BIM技術在鋼混裝配式空心樓蓋智能化施工中的應用

張植偉，方長江，任俊杰，王勝新，戴 標

(中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430068)

0 引言

鋼混裝配式建筑是由鋼結構與混凝土預制構件組成的新型裝配結構，該組合形式裝配率高、結構剛度大、自重輕、抗震性能好、節能環保。鋼混裝配式結構涉及專業較多，建造過程中跨專業、跨單位間的溝通頻繁，然而CAD設計加工圖紙復雜繁多，各參建單位間交流不暢，易導致構件連接節點設計不合理，產品尺寸偏差大，使鋼結構與預制構件無法有效連接，從而影響裝配式建筑質量。

BIM技術以三維數字模型為基礎，將項目全生命周期中各專業數據信息整合在建筑模型中，以單一數據庫向各階段、各專業工程師提供準確的設計加工參數，通過施工模擬進行預生產、預拼裝，驗證施工方案的可靠性，保證工程各階段更好地銜接。

因此，BIM技術結合鋼混裝配式建筑，可提高專業間的溝通效率，加大鋼混節點設計深度，降低預制構件生產誤差，提前發現拼裝施工難點，驗證安裝施工方案可行性，提升鋼混裝配式建筑的施工效率及工程質量。

1 工程概況

某大劇院項目的后舞臺樓板區域長23m、寬22m、層高18.7m，為實現大跨度、高凈空的建筑效果，選擇鋼混裝配式預制條形板空心樓蓋方案(見圖1)。裝配式樓蓋四周設置U形鋼主梁，中間鋪設型鋼次梁，板區采用雙肋梁預制條形板，條形板間通過半灌漿套筒連成雙向受力整體底板。鋼混裝配式樓蓋構造如圖2所示。

圖1 大劇院效果

圖2 鋼混裝配式樓蓋構造

該樓蓋結構施工時涉及鋼結構、土建、裝配式等多專業，預制構件間通過定位誤差在2mm內的高精度半灌漿套筒相連。鋼結構與預制構件間存在13種132組連接節點，設計復雜，生產精度要求高。安裝作業在離地面23m高的屋面進行，施工安全風險大。

基于上述施工重難點，項目技術團隊擬發揮BIM技術參數化、可視化、高仿真、協同作業等優勢，深入該鋼混裝配式空心樓蓋施工的各階段，提升施工質量。

2 基于BIM模型的鋼混裝配式資源庫建立

建立鋼混裝配式建筑BIM資源庫，以高精度BIM模型為信息載體，利用模型豐富的幾何信息，使構件參數提取更準確，通過參數化建模使圖紙修改更加便捷。

2.1 參數化構件庫建立

鋼混裝配式建筑構件繁多，在較長的施工周期中，涉及構件規格參數的設計變更、方案調整等均需修改相應圖紙。傳統單張CAD圖紙對構件三維參數表達不全面，構件調整后需修改多張圖紙，任務龐雜繁多，工作效率低下。

利用BIM技術創建預制條形板、半灌漿套筒、主次鋼梁、鋼抱箍、線槽等組件的參數族，按照設計要求設定相應參數，并對參數間進行相互約束關聯。構件參數修改方案僅需輸入調整后的設計參數，接口將自動生成模型。同時，通過BIM模型生成的構件加工圖也將同步更新，無須人工依次修改各立面、剖面、節點圖。

BIM參數化模型除尺寸參數外，可附加材質信息、定位信息、開孔信息、構件編號等。建立完整的BIM構件模型庫后，鋼結構單位及預制廠可在不同階段快速提取生產所需參數，取消大量CAD圖紙更新查找工作，避免關聯圖紙更新不及時導致生產加工參數錯誤、生產構件報廢等施工事故。參數完善、精度高的構件可直接生成BOM清單，用于數字一體化生產，徹底消除人工制作誤差，提高構件精度。

2.2 BIM構件拆分

該項目綜合考慮模臺制作尺寸、預制構件運輸車型號，確定單塊預制條形板標準件尺寸為10.3m×0.7m×0.6m。條形板長、寬尺寸與主次鋼梁間距未成整數倍關聯，整塊空心樓蓋拆分后仍存在非標準件。為降低生產難度，減少模具制作費用，需嘗試多種預制條形板排列組合方案。

傳統人工排列計算工程量大，利用Revit軟件中的Dynamo可視化編程模塊，編輯可視化拆分程序，拾取需要拆分的樓板作為程序運行載體，運行程序后按照既定尺寸單元自動拆分樓板，拆分后設空心模盒，通過檢查構件連接點驗證拆分效果，多次拆分后選擇非標準件種類最少的組合方案。即預制條形板標準件為66塊，非標準件尺寸為9.7m×0.7m×0.6m，共4塊，實現經濟效益最大化。樓板拆分前后對比如圖3所示。

圖3 樓板拆分前后對比

3 BIM技術在深化設計階段的應用

3.1 BIM協同作業機制完善

鋼混裝配式空心樓蓋涉及預制條形板深化、模具設計、鋼結構深化、鋼筋優化、灌漿套筒排布等工作，各深化板塊分屬不同單位、不同設計人員，易造成信息分裂，產生信息孤島，且傳統二維圖紙無法全面反饋專業間的設計沖突。

