基于BIM技術的鋼筋混凝土框架節點構造模型的應用

【摘 要】為加強BIM技術在設計與施工之間的紐帶作用，必須推動建筑工業的信息化步伐，推進BIM技術在設計階段和施工階段的聯系，實現建筑工程施工的精細化管理。針對目前混凝土框架結構鋼筋工程施工過程中存在的問題，文章提出基于BIM技術的鋼筋混凝土框架節點構造模型的應用，為BIM技術的應用提供一個可參考借鑒的發展方向。

【關鍵詞】BIM;框架節點;鋼筋工程

【中圖分類號】TU712.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）08-0070-03

0 引言

建筑行業是我國重要的經濟支柱產業，2016年我國建筑業產值占到我國GDP總量的1/4左右。在眾多建筑結構中，現澆鋼筋混凝土框架是主要的結構形式。隨著建筑使用功能的要求越來越復雜，建筑結構的跨度和承受的荷載越來越大，框架結構中的鋼筋用量也越來越大。

現澆鋼筋混凝土框架節點作為梁、柱等構件的交匯節點，鋼筋的用量和布置形式、施工質量的要求也更高，節點施工的質量直接影響整個結構的質量。然而，目前我國采用的平法表示的結構施工圖卻不能直觀地將結構設計內容傳達給施工人員，施工人員對平法施工圖進行翻樣的質量直接影響施工質量，且當施工過程中出現問題時不能及時反饋給設計人員導致延誤工期[1-3]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），是在CAD技術基礎上發展起來的多維模型信息集成技術，是對工程項目設施實體和功能特性的可視化表達。BIM技術是繼CAD后新一代的建筑信息化技術手段，精確的BIM模型可以涵蓋建筑全生命周期的各個階段和專業，以此為基礎對工程項目信息進行整合優化，可以有效提高復雜節點的設計深度，從而提高施工的質量和速度，減少材料浪費[4-6]。

1 鋼筋翻樣過程存在的問題

目前，我國結構施工圖采用的是平法表達方式，只是將結構的尺寸、構造、配筋等信息表達在結構平面上，施工人員在施工階段需要配合相應的圖集進行鋼筋深化后方能進行施工。現在的施工單位鋼筋的翻樣一般由勞務隊自行翻樣，然后項目管理人員進行審核。很多時候由于工區緊張，項目管理人員沒有足夠的時間進行審核。鋼筋的成本占整個工程造價的30%～40%[7]，有的勞務人員缺乏經驗，對鋼筋的損耗缺乏考慮，鋼筋加工會多出很多廢料頭;或者出現鋼筋錨固長度、連接點位置不符合規范要求等質量問題;有的班組甚至不能準確控制主筋數量，導致剩余很多主筋;有的勞務班組為綁扎鋼筋方便，隨意增大箍筋尺寸，不但導致鋼筋損耗量遠大于預算，還會造成返工或者形成安全隱患?？梢哉f，鋼筋翻樣的質量直接決定鋼筋工程的施工質量。

2 鋼筋混凝土框架節點存在的問題

2.1 節點成型標高問題

隨著建筑的使用功能和立面造型的要求越來越高，建筑的結構形式越來越復雜，多梁交匯、異形柱節點越來越多，節點核心區的鋼筋也更復雜。一般設計人員在進行配筋設計時是按照經驗選定梁的有效高度，沒有充分考慮由于鋼筋重疊對梁有效高度的影響。而且，目前常用的結構計算軟件主要是提供配筋面積，并不會考慮鋼筋沖突的問題，最終采用平法表示的結構施工圖也不能直觀地表現出鋼筋的排布情況。

