BIM技術應用于土工離心機勁性混凝土施工研究

秦慶義，來瀚文

(中電建建筑集團有限公司，北京 100120）

1 引言

勁性混凝土是由鋼筋混凝土包裹型鋼而成。近年來，勁性混凝土在建筑結構中使用越來越廣泛，勁性混凝土的使用可以加快工程進度，縮短工期[1]。但勁性混凝土施工中，容易產生鋼骨與鋼骨、鋼骨與鋼筋、鋼筋與鋼筋碰撞等一系列技術問題。為了更好深化勁性混凝土節點，避免不同構件之間沖突，本文探索通過運用BIM技術建模，將點云數據與模型進行比對，從而有效地解決上述碰撞問題[2]。

2 工程概況

中國水利水電科學研究院大型土工離心機升級改造及試驗研究平臺工程，包括離心機實驗用房及輔助用房，項目位于北京市延慶區八達嶺經濟開發區康莊鎮中國水利水電科學研究院延慶實驗基地內。其中，大型離心機和高速離心機主機安裝在地下1層，地下2層為離心機設備間，安裝驅動電機、潤滑系統。主機室北側單獨地下室試驗所需水、氣、電供給系統設備間等。地上南側局部3層，布置各類試驗室等。該試驗室建筑布局為南北寬28.54 m，東西長65.14 m，基底面積1 875.68 m2，總建筑面積為6 626 m2，如圖1所示。

圖1 工程平面示意圖

3 工程難點分析

離心機基礎結構中，型鋼體量非常大，鋼筋分布密集，型鋼柱、型鋼梁與鋼筋的交匯點眾多，如圖2所示。這是本項目的施工重難點，施工中存在以下困難：

圖2 離心機勁性型鋼混凝土骨架安裝照片

1）勁性混凝土中，型鋼柱、型鋼梁與鋼筋的相交點多，型鋼與型鋼周主筋、箍筋的關系，型鋼柱與型鋼梁之間連接的關系，鋼柱與通過鋼柱的水平梁鋼筋、墻體水平筋的關系成為處理的重點。

2）混凝土框架柱及混凝土剪力墻暗柱中加入型鋼柱，比常規鋼筋綁扎、模板支設等施工工藝增加了很大的施工難度。本工程為圓弧墻內加入型鋼柱，型鋼梁無法與型鋼柱連接，施工中要求確保型鋼柱的施工精確度，否則，會造成諸如鋼柱偏位、型鋼梁無法與型鋼柱連接等問題，導致返工，嚴重影響施工質量和進度。

4 BIM模型建立

4.1 BIM技術概述

BIM技術從項目全過程出發，通過建模，實現三維數字化，廣泛用于設計、施工和管理等，有利于節約成本，縮短施工周期，提高工程質量等。與傳統的二維圖紙相比，BIM建模后空間結構、材料用量等更為直觀。

在本項目中，建立三維BIM模型，對設計圖紙進行直觀、高效的審核，論證施工方案，針對離心機結構、預埋件、型鋼梁等重難點施工部位做可視化模擬和分析。結合現場采集到的點云數據與模型對比，確保整個工程與設計標準一致，順利完成。

4.2 建立BIM模型

結合BIM建模軟件特點和本項目結構特點，采用Autodesk Revit進行勁性混凝土結構三維數字化建模，根據設計圖紙中的結構位置、尺寸和強度等信息，繪制出勁性混凝土結構構件。采用Tekla Structures軟件進行鋼結構三維數字化建模，根據設計圖紙中的信息進行鋼結構和鋼骨架建模，深化加勁肋、加勁板、鋼筋搭接板等鋼結構構件。對鋼筋與預埋構件、型鋼梁之間的尺寸和位置進行分析，在相互交叉部位避免發生碰撞沖突，優化設計圖紙和方案。在軟件中導出CAD格式圖紙，用于施工，使BIM技術真正融入設計和施工的全過程[3]。

