基于BIM的異形柱工具式木?？焖偈┕ぜ夹g研究

鄧愷堅

（廣州珠江建設發(fā)展有限公司 廣州510075）

0 前言

為滿足室內(nèi)使用功能及外觀的多樣性需求，異形截面的混凝土柱大量出現(xiàn)于高層住宅及大型公共配套建筑中［1-2］。一般方正的混凝土墻柱模板支撐體系中，可直接通過雙鋼管龍骨對拉體系來加緊固定，但對于異形截面柱而言，在出現(xiàn)截面對邊不平行、截面邊緣為弧形曲線等情況時，傳統(tǒng)木模板對拉加固體系難于保障施工質(zhì)量，且施工效率低［3］。另一方面，若異形混凝土柱采用鋼模板、鋁合金模板時，則需工廠特殊定制，重復利用次數(shù)有限，造成成本大幅增加。因此，異形柱如何實現(xiàn)低成本快速高質(zhì)量施工，是工程的一大難題［4］，固對異形柱工具式木?？焖偈┕ぜ夹g進行研究十分必要。

1 工程概況

某體育中心PPP 項目工程位于開封市新區(qū)，本工程綜合體育館總建筑面積為87 323 m2，其中體育館地上4層，建筑高度27.95 m，建筑面積共33 967 m2；游泳館地上3層，建筑高度20.15 m，建筑面積共23 933 m2；訓練館地上3 層，建筑高度22.15 m，建筑面積共29 423 m2。各區(qū)場館間在2 層通過連廊相連，方便人員疏散和場館間聯(lián)系?，F(xiàn)場有大量的圓形、橢圓形等異形混凝土結(jié)構(gòu)柱，給現(xiàn)場土建的支模分部分項工程帶來挑戰(zhàn)。

2 工藝原理

⑴通過對傳統(tǒng)木模體系進行深化，研究出一種針對混凝土異形柱截面的工具式木模，便于傳統(tǒng)雙鋼管外楞主龍骨對其進行對拉加固。工具式木模可實現(xiàn)快速安裝固定的需求，如圖1所示。

⑵研發(fā)基于BIM 技術創(chuàng)建參數(shù)化的混凝土異形柱的工具式木模基礎族［5］。該基礎族可根據(jù)異形柱的形狀需要，進行各形狀參數(shù)的調(diào)整。并且異形柱工具式木?；A族在三維建筑模型中，可進行工具式木模的預拼裝［6-7］。

施工工藝流程如圖2所示。

圖1 企業(yè)工具式木?；A族的族庫Fig.1 The Family Library of the Enterprise Tool Type Wooden Mold Base Family

圖2 施工工藝流程Fig.2 Construction Process Flow Chart

3 施工工藝要點及操作要求

3.1 統(tǒng)計異形柱的類型數(shù)量

⑴按“截面形狀及大小”、“與剪力墻相連的位置”對混凝土異形柱進行“一級分類”，如表1所示。

⑵按“樓層高度”、“與框架梁連接的位置”、“與樓板連接的位置”對混凝土異形柱進行“二級分類”如表2所示。

3.2 設計并創(chuàng)建工具式木模參數(shù)化基礎族

根據(jù)所統(tǒng)計的異形柱結(jié)構(gòu)類型，設計并創(chuàng)建Revit“工具式木模參數(shù)化基礎族”。

⑴根據(jù)截面類型，設定工具式木?；A族的形狀控制參數(shù)。例如，圓形半徑參數(shù)、工具式木模單件高度、橫斷面加勁肋木模板兩邊長度及開口角度等形狀控制參數(shù)［8］，如圖3所示。

⑵在以形狀控制參數(shù)為自變量參數(shù)的基礎上，結(jié)合木枋背肋間距、橫斷面加勁肋模板間距等力學相關的構(gòu)造參數(shù)，以及力學原理規(guī)律和木模板體系施工規(guī)程的相關要求，在基礎族內(nèi)設定受力復核驗算的運算公式，使得“工具式木模參數(shù)化基礎族”在項目使用的過程中，自動化完成木模體系的受力復核，如圖4所示。模板支撐體系受力具體復核計算的示例如下，按最不利情況五跨連續(xù)梁的工況取值。