施工人員在現場綁扎鋼筋，一般的施工步驟是先預支模板，然后綁扎柱鋼筋，主梁和次梁鋼筋，最后放入支設好的模板里。如果支設完成后才發現節點核心區的鋼筋重疊較多，如果不改變原主次梁鋼筋的位置和形狀，按照原標高澆筑混凝土，則可能導致節點處保護層厚度不足，從而影響結構的耐久性;如果單純地保證滿足保護層厚度，又有可能導致澆筑之后梁的標高高于設計標高，影響裝修層的厚度，增大裝修難度。有的施工人員在現場施工的時候為了保證保護層厚度，對鋼筋進行隨意的彎折，并沒有按照《混凝土結構施工鋼筋排布規則與構造詳圖18901-1》的要求進行彎折躲讓，并對彎折躲讓的鋼筋增加梁下部縱筋彎起搭接的附加鋼筋，降低了結構的質量。也有施工人員在現場采取了將某一根梁的鋼筋整體向上或者向下躲讓的辦法，但沒有經過設計人員確認，有可能導致梁的有效高度不足而留下安全隱患，或者是鋼筋躲讓之后梁的保護層厚度增加，沒有采取相應的防裂措施導致保護層混凝土剝落。

2.2 梁柱節點箍筋綁扎問題

當多個梁在柱節點處交匯時，梁的縱筋要深入柱內錨固或者穿過柱子，就會造成箍筋綁扎困難。一般情況下，梁柱節點的施工順序為柱縱筋→支設梁模板→梁鋼筋綁扎→梁鋼筋整體沉入模板。沉梁之后，節點處的位置基本被梁縱筋占據，導致箍筋估計無法綁扎和漏扎或者聚集在一處的情況。對于復雜的節點，提前做好施工模擬，確定鋼筋的綁扎順序，可以有效避免工序不合理導致的返工和箍筋漏綁的情況。

2.3 梁的主筋間距不足問題

結構復雜且荷載很大時，梁的配筋量復雜，從平法施工圖上不能直觀地發現鋼筋之間的交錯碰撞情況，如果現場綁扎的勞務工人缺乏經驗，綁扎過程就容易出現鋼筋凈距不均勻甚至出現并筋的情況。鋼筋間距不能滿足規范要求，就會因為鋼筋與混凝土之間的握裹力不足而留下安全隱患。若是梁頂鋼筋過密，在施工過程中會出現澆筑困難的現象，影響澆筑質量，導致蜂窩麻面等施工問題，嚴重的甚至需要重新澆筑，影響施工進度。

對于一些鋼筋較多的節點，特別是當柱縱筋較多時，柱子縱筋位置已經確定，勞務人員現場只能對梁鋼筋進行調整，仍然會無法達到規范所規定的要求，此時只能更換更大直徑的鋼筋以減少鋼筋的數量，更換鋼筋往往需要設計單位重新確認，則有可能造成工期延誤，因此提前做好深化設計是十分必要的。

2.4 鋼筋錨固長度問題

經調查發現，框架梁的上部縱筋在端節點錨固時容易出現錨固長度不足的問題。框架梁的縱筋需要伸進柱內進行錨固，特別是在頂層的邊柱端節點和柱子變截面處，由于柱頂鋼筋也需要彎入柱內錨固，同時梁的鋼筋也需要深入柱內錨固，如果柱鋼筋綁扎過程不考慮梁鋼筋的情況，就會導致彎折段的鋼筋扎堆，導致梁的鋼筋很難錨固進入柱內，導致彎折段的鋼筋沒有預留25 mm的最小凈距要求，導致錨固效果受到影響。一般傳統的綁扎過程為先綁扎柱縱筋，然后在綁扎主梁和次梁鋼筋，如果柱鋼筋考慮梁鋼筋之間的碰撞，柱端就會被彎錨的柱鋼筋擠在一起，導致梁的鋼筋無法完成沉梁，現場工地為了保證能夠按照圖紙施工，甚至切割掉部分彎錨的柱鋼筋，導致鋼筋驗收不通過而返工。

3 BIM技術在節點鋼筋深化設計中的應用

3.1 運用BIM技術合理排布鋼筋

經分析可知，鋼筋混凝土框架中主次梁節點梁縱筋碰撞、梁柱節點鋼筋碰撞、梁縱筋的凈距不足的問題在實際工程中經常發生，采用BIM的軟件預先進行碰撞檢查和深化設計是解決施工問題的有效辦法。其中，Autodesk Revit配套的管理軟件Naviswork Manage可以對Revit中建立的鋼筋模型進行碰撞檢查，生成檢查報告，提供給設計人員進行深化設計。

