基于BIM的鋁合金模板配模及深化設(shè)計研究

蔣東艷，吳 迪，張 健，李倩倩，宋甜甜

(中建六局建設(shè)發(fā)展有限公司，天津 300451)

0 引言

鋁合金模板是由鋁型材或鋁板材、支撐系統(tǒng)、緊固系統(tǒng)、附件系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)模板，具有周轉(zhuǎn)次數(shù)多、拼裝流程易掌握、拼裝精準度高、混凝土面平滑、拆模時間早、零廢料、可回收利用等特點，被廣泛應(yīng)用于高層住宅建筑中。但鋁合金模板體系存在如前期一次性投入相對較大、現(xiàn)場設(shè)計變更不宜過大、二維圖紙難以表述復雜節(jié)點、工程量統(tǒng)計繁瑣等問題。

1 工程概況

本次研究的項目位于天津市濱海新區(qū)，總占地面積27 223.3m2，總建筑面積118 153m2，如圖1所示，共10棟高層住宅及1棟幼兒園，其中高層住宅中5棟為17層、另5棟為25層，采用裝配式疊合樓板，地上結(jié)構(gòu)除樓板外全部采用鋁合金模板進行施工。由于鋁合金模板整體使用量較大，施工前期需解決各模板單體構(gòu)件的標識、倒運及周轉(zhuǎn)問題。其次，鋁合金模板施工技術(shù)應(yīng)用對管理人員與施工班組管理及操作水平要求較高。為保證實現(xiàn)施工質(zhì)量及進度目標，如何更加直觀、準確地進行鋁合金模板技術(shù)交底成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 項目效果

2 BIM技術(shù)

建筑信息模型(building information modeling,BIM)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑工程相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對項目設(shè)施實體與功能特性的數(shù)字化表達。建筑信息模型同時應(yīng)用于設(shè)計、建造、管理的數(shù)字化方法，支持建筑工程集成管理環(huán)境，可使建筑工程在整個進程中顯著提高效率、降低風險。

3 虛擬拼裝實施流程

本項目BIM技術(shù)所用的基礎(chǔ)軟件和實施流程均基于Autodesk Revit，Autodesk Navisworks Manage開展。基于BIM技術(shù)的鋁合金模板虛擬拼裝流程如下：確定配模關(guān)鍵結(jié)構(gòu)模型→創(chuàng)建鋁合金模板構(gòu)件庫→對關(guān)鍵模型進行虛擬配模→分析支撐體系受力→檢測模板構(gòu)件碰撞→深化校正碰撞部位→完成虛擬拼裝流程并實施。

3.1 確定配模關(guān)鍵結(jié)構(gòu)模型

施工初期已創(chuàng)建BIM模型，根據(jù)高層住宅中鋁合金模板的運用部位，提取單層標準層結(jié)構(gòu)BIM模型，如圖2所示。

圖2 高層住宅標準層結(jié)構(gòu)BIM模型

3.2 創(chuàng)建鋁合金模板構(gòu)件庫

鋁合金模板布設(shè)需考慮加固和支撐方式，選用的加固方式不同，預拼裝前期需創(chuàng)建的BIM鋁合金模板構(gòu)件庫也有所不同。鋁合金模板加固方式有對拉螺栓式和拉片式，本項目采用拉片式進行加固。依據(jù)鋁合金構(gòu)件生產(chǎn)加工標準模數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸，運用Revit軟件創(chuàng)建對應(yīng)的BIM鋁合金模板構(gòu)件庫，包含主要模數(shù)鋁合金模板、轉(zhuǎn)角構(gòu)件、支撐斜撐、扣件、對拉片、銷釘、方管等虛擬預拼裝構(gòu)件，如圖3所示。構(gòu)件庫包含的各類構(gòu)件應(yīng)做到參數(shù)可調(diào)，以便適應(yīng)同類型構(gòu)件在不同位置的布設(shè)需要。

圖3 BIM鋁合金模板構(gòu)件庫

3.3 虛擬配模

根據(jù)鋁合金模板配模設(shè)計原則，由標準層結(jié)構(gòu)模型最外圍墻體開始配模，先配外墻內(nèi)側(cè)，后配外墻外側(cè)。再進行樓層內(nèi)墻體配模，由梁較多的墻面開始，至梁少的墻面，至墻體洞口部位，再布置墻板加固構(gòu)件。之后布置梁部位鋁合金模板，按照梁底板、梁側(cè)板、梁板加固順序進行布設(shè)，最后布置疊合樓板板縫處鋁合金模板及支撐(見圖4)。

圖4 住宅標準層虛擬配模完成效果

梯段配模應(yīng)根據(jù)樓梯模型分析結(jié)構(gòu)形狀及尺寸，在梯段底板的梯段與墻、梁交接處，確定底板轉(zhuǎn)角陰角位置，然后根據(jù)梯段結(jié)構(gòu)模型布設(shè)斜面底板、臨空側(cè)板、踏步模板、踏步狗牙形側(cè)板、梯段間結(jié)構(gòu)梁模板等，并設(shè)置上反三步模板。配模時應(yīng)注意斜面底板與其余模板的尺寸關(guān)系，盡量保證整數(shù)，以便于使用標準模板構(gòu)件，同時注意梯段與周圍結(jié)構(gòu)各節(jié)點處的配模，防止露縫(見圖5)。