為提高深化設計效率，利用BIM協同作業機制，建立Revit工作集，將鋼混裝配式疊合空心板中所有專業的設計、深化內容在一個中心模型中同步進行，保證設計信息雙向傳遞(見圖4)。具體操作步驟如下：建立土建專業中心模型，根據具體深化內容，以中心模型為載體設置預制條形板結構設計、鋼筋及灌漿套筒排布、主次鋼梁與鋼模具設計工作集，不同集的設計模型可同步顯示，設計人員僅對本專業工作集有修改權限，對非本專業工作集模型僅有查看權限；通過中心文件，設計人員可及時了解各專業設計進度，同步解決專業沖突，加快設計進度，提高設計效率。

圖4 工作集操作流程

3.2 BIM深化模型碰撞檢測

預制條形板底筋為φ25@200，單塊10m長預制條形板需設置80余根鋼筋，排布密集，傳統二維圖紙無法直觀全面審查圖紙問題。利用BIM高仿真的特性，將配筋及灌漿套筒按照施工藍圖進行排布，利用Navisworks進行碰撞檢查，驗證原布筋方案存在以下錯誤：①受灌漿套筒外徑及預制條形板端部鋼耳板厚度影響，底板縱向鋼筋存在碰撞；②灌漿套筒下方縱向φ22鋼筋保護層厚度嚴重不足，僅為1cm。

針對以上問題及時制定以下改正措施：①增大縱橫向鋼筋間距，保證底板鋼筋不重疊；②將灌漿套筒中的縱向鋼筋直徑由22mm改為16mm，滿足鋼筋保護層厚度要求，并及時調整鋼模板BIM模型，保證預留鋼筋孔洞的準確性。

4 BIM技術在生產安裝階段的應用

鋼混裝配式空心樓蓋含64塊預制條形板，數量多、精度高。為推動條形板拼接高效快速進行，必須制備多套高精度布筋模具，加快條形板產能；單套模具布筋精度控制在2mm內，以提升條形板生產質量；各套模具間的制作加工誤差應<3mm。為縮小不同生產批次的條形板外觀尺寸誤差，必須提升模具設計深度，提高模具加工精度。樓蓋四周主次鋼梁設計復雜，整個樓蓋體系共10組鋼抱箍節點、11段箱形鋼梁、800余塊加勁板。正式拼接前需模擬施工流程，復核鋼框架與預制條形板的位置關系，保證樓蓋組裝作業成功率。

4.1 BIM參數化設計

傳統模具設計多采用CAD繪圖技術，但CAD圖元間沒有關聯性，某一局部的改動無法自動反映相關部分的變動，易因遺漏修改圖元導致產品加工錯誤。BIM技術的基本單元是通過參數化生成三維模型，模型中各組成部分相互關聯，通過驅動參數，使單個圖元的改動可聯動至相關部位同步自動修改。

某大劇院根據預制條形板生產精度要求，自行研發上下拆分內外雙層的組合式鋼模，該模具包含上中下層25塊鋼板，構造復雜，利用BIM技術參數化驅動優勢，可將模具構件尺寸參數輸入Revit軟件中，生成各零部件模型。

利用Tekla，Revit等軟件建立鋼模各零部件BIM模型，在軟件中完成鋼模組裝，并利用Navisworks對組裝模型進行碰撞檢查，將設計不合理的部位進行二次深化，直至生成滿足生產需求的模型，輸出構件明細表，整理構件數量、形狀、尺寸及相關特征信息，便于原材采購及生產校核。

4.2 BIM數字化加工

傳統人工板材切割精度約1cm，若按照某大劇院需求制作12套鋼模具，各套模具間累計誤差達5cm，無法滿足條形板外觀尺寸誤差3mm的精度標準。利用BIM+SmartNest數控切割技術，鋼模具的精度可控制在0.3mm內，各套成品鋼模具間的誤差也可控制在0.3mm內。

SmartNest數控加工的操作流程是將鋼模具BIM模型中的尺寸、材質、拓撲關系等信息轉換為SmartNest系統可識別的NCL文件，加工系統對原材料進行排版，以最節省原材的切割路線生成加工程序，最后由程序驅動進行激光切割作業。切割路線如圖5所示。

圖5 切割路線

利用激光切割可減少原材損耗，同時對生成的構件進行機械焊接可增強產品精度、提升工作效率。

4.3 BIM可視化施工模擬

因鋼混裝配式預制條形板空心樓蓋的預制條形板數量多、構件質量大、吊裝作業頻繁、施工空間狹小、安全風險高，對現場施工提出極高的技術要求。故利用BIM技術高仿真施工模擬，驗證既定施工方法的可行性，及時發現施工問題及安全隱患，輔助制定解決措施。避免二次拆改，提高安裝效率，節約施工工期，減低安全風險。

5 結語

1)利用BIM技術參數化、協同作業、高仿真模擬的優勢，可提高鋼混裝配式空心樓蓋設計深度和專業間的配合效率，提高生產施工階段構件生產精度、實現構件信息快速查詢、驗證施工方案可行性。

2)通過BIM技術在鋼混裝配式空心樓蓋中的應用，可改善當前鋼混裝配式建筑在各環節遇到的問題，提升施工管理效率。