4.3 模型調整

將建立好的模型相互鏈接，做好建筑空間與功能的核對檢查，記錄好出現的問題，反饋給業主單位。由業主單位召集設計單位和施工單位展開討論，結合實際情況提出改進方案，形成圖紙會審文件或者設計變更文件。根據變更后的圖紙文件，調整模型。經過調整后，使各專業間能夠更好配合，優化工序，減少施工時的返工、浪費材料的現象[4]。

5 BIM模型優化

5.1 碰撞優化

將調整后的模型相互鏈接，記錄好鋼筋與設備預埋件、型鋼梁等沖突，項目經理、項目技術人員同設計人員現場討論設計圖紙，確定實施方案。勁性鋼骨模型與鋼筋混凝土模型融合后，可能會出現以下幾種問題：

1）鋼骨位置與原排布鋼筋位置沖突。對鋼筋位置進行調整。

2）鋼骨位置導致鋼筋斷開。在鋼骨腹板穿孔，確保在節點處鋼筋連續。

3）鋼骨截面大，鋼筋分布密集，混凝土振搗困難。在鋼骨上下翼緣板上開設混凝土振搗孔，并在振搗孔周邊設置補強環板。

通過已建立的BIM三維模型，可以看到鋼筋與預埋構件及型鋼梁發生沖突。型鋼梁與普通鋼筋混凝土次梁交接部位因次梁的底筋遇型鋼而無法貫通，穿至型鋼腹板邊緣（見圖3）。在施工前發現可能存在的沖突碰撞，提前解決，這樣有效避免了重復施工和材料浪費[5]。

圖3 型鋼結構與鋼骨架碰撞圖建模

5.2 具體處理措施

通過建模分析，可以采取以下措施解決鋼筋與預埋構件、型鋼梁之間的碰撞問題。

1）對于柱主筋與型鋼梁上下翼緣交叉、梁主筋與型鋼柱腹板交叉及柱箍筋與型鋼梁的腹板交叉的問題，可在二次設計及型鋼梁柱加工制作時解決。

2）柱箍筋和抗剪拴釘發生交叉沖突，在對鋼筋進行加工時處理。

3）柱箍筋和型鋼梁腹板發生交叉沖突，與設計方共同溝通協調解決。

開始施工前，要對鋼筋和型鋼梁進行二次深化設計，使鋼筋順利穿過型鋼骨架。深化設計重點針對梁和柱的交接部位，特別是鋼筋排布密集處，一一編號，做好記錄。節點設計時必須考慮到鋼筋數量、規格、位置和主次梁鋼筋標高，梁上下排鋼筋間距等，以便型鋼開孔和設置鋼墊塊等[6]。

5.3 模型驗證

對現場采集到的點云數據做平滑濾波處理，過濾掉冗余部分。將平滑后的點云數據與在Revit軟件中建立的模型進行重合比對，經過比對發現，掃描部分整體施工質量較高，誤差控制合理，BIM建模有效反映了現場情況。主要有：

1）設計模型錐臺上面圓孔和現場點云數據重合，內圓形墻壁與點云數據重合。

2）錐臺上沿與設計模型最大誤差有4 cm左右，除了標明的部分外其余部分均重合（錐臺外圈部分有誤差）。

3）錐臺內孔最大誤差有6 mm，重合度較高（見圖4）。設計模型圓形墻壁和現場點云數據基本重合，很少部分區域最大誤差為2 cm左右，施工質量較高。

圖4 現場錐臺和設計模型比較

4）錐臺高程與現場點云數據一致，內部空間高程與現場點云數據一致。

6 結論

本文以大型土工離心機改造工程為實例，將BIM技術應用于勁性混凝土施工中，可以得出以下結論：

1）在勁性混凝土施工中，型鋼柱、型鋼梁與鋼筋的相交點多，容易引發沖突和碰撞。通過BIM建模分析優化，根據模型查找沖突碰撞問題，提前預知問題并及時解決問題。

2）鋼筋與型鋼發生碰撞時，可以在鋼筋、型鋼加工及二次設計時處理。

3）將點云數據與BIM模型比對，分析施工誤差和質量，驗證BIM模型的有效性。