BIM 技術在型鋼混凝土工程中的技術應用研究

文｜北京建工集團有限責任公司 劉曉辰

伴隨著我國高層建筑技術的日益發展，以及對建筑組合式結構的研究，越來越多的鋼混結構被用于建筑施工中。與鋼結構或鋼混結構相比，型鋼混凝土在結構布局、結構穩定性以及承載能力上有著顯著優勢。但是型鋼混凝土構造復雜，傳統CAD 技術無法解決節點安裝的復雜性問題，有必要將BIM技術用于其中，發揮技術的可視化與模擬性優勢。當前有研究人員將BIM 技術用于型鋼混凝土結構的梁柱節點處，經過3D 優化設計后，實現施工技術的改進，解決了鋼筋密集與鋼結構交叉作業方面的施工難題。

圖1 2#樓型鋼混凝土結構典型施工圖

1.工程概況

本工程為華僑村二期項目，工程規模為十字鋼骨柱及工字鋼骨梁的制作、安裝，總重量約615 噸，工程范圍為砼柱內的十字鋼骨柱及砼梁內的工字鋼骨梁的制作、安裝，其中包含鋼結構二次深化設計、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設置勁性鋼柱，具體如下：（1）2#樓的結構類形為框架-核心筒，框架砼柱內設有十字鋼骨柱，單層總計14 根；（2）3#樓的結構類形為框架-核心筒，框架砼柱內設有十字鋼骨柱，單層總計4 根；（3）7#地下車庫的結構類形為框架結構，框架砼柱內設有十字鋼骨柱，單層總計4 根，鋼柱底標高為-11.450m，鋼柱頂標高為-0.500m，框架砼梁內設有工字鋼骨梁，總計1 根。（4）勁性柱結構構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單位與鋼結構專業分包單位有著緊密的聯系，施工配合效果將直接關系到工程進度與質量等要求，這是本工程的一項重難點，總承包單位人員需提前做好協調和準備工作。其次，鋼結構的加工、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節編制質量保證措施。最后，對于工程勁性柱的現場安裝標高、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，應做好技術與作業交底工作。

2.BIM 技術在型鋼混凝土結構的應用原理

依托Revit 軟件的內建模型功能，采用創建拉伸、剪切、空心剪切的方法，以原設計圖和鋼結構相關規范作為基礎，建立型鋼柱的BIM 三維模型，再將模型應用在主體結構混凝土模型中，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預測和精確定位，優化箍筋的形式等，最終形成更加清晰明了的空間位置關系，幫助人們完成三維可視化技術交底[2]。

3.BIM 在型鋼混凝土工程的技術應用

3.1 創建節點結構模型

3.1.1 施工圖深化設計

該環節需要與設計圖紙作為參考工具，綜合工廠內的制作與運輸條件，同時綜合考慮現場拼裝與安裝方案，應用BIM 技術設計與深化出更加詳盡的施工圖。將設計文件、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 技術關聯土建、機電設備、消防、給排水等專業，綜合考慮工程相關的梁柱鋼筋安裝、鋁合金模板安裝、高強混凝土澆筑、塔吊吊裝吊等環節，實現對型鋼混凝土結構的深化設計。同時，在深化設計環節，要求施工詳圖中詳細說明直接操作過程所依據的規范與標準；主材與焊接材料的選擇；焊接剖口形式與無損檢測技術要求；構件尺寸幾何與最大允許偏差等。此外，構件平面與立面布置圖需要注明構件的位置和編號；節點施工詳圖需要確定連接件的形式、位置，明確其材質與數量等要求；施工安裝圖和預拼裝圖應合理分布構件平面與立面布置情況，表明構件位置與標高等信息。

圖2 施工總平面布置圖

3.1.2 創建結構模型

利用型鋼柱的設計圖紙來創建相對應的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、次梁之間的位置關系，發揮BIM 的可視化優勢，使位置關系能夠在模型中直觀展現。

明確施工圖紙當中型鋼柱和鋼筋混凝土主梁、次梁的交接位置情況，創建能夠可視化技術交底的BIM 模型。通過節點模型確定開孔位置，找出加勁板的安裝位置，并為后續的套筒焊接作業提供指導，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，從而達到節點設計的要求。

3.2 節點鋼筋的優化處理

對梁柱節點處的鋼筋展開優化設計，對設計圖中節點圖進行BIM 模型的創建，優化菱形箍筋，再將型鋼柱中的菱形箍筋調整成兩個單肢箍，使箍筋的總肢數不變，確保配筋率達到要求。由于封閉箍筋的鋼筋很大，經過BIM 節點鋼筋優化后，顯著提高了施工效率[3]。

發揮BIM 技術的應用優勢，對梁柱節點區域鋼筋密集的位置優化設計，使鋼筋與型鋼柱的連接方式更加合理。根據型鋼柱的翼緣與腹板長度和梁柱鋼筋位置對節點進行優化，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。設計圖紙當中，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。通過與設計單位溝通后，決定對鋼筋做出分層排布，對內側鋼筋位置加以微調，通過下移2 根鋼筋和調節鋼筋的間距，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BIM 三維模型，如圖3 所示，確定焊接位置。