表1 異形柱的一級形狀分類數(shù)量統(tǒng)計Tab.1 Statistical of First Class Shape Classification Quantity of Special Shaped Columns

①對于面板而言：

②對于水平加肋木模而言：

計算寬度范圍內(nèi)水平加肋木模的集中力：F加肋木模=（Qhk+Qdk）×10-3×bo×H×103/n水平加肋木模陣列個數(shù)=（42.24+2）×205.6×5/17=2 675.22 N；取水平加肋模板厚度h木模=20 mm，則有水平加肋木模應力：σ加肋木模=F加肋木模/b木枋背肋/h木模=2 675.22/50/20=2.675 N/mm2＜［f木模］=11.5 N/mm2，穩(wěn)定系數(shù)φ=σ加肋木模/［f木模］=0.233，滿足抗壓穩(wěn)定要求。

表2 異形柱的二級形狀分類數(shù)量統(tǒng)計Tab.2 Statistical of Secondary Shape Classification Quantity of Special Shaped Columns

③對于豎向背肋木枋而言：

⑶“工具式木模參數(shù)化基礎族”創(chuàng)建過程中，把重點參數(shù)定義為“共享參數(shù)”，以便后期導出參數(shù)統(tǒng)計清單，指導現(xiàn)場工具式模板的加工生產(chǎn)。

3.3 工具式木模參數(shù)化基礎族模擬預拼裝

圖3 工具式木?；A族的形狀控制參數(shù)Fig.3 The Shape Control Parameters of the Tool-type Wooden Mold Base Family

圖4 木模體系自動化受力復核Fig.4 Automatic Force Review of Wood Model System

⑴根據(jù)施工圖紙，創(chuàng)建混凝土異形柱及其節(jié)點的Revit 模型（在各大項目中，BIM 模型竣工驗收已成潮流，逐漸取代施工竣工圖）。

⑵在混凝土異形柱及其節(jié)點的Revit 模型中，插入各個型號的經(jīng)參數(shù)化定義后的工具式木模構(gòu)件，進行工具式木模的三維預拼裝，檢查擬定的工具式模板加工類型及尺寸是否滿足各類型異形柱支模澆筑需要，如圖5、圖6所示。

⑶可視化預拼裝過程中，模數(shù)化調(diào)整異形柱工具式木?；A族的圓形半徑參數(shù)、工具式木模單件高度、橫斷面加勁肋木模板兩邊長度及開口角度等形狀控制參數(shù)。模數(shù)化異形柱工具式木模的形狀參數(shù)后，可減少異形柱工具式木模的類型總數(shù)，工具式木模的提高周轉(zhuǎn)次數(shù)，提高施工效率。

⑷根據(jù)異形柱工具式木模的安裝位置及用途，輸入支模側(cè)壓力數(shù)值，并通過調(diào)整各類型工具式木模構(gòu)件的木枋背肋間距、橫斷面加勁肋模板間距等力學相關的構(gòu)造參數(shù)，自動化進行異形柱工具式木模的安全性、可靠性復核，使工具式模板滿足受力使用的要求。

圖5 工具式異形柱模的可視化預拼裝Fig.5 Visualized Pre-assembly of Tool-type Special-shaped Column Mold

圖6 工具式異形柱模復雜構(gòu)造節(jié)點的可視化預拼裝Fig.6 Visual Pre-assembly of Complex Structure Nodes of Tool-type Special-shaped Column Mold

3.4 導出BIM加工圖紙及輕量化三維交底

⑴在預拼裝的Revit 項目模型中，基于軟件的信息統(tǒng)計功能，統(tǒng)計出異形柱工具式木模的類型個數(shù)，以及各型號工具式木模的使用數(shù)量，以便形成現(xiàn)場工具式木模的加工計劃［9］。