考慮到結構的使用要求，首先檢查按照鋼筋的排布是否會導致澆筑后節點標高與設計不符或者保護層厚度不滿足要求情況。然后由于梁鋼筋的凈距比較難滿足，所以在進行梁柱鋼筋碰撞檢查時可以先分析梁縱筋的凈距是否能夠滿足規范要求，如不滿足則先進行調整，接著對柱鋼筋進行排布，盡量避開梁鋼筋碰撞，最后調整柱鋼筋直至滿足規范的要求。通過BIM模型深化設計，可以使得鋼筋排布更加合理，從而減少施工的錯誤率和施工過程中的設計變更。

3.2 運用BIM技術優化鋼筋下料明細

傳統的施工設計階段，只是對鋼筋量進行預算，鋼筋預算量多用于建設初期的規劃設計和對工程的總造價進行估算。傳統的建設過程中，鋼筋精確下料計算下料只存在于施工階段，是一個“結構施工圖→鋼筋下料清單→鋼筋加工→鋼筋施工”的過程，兩者的信息精度存在一定差異，碰上下料經驗不足的勞務班組往往會使得實際鋼筋用料遠超預算的用量。

利用BIM建模軟件直接建立結構模型，提取BIM模型中的配筋數據，或者直接讀取BIM平法表示圖紙中的注釋族信息獲取配筋的數據，導入如MATLAB等計算軟件中，完成鋼筋下料計算，并生成鋼筋下料的明細表（見表1）。然后利用BIM技術軟件的可視化功能，將生成的鋼筋施工明細表和鋼筋施工區分圖在三維模型中對施工人員進行展示（如圖1所示），可以有效提高施工的效率和正確率。

4 BIM技術在節點鋼筋施工的應用

4.1 節點施工可視化管理交底

通過BIM技術的多維度的信息管理系統，可以實現對項目的全生命周期的可視化管理，有效地將設計信息傳遞給施工單位，減少關鍵設計信息漏傳誤傳。通過三維模型展示所需建造的鋼筋骨架，可以減少勞務人員素質參差不齊導致的圖紙翻樣錯誤。并且，可以通過在BIM模型中進行漫游，查詢每一個實體構件的信息，將場地情況與施工進度相對應，形成多維的施工進度管理。

4.2 運用BIM技術模擬節點鋼筋的施工順序

對于復雜的節點，還可以應用BIM技術模擬鋼筋的綁扎施工的順序，分析現場條件是否滿足施工要求，提前暴露施工的問題，避免在施工中出現問題而影響施工進度。利用BIM技術制訂施工計劃，不但可以將可能遇到的問題提前暴露出來進行解決，還可以將任務準確地分配到各個工期節點上，對工期過程中每天需要完成的工程量進行細化，從而提高施工計劃的合理性，在施工之前就對人工、機械、材料進行合理分配，避免在施工過程中由于準備不充分而導致停工延誤工期。

4.3 運用BIM模型指導現場施工

確定完成最終用于施工的BIM模型和施工計劃后，將三維可視化的施工計劃和鋼筋下料信息交付現場的勞務工長，利用部分模型對現場的班組進行可視化的施工交底，勞務班組在現場復核BIM工程師提供的施工大樣與現場結構是否相符，檢查現場條件是否與BIM施工計劃相吻合，無出入即可施工，減少圖紙的錯誤率。

5 結語

框架節點作為“強節點，弱構件”設計思想中的重要部分，對結構的質量安全、使用效果、材料利用率都有著巨大影響。傳統的二維結構施工圖不能很好地把設計信息傳遞給施工，導致施工與設計脫節而產生了許多問題。

BIM技術作為建筑行業信息化發展的革命性技術，可以全生命周期地參與到項目的每一個過程中。其以三維模型為基礎的數字技術是構建“設計—施工—管理”的有效橋梁，可以有效解決傳統混凝土框架節點鋼筋施工中的質量和材料浪費等問題。

參 考 文 獻

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[3]連立川，張鵬程，劉燕妮.基于BIM體系的鋼筋優化下料初探[J].土木建筑工程信息技術，2016，8（4）：69-72.

[4]龐毅玲，廖定國.高職院校BIM技術人才培養模式探析[J].企業科技與發展，2019（3）：74-75，78.

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