基于BIM技術(shù)的異型結(jié)構(gòu)高大模板支架智能化施工研究*

王忠輝, 呂毅剛, 韓偉威, 王翠

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114;2.上海建工四建集團有限公司, 上海 200126;3.長沙理工大學(xué) 橋梁結(jié)構(gòu)安全控制湖南省工程實驗室, 湖南 長沙 410114;4.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114)

異型結(jié)構(gòu)高大模板工程施工中存在支架設(shè)計難度大、支架轉(zhuǎn)角多、搭設(shè)高度大等難點,將BIM(建筑信息模型)技術(shù)應(yīng)用于異型結(jié)構(gòu)高大模板施工具有可視化模擬、精細化管理的優(yōu)勢,可以優(yōu)化支架設(shè)計,確保方案精準(zhǔn)實施。宋斌以某工程獨立大梁的高大模板工程為例,基于BIM平臺二次開發(fā)外部插件,實現(xiàn)了單一梁體構(gòu)件模板支架自動布置[1]。黃奇榮等利用Revit軟件手動繪制環(huán)梁節(jié)點的高大模板支架體系,進行可視化交底,讓作業(yè)人員更加形象直觀地理解結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點的模板支架配置[2]。謝暉、徐鵬飛等將BIM三維模型與施工進度有效對接,動態(tài)演示施工過程,提前規(guī)避施工過程中可能遇到的問題[3-4]。穆文奇等運用BIM技術(shù)對模板工程方案設(shè)計、施工全過程進行精細化管理,使高大模板施工降本增效[5]。本文基于某改造工程,運用BIM技術(shù)對異型結(jié)構(gòu)高大模板支架智能化施工進行研究。

1 工程概況

某改造工程的下部結(jié)構(gòu)基坑深度為12.6～16.8 m,面積為1 200 m2,圍護形式為地下連續(xù)墻+3道鋼筋混凝土支撐(見圖1、圖2)。頂板厚度為300 mm、700 mm,支架搭設(shè)最大高度為16 m。下部結(jié)構(gòu)共有41根梁,尺寸多樣,部分梁截面面積≥0.9 m2,其中600 mm×1 500 mm梁的支架搭設(shè)高度最大,為14.7 m,梁、板均屬于高大模板。

圖1 某改造工程下部結(jié)構(gòu)平面圖

圖2 某改造工程下部結(jié)構(gòu)剖面圖

該工程下部結(jié)構(gòu)模板支架體系采用承插型盤扣式鋼管支架,施工重點和難點如下:1) 結(jié)構(gòu)異型,支架懸挑長度要求高。常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)形式方正,模板支架布置設(shè)計方便。而該工程下部結(jié)構(gòu)為異型結(jié)構(gòu),梁體較多且側(cè)墻含較多折角及弧度,模板支架布置設(shè)計時須確保靠近墻邊的每一處支架的主梁懸挑長度滿足要求。2) 支架轉(zhuǎn)角多,設(shè)計難度大。結(jié)構(gòu)異型必然導(dǎo)致支架產(chǎn)生轉(zhuǎn)角,為保證支架的整體性,須研究支架轉(zhuǎn)角位置及其連接方式;盤扣式腳手架縱橫向間距固定,支架布置圖一處修改則整體均須調(diào)整,設(shè)計過程重復(fù)。3) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜,高大模板支架施工難度大。下部結(jié)構(gòu)內(nèi)部梁體分布不規(guī)則,高度不一,同時支架搭設(shè)高度大,對支架安裝和拆除、施工安全、結(jié)構(gòu)質(zhì)量保證等有嚴(yán)格要求。

2 異型結(jié)構(gòu)的BIM技術(shù)智能化應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 傳統(tǒng)高大模板工程的施工弊端

2.1.1 設(shè)計工作量大

目前大量模板支架設(shè)計主要依靠人工,利用AutoCAD軟件在二維圖紙上繪制完成,設(shè)計過程中重復(fù)環(huán)節(jié)多,安全驗算和施工圖紙繪制工作量大,需要耗費大量精力和時間,同時二維平面形式的設(shè)計成果對高大模板工程中復(fù)雜連接難以細致表達。

2.1.2 二維圖紙交底效果差

工程信息的傳遞和管理是以各類工程文檔如設(shè)計圖紙、施工方案等為基礎(chǔ),施工過程中技術(shù)人員在對作業(yè)人員進行技術(shù)交底和工程細部構(gòu)造描述時往往很難達到預(yù)期效果,出現(xiàn)施工交底不清、施工人員對交底內(nèi)容理解不足等情況[6-7]。