⑵摘取各型號工具式木模的BIM 模型，導出二維加工深化圖紙，并基于信息統(tǒng)計功能導出木模構(gòu)件組成清單，實現(xiàn)快速加工交底。

⑶通過BIMFACE 平臺對三維模型圖元形狀信息與構(gòu)件數(shù)字信息進行數(shù)模解析分離，實現(xiàn)模型輕量化［10］。輕量化后的工具式木模模型可直接通用手機、平板電腦等智能便攜終端在網(wǎng)絡環(huán)境下進行快速瀏覽。用于對工人進行施工交底，提高施工質(zhì)量，如圖7所示。

圖7 異形柱工具式木模輕量化模型Fig.7 Light Weight Model of Special-shaped Column Tool Type Wooden Mold

3.5 現(xiàn)場工具式木模的加工成型

3.5.1 工具式木模的構(gòu)造要求

⑴工具式木模主要由內(nèi)側(cè)豎向木模板、橫斷面雙層加肋木模板、外側(cè)豎向木枋背肋龍骨構(gòu)成，如圖8所示。

圖8 異形柱工具式木模安裝實物Fig.8 Shape Column Tool Type Wooden Mold Installation

⑵內(nèi)側(cè)豎向木模板為混凝土異形柱的澆筑面模板。對于圓弧形的異形柱截面而言，可通過木模板廠家購買帶弧度的光滑面模板；而對于多邊形異形柱截面而言，則可通過多塊平直的光滑面模板拼接而成。

⑶橫斷面雙層加肋木模板的主要作用是將澆筑時內(nèi)側(cè)豎向木模板承受的側(cè)壓力，傳遞至外側(cè)豎向木枋背肋龍骨。其內(nèi)邊緣可根據(jù)異形柱截面的形狀進行調(diào)整（與異形柱截面形狀一致）；其外邊緣成規(guī)則的矩形狀，便于雙鋼管主龍骨的對拉固定。這是一個相當于由“異形柱截面”轉(zhuǎn)換成“矩形柱截面”的受力轉(zhuǎn)換裝置。

⑷每塊橫斷面雙層加肋木模板的陰陽角處、外邊緣每間隔150～300 mm處布設1根通長的豎向木枋背肋龍骨。并在橫斷面雙層加肋木模板的預設豎向背肋龍骨處凹口。凹口大小與豎向背肋龍骨大小一致。豎向背肋龍骨安裝時，與橫斷面雙層加肋木模板平齊。這樣可增大豎向背肋龍骨與橫斷面雙層加肋木模板的接觸面積，分散橫斷面雙層加肋木模板傳來的集中應力，不易變形，整體性好，有利于工具式木模的周轉(zhuǎn)利用，如圖9所示。

圖9 豎向木枋背肋龍骨布設示意圖Fig.9 Layout Diagram of Vertical Timber Beam Back Rib Keel

⑸墻體模板、框架梁模板與異形柱工具式木模交接處，相互設置豎向企口，使兩者連接緊密，混凝土交接處成型效果好。

3.5.2 豎向木芯塑料鋼化木枋及模板制作原理

豎向木芯塑料鋼化木枋及模板可由回收的舊模板加工制成：把舊模板的每層夾板分解出來?把每層夾板切成1.5 cm寬的長條形狀（制成木芯）?把各1.5 cm寬的木芯從原來的橫向分布變成豎向布置?把各豎向木芯整齊排列并粘膠壓縮成型?外敷高分子無水性纖維面皮。如圖10、11所示。

圖10 豎向木芯塑料鋼化木枋及模板的制成原理示意圖Fig.10 Schematic Diagram of the Fabrication Principle of the Vertical Wooden Core Plastic-tempered Wooden Beam and Formwork

圖11 豎向木芯塑料鋼化木枋及模板實物Fig.11 Vertical Wood Core Plastic Tempered Wood Beam and Formwork

3.5.3 豎向木芯塑料鋼化木枋提高工具式模板的周轉(zhuǎn)率

豎向木芯塑料鋼化木枋及模板具有平整度好、表面光滑、剛度性能良好不易變形的特點。異形柱工具式木模中的豎向背肋木枋及橫斷面加肋模板分別采用豎向木芯塑料鋼化木枋、豎向木芯塑料鋼化模板，可提升工具式木模整體剛度，從而實現(xiàn)工具式木模的多次周轉(zhuǎn)，提高施工工效，如圖12所示。

