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

文｜北京建工集團有限責(zé)任公司 劉曉辰

伴隨著我國高層建筑技術(shù)的日益發(fā)展，以及對建筑組合式結(jié)構(gòu)的研究，越來越多的鋼混結(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。但是型鋼混凝土構(gòu)造復(fù)雜，傳統(tǒng)CAD 技術(shù)無法解決節(jié)點安裝的復(fù)雜性問題，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。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)點處，經(jīng)過3D 優(yōu)化設(shè)計后，實現(xiàn)施工技術(shù)的改進，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、十字鋼骨柱制作與安裝、工字鋼骨梁制作與安裝。本項目需要在2#樓、3#樓、7#地下車庫部分框架柱內(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4 根；（3）7#地下車庫的結(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，自柱底向上每兩層分為一段，每段不得超過兩層，且長度不得大于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)系到工程進度與質(zhì)量等要求，這是本工程的一項重難點，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難點，要求各單位針對材料采購、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，對于工程勁性柱的現(xiàn)場安裝標(biāo)高、軸線、垂直度的控制也是其中的重難點，在編制專項方案的同時，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，對該部位的梁柱鋼筋等進行融合。利用BIM 模型對型鋼柱的開孔、加勁板、套筒焊接位置等做出精準(zhǔn)預(yù)測和精確定位，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)點結(jié)構(gòu)模型

3.1.1 施工圖深化設(shè)計

該環(huán)節(jié)需要與設(shè)計圖紙作為參考工具，綜合工廠內(nèi)的制作與運輸條件，同時綜合考慮現(xiàn)場拼裝與安裝方案，應(yīng)用BIM 技術(shù)設(shè)計與深化出更加詳盡的施工圖。將設(shè)計文件、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、高強混凝土澆筑、塔吊吊裝吊等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計。同時，在深化設(shè)計環(huán)節(jié)，要求施工詳圖中詳細(xì)說明直接操作過程所依據(jù)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)；主材與焊接材料的選擇；焊接剖口形式與無損檢測技術(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；節(jié)點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)計圖紙來創(chuàng)建相對應(yīng)的BIM 三維模型，再使用Revit 軟件對型鋼柱的尺寸和型式進行精確化模擬，從而更加真實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，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。通過節(jié)點模型確定開孔位置，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)，同時輔助確定最有效的連接形式。對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 模型中對鋼筋彎錨長度進行立體化展示，從而達到節(jié)點設(shè)計的要求。

3.2 節(jié)點鋼筋的優(yōu)化處理

對梁柱節(jié)點處的鋼筋展開優(yōu)化設(shè)計，對設(shè)計圖中節(jié)點圖進行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)整成兩個單肢箍，使箍筋的總肢數(shù)不變，確保配筋率達到要求。由于封閉箍筋的鋼筋很大，經(jīng)過BIM 節(jié)點鋼筋優(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，對梁柱節(jié)點區(qū)域鋼筋密集的位置優(yōu)化設(shè)計，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度和梁柱鋼筋位置對節(jié)點進行優(yōu)化，分為型鋼腹板開孔鋼筋直接通過、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)計圖紙當(dāng)中，個別梁截面主筋配筋使用了直徑25mm 的三級鋼，共計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題。通過與設(shè)計單位溝通后，決定對鋼筋做出分層排布，對內(nèi)側(cè)鋼筋位置加以微調(diào)，通過下移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)計后的圖紙加工，型鋼柱翼緣板和腹板根據(jù)圖紙設(shè)計要求，增加焊接時收縮量，使翼緣板和腹板的焊接位置定位更加精確。同時，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，或者順利穿過型鋼柱，使鋼筋連接方式能夠與圖紙設(shè)計要求相符合。

3.4 型鋼柱與箍筋安裝

在安裝型鋼柱的地腳錨栓時，應(yīng)通過BIM 三維模型對地腳錨栓理論坐標(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際范圍。軸線控制點處安裝全站儀，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畫來演示型鋼柱吊裝的過程，再對塔式起重機的覆蓋范圍和型鋼柱吊裝距離全過程展示，從而判斷目前吊裝過程能否達到施工要求，在確認(rèn)無誤后正式起吊。

