進行復核,確保規格尺寸與設計參數一致.同時,觀察H型鋼柱與臨時定位裝置在運輸過程中有無變形,如果有則需要修復后再安排進場.將樓面清理干凈,局部凹陷部位找平,根據施工圖紙在樓層面上放線定位,確定下層H型鋼柱的軸線.施工中,對需要用到的手拉葫蘆、鋼絲繩、電焊機等設備也要認真檢查,保證工況良好.完成上述準備工作后,做好技術交底,明確H型鋼柱定位裝置的安裝流程和技術要點,具體流程如圖3所示.

3.3 安裝鋼柱下部臨時定位組件

如前文所述,下部臨時定位組件由耳板、連接板和螺栓組成,具體施工方法如下:現場施工人員將每組8塊定位耳板分別放到指定位置,按照“先上后下”的順序進行定位耳板的焊接.焊接前,檢查H型鋼柱的翼緣和定位耳板的側邊是否平整,如果有彎曲或毛刺等情況要進行修正,有銹跡或油污的要清理干凈.然后,將4塊定位耳板焊接到H型鋼柱的翼緣上.焊接完畢后做好保溫工作,防止焊接部位溫度下降太快出現淬硬組織或者形成焊接裂縫[3].確認焊接質量達標后,再繼續下一步的施工.使用塔吊將H型鋼柱從地面吊升至安裝部位,由現場安裝人員和塔吊操作人員配合完成吊裝,保證H型鋼柱的位置精度達標.H型鋼柱吊裝就位后再安裝連接板,對準連接板與定位耳板的預留孔,穿過六角螺栓并擰緊,將連接板固定在定位耳板上,至此完成鋼柱下部臨時定位組件的施工任務.最后校正鋼柱軸線,保證鋼柱垂直.

3.4 安裝鋼柱上部臨時定位組件

鋼柱上部臨時定位組件由U型定位槽鋼、斜支撐鋼筋和水平定位鋼筋組成,具體施工方法如下:安裝臨時定位組件前進行垂直度校正,將H型鋼柱頂部位置固定后,現場施工人員使用經緯儀、鋼尺等測量工具進行垂直度測量.分別在H型鋼柱的2個軸線上布置1臺經緯儀,同時使用手拉葫蘆和鋼絲繩,在H型鋼柱安裝過程中定期進行垂直度測量,記錄測量數據,直到H型鋼柱安裝結束.在垂直度校正好之后,開始安裝邊角鋼柱斜支撐鋼筋.本次工程使用直徑為10 mm的斜支撐鋼筋,將斜支撐鋼筋焊接到2根鋼柱之間,實現對邊角鋼柱的臨時定位.焊接完畢后,檢查焊接質量并清除焊渣,然后安裝U型定位槽鋼.核心筒柱群外側有4塊翼緣板,每塊翼緣板上分別焊接1個U型定位槽鋼,讓U型定位槽鋼的開口垂直向下或向上,保證相鄰位置的U型定位槽鋼開口相反,采用焊接方式將兩塊U型定位槽鋼的底部連接在一起.最后安裝水平定位鋼筋,本工程使用直徑為12 mm的水平定位鋼筋,將其布置在中部鋼柱與U型定位槽鋼連接的位置,采用焊接的方式將水平定位鋼筋、中部鋼柱、U型定位槽鋼連接成為整合體,至此完成鋼柱上部臨時定位組件的安裝[4].

