BIM 技術在鋼管束結構體系裝配式高層住宅工程中的應用

范全全

（廣西建工第一建筑工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

0 引言

隨著我國裝配式建筑業(yè)的高速發(fā)展，催生出了多種結構形式的裝配式建筑，其中鋼管混凝土束結構相對于傳統(tǒng)結構具有很大的優(yōu)勢，施工工藝較為新穎[1]。因其結構特殊，在設計階段就要對轉換層、柱腳及鋼防火等進行重點設計[2]。在施工階段，鋼結構定位安裝、鋼筋桁架樓承板安裝等工序要重點策劃[3]。鋼管束剪力墻進行自密實外包混凝土的施工，針對其多種形狀要精確定位、拼裝及加固[4]。塔吊在鋼管束體系中存在局限性和風險性，需對其進行附著錨固[5]。為克服鋼管束結構施工中的困難，本文通過對該種結構高層住宅工程中所遇到的重難點結合BIM 技術進行描述，根據(jù)現(xiàn)場實際情況分析該結構體系與BIM 結合時的工藝流程改進。

1 BIM 與鋼管束結構體系概述

鋼管束結構體系主要是將多根標準化、模塊化的鋼管連接，形成一個鋼管線的整體，再在其中澆筑混凝土形成管束，作為主要的抗側力構件和主要承重構件。由于其特殊性，針對鋼管束剪力墻、樓承板、陽臺鋁模等各種結構構件預先建立BIM 模型，通過模型模擬分析，從而優(yōu)化施工工序、提高管理水平。

2 工程概況

軌道·壹號城3 號樓、5 號樓及地下室工程位于廣西南寧市青秀區(qū)高坡嶺佛子嶺路口。本工程2 個單體工程，建筑高度99.8m，總建筑面積53 016.29m2，是廣西首個采用鋼管束體系的裝配式建筑，主體結構裝配的預制構件包括鋼管束組合剪力墻、矩形鋼柱、H 型鋼梁、鋼筋桁架樓承板，裝配率為49%。

3 BIM 技術應用

3.1 深化設計階段

本工程采用無外架體系，因此生活陽臺與綠化陽臺施工難度大，支模困難。項目利用BIM 技術建模研制出一種裝拆快捷、澆筑一次成型的陽臺異型現(xiàn)澆裝飾線條成品鋁模如圖1 所示。陽臺鋁模由立桿、斜撐拉桿、橫桿、支撐立桿、角腿等組成，通過1mm 厚不銹鋼板、L3*3 角鋼及L4*4 角鋼、φ12 螺紋鋼焊接而成。解決了支模困難問題，提高陽臺結構施工效率，成型效果良好。

圖1 陽臺鋁模模型

鋼管混凝土束組合結構不具備外架施工及拉結條件，傳統(tǒng)的臨邊防護不適用裝配式鋼管束建筑。項目部利用BIM 技術設計研制出一種適合鋼管束建筑的新型防護欄桿，該新型防護欄桿根據(jù)不同的臨邊長度專門定制，實用性強，裝拆方便，可在樓板未澆筑混凝土之前使用，且不影響其他工序施工，為項目安全保駕護航。鋼管束構件（鋼管束組合剪力墻/鋼柱/鋼梁）等構件吊裝安裝施工時，無須外立面安全防護，只需采用安全爬梯、生命線或安全帶等作為施工人員的安全防護措施即可施工。本工程兩棟主樓每層各有飄窗13 個，陽臺8 個，為現(xiàn)澆混凝土構件，模板安裝和混凝土澆筑施工時，外立面必須有安全防護構件才能保證施工安全。

本工程5 號樓，3 號樓標準層每層各有飄窗13 個，共26個。定型化防護及懸挑水平兜網(wǎng)無法為飄窗施工提供有效的外部防護。在廠家定制租用懸挑防護罩成本高，故項目部利用BIM 技術自行設計了一種懸挑施工防護罩如圖2 所示，節(jié)省了防護成本。

圖2 外防護罩模型

鋼管束體系與傳統(tǒng)結構不同，由于剪力墻尺寸較大、戶型設計可能限制地下室的布局導致車位等空間較為狹小。機電管線及支吊架不能后期隨意開洞，對施工造成影響，利用BIM 對機電管道進行優(yōu)化排布精確指導現(xiàn)場如圖3 所示，發(fā)現(xiàn)并解決了碰撞問題200 余處，對復雜節(jié)點建立了參數(shù)化組合支吊架模型并進行了受力分析，確保了安全性。