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，同時在模型內(nèi)標(biāo)注各個等級的焊縫，依據(jù)梁柱節(jié)點的BIM 模型，將型鋼柱和懸挑鋼梁的空間位置確定，同時確定焊縫位置與高度，通過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，對現(xiàn)場人員作出三維可視化技術(shù)交底，對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，對于貫穿型鋼柱腹板的開孔位置，應(yīng)采取一定的補強措施。利用BIM 技術(shù)模擬箍筋安裝過程，合理制作箍筋外形，解決箍筋和腹板之間的碰撞問題、防止腹板開孔過多影響強度等問題，輔助綁扎環(huán)節(jié)等過程補強處理，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)計方式，兩端彎鉤成為135°角，并通過BIM 三維模型演示，確認(rèn)工程設(shè)計效果。

3.5 焊接與套筒連接

對建筑中梁鋼筋和型鋼柱加勁板進行焊接時，要求焊接位置和BIM 模型中的位置保持一致。此外，對于一些不易確定位置的鋼筋，如個別梁縱向鋼筋和型鋼柱的連接也可以使用現(xiàn)場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)場的準(zhǔn)確放樣操作。

裝配效果將會關(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，再用CO2半自動氣保焊機做出點焊固定，確保點固焊縫擁有＜6mm 的高度，焊縫長度保持在50mm 左右，間距達到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)計環(huán)節(jié)的三分之二，即不超過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，對梁柱節(jié)點位置處的鋼筋展開3D 動畫演示，明確型鋼柱和材料的接觸點，再確定套筒位置，對其做出表示與標(biāo)高定位，現(xiàn)場人員在鋼材料加工時對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)進行標(biāo)識，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接梁筋分別使用藍色與綠色。比如焊接鋼筋的時候，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保護電弧焊完成鋼筋的雙面焊接的標(biāo)志，并要求焊接長度達到鋼筋直徑的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)，實現(xiàn)模板深化設(shè)計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行模型深化，通過對預(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)，進行模板的數(shù)字化加工切割等工作，實現(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程，確保拼接位置緊密。同時，在施工過程及時檢查，如出現(xiàn)拼縫漏漿等情況后，項目采用反饋至BIM 模型開始初始調(diào)整，再通過數(shù)字化加工不斷提高模板精度，通過現(xiàn)場實際應(yīng)用完善加工，降本提質(zhì)。

3.7 混凝土澆筑控制

運用BIM 可視化的三維模型，對混凝土澆筑工序和施工關(guān)鍵點進行動態(tài)模擬與優(yōu)化。一方面因工程梁柱節(jié)點處混凝土標(biāo)號不同，梁柱混凝土強度標(biāo)號存在相差兩個標(biāo)號以上。另一方面因工程地處市中心，混凝土供應(yīng)需分時段進行，對于連續(xù)澆筑存在不確定性。

針對混凝土工程重難點，項目從BIM技術(shù)入手輔助施工。首先，項目利用BIM技術(shù)在模型中繪制一種插拔式定型分隔裝置，以對梁柱節(jié)點混凝土澆筑過程中進行臨時分割，再通過BIM 技術(shù)進行模擬與優(yōu)化，確保分割效果的同時，通過裝置與鋼筋碰撞檢查，避免裝置與鋼筋的干涉和對混凝土振搗的影響。其次，結(jié)合混凝土供應(yīng)情況與樓層特點，對澆筑過程進行模擬，明確每個區(qū)域與構(gòu)件的澆筑順序，利用模型實時跟進并優(yōu)化澆筑方案，避免出現(xiàn)冷縫等情況，實現(xiàn)對澆筑過程的精細(xì)化管理。最后，基于BIM 模型的快速計算功能，準(zhǔn)確、快速地對混凝土材料的供應(yīng)量進行計算和實施反饋，實時調(diào)整混凝土供應(yīng)計劃，即滿足連續(xù)施工的要求，又不會使混凝土在現(xiàn)場等待時間過長從而影響混凝土質(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，同時在2#樓、3#樓、7#地下車庫部分框架柱內(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，對各節(jié)點進行三維建模并模擬優(yōu)化，輔助優(yōu)化施工工序，改進傳統(tǒng)施工工藝，減少碰撞沖突，保障施工質(zhì)量。