2.2 BIM技術(shù)智能化應(yīng)用優(yōu)勢

2.2.1 三維可視化

傳統(tǒng)工程建設(shè)中以二維CAD圖紙作為主要信息交流工具,施工人員只能依靠想象去認(rèn)識構(gòu)件形式,隨著土建結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜,僅依靠想象不僅難度越來越大而且容易出錯。在模板支架搭設(shè)前通過BIM模型將工程的二維圖紙轉(zhuǎn)換為三維立體圖形,施工人員可精準(zhǔn)地理解各類異型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形式和位置,掌握模板施工的關(guān)鍵節(jié)點和難點,避免產(chǎn)生理解偏差,確保施工效率和安全[8]。

2.2.2 模板支架快捷智能布置

異型結(jié)構(gòu)的模板支架設(shè)計中,先驗算確定支架縱橫向間距和步距等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),避免非必要的重復(fù)。隨后使用BIM模板工程設(shè)計軟件對BIM模型的板、梁等構(gòu)件進行智能識別,輸入相應(yīng)技術(shù)參數(shù),快速對板、梁等模板及支架進行智能布置,實現(xiàn)模板支架布置程序化,同時一鍵生成各類平面、斷面、大樣圖、三維圖等,摒棄人工繪制施工圖的傳統(tǒng)方法,可節(jié)約大量時間和精力,提高異型結(jié)構(gòu)模板支架的設(shè)計效率。

2.2.3 仿真施工模擬及交底

異型結(jié)構(gòu)模板工程施工工序多且與其他工程存在交叉作業(yè)情況,運用BIM技術(shù)模擬施工不僅能將信息模型以三維形態(tài)展現(xiàn)出來,還能對工程中的各種施工過程、狀態(tài)、環(huán)境進行模擬,對整個模板工程進行4D(3D模型+時間維度)模擬分析,將施工過程以圖片、動畫的形式展現(xiàn)在施工人員眼前,幫助施工人員理解工程任務(wù),保證工程建設(shè)的進度及安全性。

3 BIM技術(shù)在異型結(jié)構(gòu)高大模板支架施工中的智能化應(yīng)用

3.1 BIM模型的建立

在模板工程施工前,運用Revit軟件對該改造工程進行三維模型繪制,建立標(biāo)高、軸網(wǎng),分別將各層柱、墻、梁、板結(jié)構(gòu)CAD圖紙導(dǎo)入軟件中,建立三維結(jié)構(gòu)圖(見圖3、圖4)。根據(jù)應(yīng)用需求對各構(gòu)件進行分割、繪制,梁構(gòu)件按跨進行分割,每跨分割為1根獨立梁,板按梁邊線進行分割,并進行構(gòu)件命名,同時結(jié)合實際添加構(gòu)件信息。

圖3 工程整體BIM三維模型

圖4 下部結(jié)構(gòu)BIM三維模型

3.2 異型結(jié)構(gòu)高大模板支架的智能化布置

3.2.1 異型結(jié)構(gòu)高大模板支架設(shè)計原則

(1) 模板排架采用滿堂盤扣式腳手架,立桿縱橫向間距為30 cm、60 cm、90 cm,步距為50 cm、100 cm、150 cm。單根立桿設(shè)置托座及底座,托座內(nèi)設(shè)置2根φ48 mm×3.6 mm鋼管作為模板支撐主梁。

(2) 可調(diào)托座伸出頂層水平桿的懸臂長度及可調(diào)底座距最底層水平桿的離地高度均不大于500 mm。

(3) 對墻邊折角及弧度處立桿進行加密,確保靠近墻邊的小梁及主梁的懸挑長度不大于250 mm。

(4) 所有梁下均設(shè)置立桿,單桿承載混凝土量均不大于0.35 m3,梁兩側(cè)立桿與梁邊的距離控制在300～350 mm。

(5) 模板采用18 mm厚竹膠板,以50 mm×100 mm木楞作為小梁,板和小梁的間距不大于200 mm。

3.2.2 異型結(jié)構(gòu)高大模板支架自動化安全計算

將初步策劃的設(shè)計參數(shù)輸入計算軟件中,驗算各類板、梁模板及支架的強度、撓度、抗剪性能、穩(wěn)定性、承載力等,各類指標(biāo)驗算均合格后確定最終支架參數(shù)。該工程最終驗算確定300 mm厚板下立桿縱橫向間距為900 mm×900 mm,700 mm厚板下立桿縱橫向間距為600 mm×600 mm。各類梁支架布置參數(shù)見表1。