3.2 施工階段

鋼管束結構澆筑混凝土過程中，當使用塔吊料斗與第一代漏斗進行澆筑，由于料斗需要在鋼管束剪力墻中來回移動，容易造成漏漿現(xiàn)象，澆筑一節(jié)鋼管束約需要40h，進度緩慢。針對鋼管束體系結構封閉式、澆筑混凝土時無法振搗，靠混凝土自己流平自己密實，對混凝土的骨料粒徑及數(shù)量、和易性及流動性等工作性能要求很高的特點，項目自主研發(fā)了自密實混凝土。建立BIM 模型指導現(xiàn)場下料制作項目第二代混凝土澆筑斗，澆筑一個標準層的時間，比用常規(guī)料斗直接澆筑的方式縮短10h。建立BIM 模型指導現(xiàn)場下料制作項目第三代混凝土澆筑斗，澆筑一個標準層的時間，比用第一代料斗的澆筑方式縮短5h。

鋼管束結構樓承板原來的施工方法包括鉚釘間距20cm，高低側縫是采用發(fā)泡膠封閉，邊縫采用15mm 膠合板+豎向短方木支撐在鋼梁下翼緣進行回頂?shù)?，? 號樓四層樓板拆模后發(fā)現(xiàn)了部分問題。其中鉚釘間距20cm，出現(xiàn)樓承板搭接縫處樓面混凝土高低錯縫嚴重問題，約5～6mm，影響樓板的平整度。樓承板橫向搭接拉鉚釘間距調整為10cm 以內，加密鉚釘，間距控制在70mm 左右（兩個扣子之間三等分位置）。在樓承板跨中范圍在回頂區(qū)域范圍內，拆除一排卡扣，回頂在卡扣位置，回頂寬度由20cm 增加至30cm，該問題有了明顯改善。高低側縫采用發(fā)泡膠封閉，鋼梁上因標高而存在的高低錯縫采用泡沫膠堵塞，在澆筑時容易脫落并導致漏漿。根據(jù)BIM 模型計算出的洞口封堵材料尺寸進行精準下料，確保封堵嚴密。邊縫采用6mm 五合板+方木+立桿頂托回頂，相關問題得到良好改善。為保證上層人員施工時的安全性并加快施工進度，宜使用從下至上的鋪設方式。利用BIM 技術進行鋼筋預排布，確定鋼管束穿孔位置，工廠提前開孔，減少現(xiàn)場樓承板安裝工序。同時將模型用于工藝交底，提高交底效率。

鋼管束擁有T 形、L 形、U 形、Z 形等多種形式，模板通過內支撐鋼筋及螺桿進行加固，模板應拼裝準確，最后用串筒或溜槽引流分層澆筑。模板設置未考慮鋼管束墻兩側混凝土施工，若按原方案對模板進行開孔定位會導致模板無法正確安裝，最終安裝模型重新對模板進行開孔定位。外包100mm 厚混凝土施工中使用的特制七字型螺桿原設計螺桿與鋼筋為140mm 單面焊，過長的焊接長度會導致無法將混凝土厚度控制在100mm，使用BIM 技術建立模型經討論后決定將螺桿與鋼筋的焊接改為100mm 雙面焊。通過模型提取鋼筋、模板、螺栓、鋼管、混凝土、鋼管束等構件的工程量信息，形成未來一定時間內的材料需求計劃表，并編制勞動力和機械設備使用計劃，為項目施工準備提供依據(jù)；此外，施工過程中向系統(tǒng)錄入實際人、機、材料用量與實際進度，進行大數(shù)據(jù)分析并與計劃進行對比，輔助項目找到生產管理中出現(xiàn)問題的原因，并對未來可能出現(xiàn)的問題發(fā)出預警。

5 號樓，3 號樓標準層每層各有飄窗13 個，共26 個，由于飄窗為懸挑構件，并且作為二次構件進行混凝土澆筑，項目迫切需要一種能夠在懸挑構件施工時提供有效外部防護的構件。經過BIM 建模及測算，外立面施工采用傳統(tǒng)外架方案，搭設、拆除及租用成本較高，而采用新型懸挑構件施工外防護罩+吊籃施工方案僅需不到一半的成本，可節(jié)約一半的成本費用。原外墻做法為鍍鋅方通龍骨外安裝采用輕鋼龍骨+巖棉+CCA 板或巖棉薄抹灰的做法，達到防火、保溫及裝飾效果。經過模型+實體樣板+實地考察的方法，認為此種工藝施工復雜，難度大，且存在質量隱患，故需尋求新型施工工藝，通過BIM 建模創(chuàng)新性研發(fā)10 道工藝組合而成的新工藝如圖4 所示。

圖4 鋼管束外墻保溫節(jié)點模型

建筑四周各建筑都在施工中，導致沒有空閑的場地堆放材料；且建筑基礎標高在負十幾米，四周都存在斷崖式護樁，現(xiàn)場只有唯一條進場路線，因此部分區(qū)域無法行車，項目處于兩個項目的中間，施工場地狹小。項目利用三維場地布置模型判斷出重型鋼構件的材料堆場位置和大小，并以此為依據(jù)，搭設獨立回頂支架模型，將澆筑地下室頂板后拆除的架體與回頂支架分開搭設，避免回頂支架誤拆及回頂定位不準的問題，減少回頂施工工序，節(jié)約人工成本，提高拆模施工效率。