3.5 焊接鋼柱

鋼柱上部和下部的臨時定位組件安裝完畢后,質檢人員對螺栓連接和焊接質量進行檢查,保證施工質量達標,防止鋼柱發生偏移.完成檢查后,開始進行上節和下節鋼柱的焊接.在本次工作中,鋼柱焊接采用“V”形坡口橫焊方式,首先在上節鋼柱的下端、下節鋼柱的上端進行切割,制作出“V”型坡口.使用砂紙或砂輪進行坡口打磨,讓坡口表面光滑,邊緣無毛刺、飛邊.為提高鋼柱焊接施工質量,焊接前采取了預熱措施.此工程使用了比較先進的遠紅外加熱法,對坡口焊接區域兩側40 mm范圍內進行預熱,使溫度達到150℃-180℃,預熱時間為10 min.通過焊前預熱,能夠有效避免淬硬組織的出現,杜絕焊接裂縫等質量問題的發生.在預熱處理結束后,對于H型鋼柱接口使用二氧化碳氣體保護焊.在兩節鋼柱接頭處的內側,加裝一塊襯板,通過對稱施焊的方式分層完成接頭坡口的填焊.這種焊接處理能夠有效減少變形,從而提高焊接處的牢固度[5].在現場焊接作業時,密切關注氣象預報和現場環境,若預報有雨雪、大風等惡劣天氣,應當中止施焊.焊接完畢后,繼續保溫30 min,保溫結束后對焊縫進行外觀檢查和質量檢測(使用超聲波探傷,結果表明,此工程的鋼柱焊接質量完好,無裂縫).

3.6 拆除鋼柱下部臨時定位組件

完成H型鋼柱的焊接,并且經檢查焊縫質量達標后,即可松開六角螺栓,將連接板取下.每拆卸一層樓H型鋼柱的臨時定位組件,立即綁扎核心筒相應樓層的墻柱鋼筋,利用墻柱鋼筋提供支撐力,保證核心筒鋼結構的穩定性.如果H型鋼柱上的定位耳板妨礙墻柱鋼筋的綁扎,可以將定位耳板切割.

3.7 安裝核心筒墻板

墻板的安裝與混凝土的澆筑是核心筒施工的關鍵部分.按照順序完成暗柱鋼筋和剪力墻鋼筋的綁扎后,進行核心筒模板的安裝.按照“先柱后墻”的順序將核心筒各樓層的柱模板、墻模板安裝到位.為了加快施工效率和提高模板質量,安裝墻板前需要對模板進行編號,并檢查模板質量,確定模板無變形、翹邊等問題,同時清理模板表面.相鄰2塊模板的側邊要對齊,如果縫隙寬度超過2 mm需要更換模板,對于分析寬度不足2 mm的可以通過加塞密封膠條的方式進行封堵.將板鋼筋布置在模板的外側,綁扎鋼筋使其發揮對模板的固定作用.模板工程施工完畢后,開始澆筑混凝土.為了避免墻模過高混凝土澆筑產生離析情況,增加了串筒,讓混凝土從料斗經串筒落入模板內,既可以防止混凝土離析,又能減小對模板的側向壓力,避免出現脹模、漏漿等質量問題.當混凝土高度超過50 cm后,使用插入式振搗器進行振搗,加速混凝土內部氣泡的逸出,提高混凝土的密實度.

3.8 拆除鋼柱上部臨時定位組件

核心筒混凝土澆筑完畢后,應立即開始進行養護.此工程的養護時間為28 d,養護期截止后測量墻板混凝土強度,在測量值不低于1.2 N/mm2后進行模板的拆除作業.拆除模板時,首先將邊角型鋼柱斜支撐鋼筋拆除,由于此處鋼筋采用焊接方式固定,拆除時使用切割機直接切割.然后再進行U型定位草苷的拆除,拆除期間要做好H型鋼柱的保護工作,避免切割對H型鋼柱本體造成破壞.

4 結語

在建筑施工信息化背景下,BIM技術在預制裝配式建筑中得到了廣泛應用.本工程使用BIM技術進行鋼構件的三維建模和工廠預制,同時基于BIM技術進行設計深化和碰撞檢測,為核心筒H型鋼柱定位裝置的安裝施工提供了依據.從工程實踐來看,該施工技術不僅對提升工程質量有積極幫助,而且還能發揮節約材料、加快進度等作用,在預制裝配式建筑中有良好的應用前景.