表1 各類梁支架布置參數(shù)

3.2.3 異型結(jié)構(gòu)高大模板支架快捷智能布置

運用BIM模板工程設(shè)計軟件對模型的板、梁等構(gòu)件進行智能識別,按“先梁后板”的原則輸入驗算確定的技術(shù)參數(shù),設(shè)置小梁及主梁懸挑長度,即可快速對板、梁等模板及支架進行智能布置(見圖5)。之后再手動調(diào)整復(fù)雜節(jié)點處的支架布置。通過對支架三維模型的研究,該工程下部異型結(jié)構(gòu)排架僅設(shè)置3處轉(zhuǎn)角即可滿足要求,轉(zhuǎn)角之間采用鋼管扣件替代連接,支架高度大于8 m,滿布豎向斜桿,最大步距為1.5 m,從掃地桿開始每2步增設(shè)1道水平剪刀撐。同時一鍵生成各類平面、斷面、大樣圖等圖紙,再利用AutoCAD軟件進行局部調(diào)整及美化,將二維圖紙與三維模型相結(jié)合指導(dǎo)施工。

圖5 支架智能布置

3.3 異型結(jié)構(gòu)高大模板可視化施工模擬

3.3.1 構(gòu)件的三維可視化

將Revit BIM模型導(dǎo)入Navisworks軟件中進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維漫游(見圖6),施工人員對結(jié)構(gòu)的認(rèn)知從二維圖紙上升至三維空間,能清晰、直觀地觀察板、梁、預(yù)埋件、預(yù)留洞口等的位置及尺寸,同時三維模型能精確標(biāo)示各構(gòu)件在空間上的相互位置關(guān)系,對復(fù)雜節(jié)點的展示可提高施工人員對節(jié)點的理解。

圖6 結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部漫游

3.3.2 異型結(jié)構(gòu)高大模板仿真施工模擬

使用Navisworks軟件對支架搭設(shè)各施工階段進行劃分,利用Time Liner模塊給模型支架構(gòu)件按照實際施工組織計劃添加時間信息,生成4D模型,進而對以下關(guān)鍵施工階段進行模擬:1) 模板支架搭設(shè)前,立桿縱橫向間距、墻折角、弧線位置及交叉梁等關(guān)鍵復(fù)雜節(jié)點的布置、放樣。2) 搭設(shè)過程中剪刀撐設(shè)置形式;高支模架搭設(shè)至一半高度后進行驗收。3) 支架搭設(shè)達到設(shè)計標(biāo)高后,對主梁、小梁、模板及對拉螺栓設(shè)置情況進行驗收。4) 支架拆除按先搭后拆、后搭先拆的原則,從頂層開始,由中間向四周逐層向下進行,嚴(yán)禁上下層同時拆除。

文字解說配合模型直觀地對管理人員、作業(yè)人員等進行可視化技術(shù)交底(見圖7),將復(fù)雜部位簡單化、透明化,提前模擬方案的現(xiàn)場施工狀態(tài),避免文字描述不明確或理解不透徹等問題,保證施工模擬與現(xiàn)場施工一致。

圖7 支架布置、安裝模擬

4 結(jié)語

本文針對異型結(jié)構(gòu)高大模板工程施工的重點和難點,通過BIM技術(shù)實現(xiàn)高大模板支架的智能化實施,主要研究成果如下:

(1) 三維支架設(shè)計智能化。采用BIM技術(shù)實現(xiàn)異型結(jié)構(gòu)高大模板工程模板支架智能布置,輸入?yún)?shù)即可快速布置建模,同時保證靠近墻邊的小梁及主梁的懸挑長度。通過支架模型研究,將支架轉(zhuǎn)角數(shù)量降至最少,確保高大模板支架布置合理、適用,提高模板支架設(shè)計效率。

(2) 復(fù)雜結(jié)構(gòu)可視化。作業(yè)人員利用BIM模型進行內(nèi)部漫游,對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)知不再局限于二維圖紙,可以更加形象、直觀地理解各類構(gòu)件在空間上的位置關(guān)系,避免產(chǎn)生理解偏差,確保各類構(gòu)件的施工效率和質(zhì)量。

(3) 施工模擬動態(tài)化。該工程下部結(jié)構(gòu)異型且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通過高大模板工程腳手架搭設(shè)、復(fù)雜節(jié)點仿真施工模擬對作業(yè)人員進行交底,輔助現(xiàn)場施工,降低施工中修改、返工概率,同時有利于施工過程管理及控制,確保施工方案的精準(zhǔn)實施。