本工程梁為鋼梁，塔吊附墻預埋件無法固定在鋼梁位置，塔吊附墻需穿鋼管束混凝土墻附著。在鋼管束墻體留洞，若施工精度不足易偏位從而需要擴孔等問題，同時擴孔后封堵易發(fā)生滲漏現(xiàn)象，具有一定的隱患風險。由于鋼管束剪力墻之間間距較小，4 根塔吊附墻排放位置十分有限。采用BIM 三維可視化模擬，反復調整塔吊放置角度和附墻安裝位置，同時在高度方向避開鋼梁位置。進一步對塔吊附墻穿鋼管束混凝土墻深化，研究穿墻連接體系。經過多次模擬，決定在鋼管束剪力墻上預留4 個孔徑為φ28 的孔洞，將兩塊6mm 厚的穿墻螺栓墊板放置在墻體兩側，采用長360mm 的全牙穿墻螺栓配雙螺母進行固定，深化完成后導出施工圖指導施工。項目與其他標段多個塔吊施工范圍有重疊，為避免碰撞影響作業(yè)安全，開工前項目部就通過BIM 技術模擬群塔作業(yè)。鋼管柱數(shù)量300 根，最大構件重量為7.8t，材質Q345B，鋼管束剪力墻800 片，最大構件重量為5.8t，H 型鋼梁擁有7 800 根，根據(jù)吊裝范圍和最大起重量（要求塔吊40m 處吊裝重量達3.5t）在BIM 軟件中模擬確定塔吊型號。

根據(jù)鋼柱分布及重量，通過BIM 模型測量可知最遠鋼柱大約有50m，重量為3.8t，再考慮吊鉤1.2t 左右，50m 作業(yè)半徑吊裝重量為5t 經計算查詢，使用100t 吊機可滿足吊裝需求，且為了減少吊車租賃費用，遠距離鋼柱吊裝完成后，更換50t中型吊車進行中距離鋼柱的吊裝，最后的近距離吊裝時采用25T 吊車進行吊裝。鋼管束構件體積大數(shù)量多，為合理利用空間及時間，對吊點及吊裝順序在軟件中進行模擬，以確保吊裝安全及在施工過程中加快進度。

針對該工程的特殊性及結構新穎性，采用多種BIM 智慧建造技術進行全方位把控。其中每月通過平臺對于項目發(fā)生問題進行統(tǒng)計分析，累計形成質量問題157 項，及時整改率達92.99%。對工地環(huán)境PM2.5、PM10、溫度、濕度、風速、雨量、噪聲等進行監(jiān)測。當相應參數(shù)達到預警值時，平臺可以向管理人員推送報警信息，提醒揚塵治理。通過工人佩戴裝載智能芯片的安全帽，實現(xiàn)實名登記、無感考勤、作業(yè)面人員分布、人員定位、人員軌跡、語音警示、滯留提醒等。并與高校合作開發(fā)，共同研究指南安全帽在項目上的應用。識別現(xiàn)場不規(guī)范的行為，通過信息化的手段實時進行現(xiàn)場監(jiān)管。利用AI 技術進行鋼筋材料的自動點驗，減輕工人清點鋼筋數(shù)的工作量。當有異常人員出入時，現(xiàn)場聲光報警，同時將報警數(shù)據(jù)推送至智慧工地系統(tǒng)。智能臨邊防護網(wǎng)檢測系統(tǒng)，實時檢測施工現(xiàn)場臨邊防護網(wǎng)狀態(tài)，當防護網(wǎng)遭到破壞時可實時報警通過智慧工地系統(tǒng)顯示臨邊破壞位置，快速定位追溯相關責任人。管理人員通過設備監(jiān)控，實現(xiàn)遠程在線實時視頻監(jiān)控，實時、直觀地掌握項目現(xiàn)場動態(tài)情況。通過煙感探測器實時檢測施工區(qū)的日常消防安全情況，一旦工人違規(guī)行為產生大量煙霧，探測器立即報警，避免引發(fā)火災。

4 結論

本文通過BIM 技術與鋼管束結構體系有效結合，明確了自密實鋼管束混凝土澆筑方式、鋼管束外包自密實混凝土、新型鋼管束定型化欄桿、陽臺異型現(xiàn)澆裝飾線條成品鋁模等施工工藝流程的控制要點，應用結果表明該類技術可節(jié)約材料使用量，提高了構件施工精度，縮短了施工時間，避免了不確定性造成的質量及安全隱患，為鋼管束結構體系裝配式住宅施工積累了經驗。