圖3 型鋼柱與梁節點鋼筋的BIM 三維模型

3.3 鋼結構加工

以型鋼柱為例，利用BIM 技術完善鋼結構的工廠加工環節，依據Revit 軟件優化設計后的圖紙加工，型鋼柱翼緣板和腹板根據圖紙設計要求，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 模型中各構件情況關聯后，最終確保節點構造比較復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，應通過BIM 三維模型對地腳錨栓理論坐標做出定位分析，從而確定型鋼混凝土結構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，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，在確認無誤后正式起吊。

利用型鋼柱結構的BIM 模型，定位型鋼柱加以加固的加勁板位置，同時在模型內標注各個等級的焊縫，依據梁柱節點的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 模型確認后才能開展焊接施工作業。在安裝箍筋之前，需要根據模型導出圖紙，對現場人員作出三維可視化技術交底，對型鋼柱縱向受力鋼筋與套筒和牛腿的位置予以確認，再確定鋼筋連接方式，對于貫穿型鋼柱腹板的開孔位置，應采取一定的補強措施。利用BIM 技術模擬箍筋安裝過程，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，輔助綁扎環節等過程補強處理，最終將箍筋改成拉近環繞的形式，拉鉤采用C 字形的設計方式，兩端彎鉤成為135°角，并通過BIM 三維模型演示，確認工程設計效果。

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，完成施工現場的準確放樣操作。

裝配效果將會關系到鋼結構焊接質量。建議按照鋼結構特征，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。在三維圖紙內做好鋼材組立前的矯正調整，確保接觸面沒有任何偏差，保持構件組裝緊密。依靠BIM 技術做好裝配環節的精度控制，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計環節的三分之二，即不超過8mm，預組立的構件必須符合圖紙尺寸。采用BIM 技術完成型鋼結構套筒的定位分析，對梁柱節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，對其做出表示與標高定位，現場人員在鋼材料加工時對焊接套筒的位置做出技術交底，從而全方位的保障焊接工藝質量。

型鋼混凝土結構中，梁柱節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進行標識，按照顏色的不同與部位的區別建立圖層，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注，對于圖紙上處于牛腿板位置的鋼筋，標注需選擇使用CO2保護電弧焊完成鋼筋的雙面焊接的標志，并要求焊接長度達到鋼筋直徑的5 倍以上，這些都要在BIM 技術圖紙中有所體現。

圖4 型鋼混凝土梁柱節點BIM 三維建模效果圖

3.6 模板加工與安裝

基于BIM 技術，輔以數字化加工技術，實現模板深化設計和高精度加工一體化。

工程地上標準層結構采用鋁合金模板體系，地下結構及地上非標準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構柱所涉及圓弧形模板進行模型深化，通過對預制件模型的虛擬化分割，形成預制模板加工圖，模擬分析并導出模板工程量清單及明細，明確切割模板的尺寸和數量及其他輔材清單用量。最后，利用分析數據，導入數字化加工系統，進行模板的數字化加工切割等工作，實現模板的高精度數字化加工，有效保證模板的制作質量。利用BIM 模型，形成各剖面的模板與鋼龍骨安裝圖及相關詳圖，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，如出現拼縫漏漿等情況后，項目采用反饋至BIM 模型開始初始調整，再通過數字化加工不斷提高模板精度，通過現場實際應用完善加工，降本提質。

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鍵點進行動態模擬與優化。一方面因工程梁柱節點處混凝土標號不同，梁柱混凝土強度標號存在相差兩個標號以上。另一方面因工程地處市中心，混凝土供應需分時段進行，對于連續澆筑存在不確定性。

針對混凝土工程重難點，項目從BIM技術入手輔助施工。首先，項目利用BIM技術在模型中繪制一種插拔式定型分隔裝置，以對梁柱節點混凝土澆筑過程中進行臨時分割，再通過BIM 技術進行模擬與優化，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，結合混凝土供應情況與樓層特點，對澆筑過程進行模擬，明確每個區域與構件的澆筑順序，利用模型實時跟進并優化澆筑方案，避免出現冷縫等情況，實現對澆筑過程的精細化管理。最后，基于BIM 模型的快速計算功能，準確、快速地對混凝土材料的供應量進行計算和實施反饋，實時調整混凝土供應計劃，即滿足連續施工的要求，又不會使混凝土在現場等待時間過長從而影響混凝土質量，提質增效。

4.總結

總而言之，本工程需要在混凝土柱內的十字鋼骨柱及混凝土梁內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設置勁性鋼柱。所以，利用BIM 技術的可視化、信息化等優勢，對各節點進行三維建模并模擬優化，輔助優化施工工序，改進傳統施工工藝，減少碰撞沖突，保障施工質量。