圖5 住宅標準層樓梯部位虛擬配模效果

3.4 模板受力分析及支撐體系優(yōu)化

虛擬配模完成后，在建模軟件中拆解出墻、柱、梁、疊合板板縫、樓梯等關(guān)鍵部位的模板構(gòu)件以及對拉拉片，斜撐及背楞等，分別對應(yīng)單元受力構(gòu)件載入ABAQUS中，賦予材料及其物理和力學特性，根據(jù)鋁合金模板預計受力情況，分析計算單元受力構(gòu)件施加工況(荷載、約束等邊界條件)。計算完成后，將計算結(jié)果由云紋實例圖進行表達，從構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變、位移等多角度顯示分析結(jié)果，將軟件計算得出的結(jié)果對比JGJ 386—2016《組合鋁合金模板工程技術(shù)規(guī)程》中的鋁合金模板剛度、強度等要求，驗證鋁合金模板尺寸、力學性能、緊固構(gòu)件間距、斜撐設(shè)置間距等，均滿足規(guī)范規(guī)定。

3.5 構(gòu)件碰撞檢測

對關(guān)鍵單元節(jié)點進行受力分析并滿足規(guī)定后，整合標準層鋁合金模板及加固支撐體系模型，導入Autodesk Navisworks Manage軟件，運用碰撞校核功能進行碰撞檢測，以檢查配模過程中所有的細微誤差，以表單列出所有模型上存在的碰撞情況，便于配模設(shè)計人員核實校正。通過多次執(zhí)行，最終消除所有鋁合金模板虛擬布設(shè)誤差，提前解決在現(xiàn)場拼裝時可能出現(xiàn)的碰撞及誤差等問題。

3.6 節(jié)點深化校正

本項目在標準層配模碰撞檢測中，共發(fā)現(xiàn)5處問題，根據(jù)軟件運行報告內(nèi)容及三維碰撞節(jié)點詳圖，配模設(shè)計人員深化校正碰撞節(jié)點，確保整體鋁合金模板設(shè)計及拼模準確無誤。碰撞部位為軸交軸處梁板、墻板，碰撞構(gòu)件為L41-01-1515CL55-1515×550，L41-06-1015LC27-1015×270，L41-07-10L27-100×270，西Q15-20-2015PCJ15+260KC-1015×(150+2600)，優(yōu)化為去除L41-07-10L27-100×270構(gòu)件，將L41-01-1515CL55-1515×550構(gòu)件改為L41-01-1515CL55-1515×500，將L41-06-1015LC27-1015×270構(gòu)件改為L41-06-1515LC27-1515×270，如圖6所示。

圖6 碰撞節(jié)點優(yōu)化前后

4 虛擬配模深化設(shè)計BIM技術(shù)應(yīng)用

4.1 模板構(gòu)件爆炸分解詳圖

配模過程中，窗臺、洞口、升降板、樓梯、異形構(gòu)造等部位常作為重要節(jié)點，需額外控制精度，這些部位構(gòu)造普遍比其他大面區(qū)域構(gòu)造復雜，若使用CAD對復雜節(jié)點構(gòu)造進行配模及出圖，可能存在圖紙表述不清、施工人員難以理解等問題。

通過BIM技術(shù)，利用軟件單獨隔離虛擬配模模型中的重要細部節(jié)點并進行分解，形成對應(yīng)節(jié)點鋁合金模板分解爆炸圖，便于直觀了解復雜節(jié)點的模板構(gòu)成(見圖7)。并基于三維模型剖切，形成節(jié)點深化圖紙(包括正視圖、背視圖、不同部位側(cè)視圖及剖面視圖等)。運用三維立體模型結(jié)合二維施工圖紙交付給施工單位，解決鋁合金模板二維設(shè)計施工圖紙難以表述復雜節(jié)點的問題。

圖7 標準層樓梯間模板構(gòu)成爆炸分解

4.2 模板預留預埋精準定位

通過BIM技術(shù)整合鋁合金模板模型、結(jié)構(gòu)模型、機電模型，精確定位機電施工預留洞口及管線預埋位置，提前定位鋁合金模板壓槽、開孔位置、樣式和尺寸，并出具CAD加工圖紙，精確加工預留預埋模板構(gòu)件(見圖8)。

圖8 鋁合金模板管線預埋構(gòu)件模型及現(xiàn)場拼裝

4.3 模板構(gòu)件工程量統(tǒng)計

基于鋁合金模板模型，軟件根據(jù)模板類型、名稱等統(tǒng)計方式，出具鋁合金模板構(gòu)件用量明細表，通過明細表匯總生成以標準層或樓棟為單元的鋁合金模板構(gòu)件工程量。取代繁復的圖紙算量過程，通過BIM模型直接生成構(gòu)件數(shù)量清單，便于提前周轉(zhuǎn)及規(guī)劃同類型模板構(gòu)件。結(jié)合BIM模型中包含的定額信息，實現(xiàn)人、材、機用量預計，并可分析資源需求量和投入量，從而優(yōu)化資源分配。另一方面，降低資源沖突發(fā)生的可能，盡量減少施工過程變更，有效控制業(yè)主方和施工方的成本。

5 結(jié)語

1)本文旨在探索更加合理、高質(zhì)量、高技術(shù)的鋁合金模板設(shè)計工作流程，聯(lián)合鋁合金模板設(shè)計、加工廠家及施工單位等多方合作，研究鋁合金模板體系設(shè)計施工中基于BIM技術(shù)的優(yōu)化、深化和管理流程，以指導類似項目在鋁合金模板設(shè)計施工中的應(yīng)用，提高建筑工程集成化、信息化程度，為鋁合金模板設(shè)計施工發(fā)展帶來助益。

2)通過BIM技術(shù)輔助鋁合金模板體系設(shè)計及深化，避免可能導致返工、誤工及材料浪費的情況，在提升深化設(shè)計質(zhì)量的同時，帶來大量隱性經(jīng)濟效益，如通過鋁合金模板虛擬配模及碰撞檢測提高配模效率及精確率，通過BIM技術(shù)拆解展示復雜節(jié)點，減少因節(jié)點難度大、圖紙不清可能產(chǎn)生的誤工等情況。