圖12 異形柱工具式木模脫模后效果Fig.12 Effect of Special-shaped Pillar Tool Wooden Mold after Demoulding

3.5.4 工具式木?，F(xiàn)快速安裝

⑴項目技術人員可通過網(wǎng)頁端的項目輕量化模型，以及BIM 三維模型導出的“各型號異形柱工具式木模的平面安裝示意圖”對現(xiàn)場作業(yè)人員進行交底。

⑵異形柱工具式木?，F(xiàn)場初步拼接固定后，即安裝雙鋼管外楞對拉加固構(gòu)造，實現(xiàn)混凝土異形柱支模體系的快速安裝加固。如圖13所示。

圖13 雙鋼管外楞對拉加固Fig.13 Reinforcement of Double Steel Tubes with External Side

3.5.5 工具式木模與其他支模方式成本比較

現(xiàn)澆混凝土異形柱結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)于多層的大型公共建筑，更多地僅作為首層、低層且有特殊使用要求的豎向結(jié)構(gòu)，可周轉(zhuǎn)次數(shù)較少。若按模具最多僅周轉(zhuǎn)5 次、柱高度約為7 m、清水混凝土質(zhì)量要求的工況進行考慮，如表3所示。

表3 異形柱模板的成本比較分析 （元/10 m2）Tab.3 Cost Comparison Analysis of Special-shaped Column Formwork

可見，鋁合金模板在人工費方面最為經(jīng)濟，但因為周轉(zhuǎn)次數(shù)少，鋁合金模板的攤銷量難以降下來，導致該做法的基價始終處于較高水平。相對而言，傳統(tǒng)木模做法和工具式木模做法需要施工人員的工藝水平較高、工作量大，導致其人工費也較高，但材料成本卻大幅下降，使得基價更為經(jīng)濟。

其次，傳統(tǒng)木模與工具式木模做法的成本水平雖然較為接近，但產(chǎn)出的經(jīng)濟效益卻有所不同。傳統(tǒng)木模需要現(xiàn)場制安模板，對拉緊固的施工難度大，施工質(zhì)量水平較難保證，施工周期變長。相反，工具式木?？稍诂F(xiàn)場車間提前進行加工，模具的質(zhì)量檢測得到較好的保證之余，還可壓縮工期。同時，模具的剛度及整體性比傳統(tǒng)木模的做法要好，澆筑的質(zhì)量也更佳。

4 結(jié)語

⑴“內(nèi)異外方”的工具式木模體系。工具式木模由內(nèi)側(cè)豎向木模板、橫斷面雙層加肋木模板、外側(cè)豎向木枋次龍骨構(gòu)成。加肋木模板的內(nèi)邊緣形狀可根據(jù)異形柱截面的形狀進行調(diào)整，外邊緣則成規(guī)則的矩形狀，便于雙鋼管主龍骨的對拉固定，從而構(gòu)成異形柱支模體系，解決常規(guī)木模系統(tǒng)難以進行對拉加固、而特殊定制的鋼模板周轉(zhuǎn)次數(shù)少，均攤成本高等難題。

⑵基于BIM 技術進行異形柱的信息化配模。在可視化優(yōu)勢下對異形柱的各種梁墻連接情況進行工具式木模的模數(shù)化深化設計，減少工具式模板的類型，提高工具式木模的周轉(zhuǎn)利用率。并基于BIM 技術的信息化統(tǒng)計功能，導出各異形柱工具式木模所需構(gòu)配件的類型表單，進行工具式木模的可視化加工交底，實現(xiàn)混凝土柱的快速施工。

⑶異形柱工具式木模采用豎向木芯塑料鋼化木枋及豎向木芯塑料鋼化模板等綠色建材加工而成。該木枋或模板內(nèi)芯為回收的廢舊模板，外包鋼化塑料鍍膜層，其表面平整光滑，整體剛度大，可周轉(zhuǎn)次數(shù)高，使得異形柱工具式木模可在類似的標準層間循環(huán)利用，實現(xiàn)快速施工之余，也符合國家綠色環(huán)保型經(jīng)濟發(fā)展的理念。