BIM技術在扣件式高支模架中的應用優勢及高支模架穩定性影響因素分析

狄春鋒

（中鐵建設集團有限公司，北京 100043）

0 引言

扣件式鋼管高支模架作為一種復雜的多層多跨空間框架體系，主要運用鋼管和連接扣件組成，支撐體系中的鋼管如水平、豎向、對角斜支撐通過連接扣件牢固連接，形成穩定支撐框架。由于目前復雜的建筑物建設需要，其中大跨度和大截面的模板工程日益增加，對高支模架的需求不斷提高，但是存在設計、施工和安全監管方面的缺陷。比如會有安全監管不到位、未及時排除各種安全隱患等問題，導致坍塌事故屢次發生，凸顯出該支撐體系在使用中亟待解決的問題。

目前多位學者分別對腳手架支撐體系遭到破壞的原因進行分析，主要從設計不合理、現場施工質量、管理和維護的缺乏或使用材料的低質量以及安全技術規范的不足等方面進行分析[1]。同時，也有學者通過有限元數據分析從施工材料、連接節點設置、立桿步距、立桿橫縱距等方面提出了參考建議。然而，在高支模架體系，特別是扣件式高支模架體系的工程實例分析和三維模型應用方面的研究較為有限。鑒于這些原因，本文對某三層廠房施工中的扣件式高支模架體系穩定性展開研究，首先使用Revit建模，通過BIM模型的多角度應用，將模型導入有限元軟件中進行計算分析，旨在為實際工程提供有益的參考，進一步規避潛在問題的發生。

1 工程概況

某三層廠房，層高為8.55m，結合高支模的需求，選擇適用于大型框架高支模安裝的門式鋼管腳手架作為支撐基礎。在此基礎上，采用180mm的高支模板，最大截面為1200m×1200m。為確保支撐系統的穩定性，選擇木質模板和木膠合板作為高支模的核心支撐材料，配備適當的高支模設施（見表1所示）。

表1 高支模安裝材料選擇

2 扣件式高支模架結構

在建筑工程中，高支模是指在特定條件下采用的外架式建筑模板系統，又被稱為腳手架式模板。通常，當混凝土模板支撐系統的支模高度達到或超過5m、搭設跨度超過18m、集中線荷載達到或超過20kN∕m、施工總荷載達到或超過15kN∕m2時，或者工程規模較大、分部分項工程超高、超重、危險性較大時，需要使用高支模進行作業。

扣件式高支模架是一種為建筑施工而設計的臨時支撐結構，其構件包括扣件和鋼管等。扣件采用螺栓緊固的扣接連接件，主要結構組成見圖1所示。這種結構主要用于支撐水平混凝土結構模板，并通過其組成扣件來提高整體穩定性。

圖1 高支模架結構示意圖（正視圖）

3 BIM技術在扣件式高支模架中的應用優勢

3.1 BIM模型提高項目施工效率

通過使用參數化的扣件式高支模架族，有效提高了建模效率。參數化族允許用戶定義不同桿件相關屬性，通過前期設置后，后期用戶在查看BIM模型時能夠直接獲取各桿件基本信息，如生產廠家、成本、桿件編號等。同時，參數化族還通過建立公式，根據用戶輸入的長度和寬度尺寸類型定義邊界條件，自動進行計算并獲取其他尺寸，從而可以輕松地獲得符合項目需求的扣件式高支模架BIM模型。

通過將參數化的族導入到項目模型中，并根據項目要求調整尺寸參數，BIM模型可以用于工程量的計算。在完成支撐體系的BIM模型后，填入并計算數據，就可以導出工程量清單，獲得工程量的總數。這樣可以在設計階段提前獲取項目的工程量清單，減少施工材料的浪費，簡化材料的進場管理，有助于更好地控制施工進度，方便施工方案的技術交底。通過BIM模型，施工成本、施工管理、施工進度等方面的可控性得到有效提高，減少了施工返工次數，降低了施工資源的浪費[2]。

3.2 BIM模型應用于監控方案設計

通過提升扣件式模板支架材料的承載能力，并結合BIM技術進行實時監控，確保施工中的技術參數處于有效承載范圍內。根據日常工作中重點關注對象，確定選擇模板中跨度大和懸挑梁等重點部位進行關注。

通過BIM模型的可視化應用，可以在創建主體工程結構和架體工程結構模型后，將結構信息導入BIM安全監測系統。施工現場保持通信網絡全面覆蓋，引入結構施工安全預警機制，在關鍵監測點和結構薄弱環節安裝傳感器，實時監測架體結構的重要參數，確保數據的準確性。這些監測數據按照標準導入BIM安全監測終端，由監理人員和技術人員進行結構受力與變形的實時分析，能夠及時獲取結構狀態的全面數據，為安全決策提供強有力的支持。

由圖2可知，通過實時監測點位置信息的捕捉，將數據傳輸到現場監測終端，確保專項數據的實時獲取和傳輸。在此過程中，設置了施工安全預警限值，當終端接收到超過限值的數據時，安全監測中心會立刻觸發預警提示。預警提示生效時，現場報警器會亮紅燈并發出警告，從而引起施工人員的重視，借助觸發點信息，則可以讓現場人員快速定位失穩點，根據實際情況進行及時調整，從而可以確保整個施工過程的安全與穩定性。

圖2 BIM安全監測結構流程圖

3.3 協助制定現場操作技術的安全管理措施

傳統的安全管理模式存在一些不足。由于傳統方法較難實現對施工過程的實時監測和模擬，限制了對潛在問題的及時發現和解決，容易出現溝通不暢、誤差較大的問題。面對現代化建筑項目的復雜與獨特化，傳統模式的協同工作相對受限，難以實現多方面的緊密合作。因此，引入BIM技術對高支模項目進行安全管理有著非常重要的意義。

使用BIM技術協助高支模項目進行安全管理具有較大優勢。首先，通過實時可視化的支模三維模型（見圖3所示），實現空間協調和布置的最佳化，有助于施工人員清晰理解結構并提高操作效率。其次，BIM技術的碰撞檢測功能能夠及時發現并解決支模與其他構件之間的沖突，減少施工誤差。此外，通過模擬施工、優化材料和協同工作，顯著提升了施工效率，削減了成本，并優化了資源利用。數字化管理支模數據和文檔確保了信息一致性，促進了更緊密的協同合作。

圖3 三維高支模架結構示意圖

4 扣件式高支模架穩定性影響因素分析

扣件式鋼管高支模架由橫（縱）向水平桿、立桿、豎向（水平）剪刀撐、頂托、底座以及各種扣件組合而成，是一種復雜的多層多跨的特殊空間框架。為深入研究扣件式鋼管高支模的穩定性影響因素，本文運用BIM技術建立有限元模型，著重模擬和分析扣件型鋼管腳手架高支模架體的具體構件對整體穩定性的影響。在研究過程中，特別關注橫縱向剪刀撐的搭設方式以及使用的材料對高支模架的穩定性產生的影響。通過模擬與分析，旨在全面了解這些因素如何相互作用，進而提出優化方案，以提高扣件式鋼管高支模架的整體穩定性。這項研究不僅有助于加深對高支模結構特性的理解，還能夠為實際施工提供有力的技術支持和指導。

4.1 搭設橫縱向剪刀撐對高支模架穩定性的影響

剪刀撐在高支模中的施工工藝對穩定性影響巨大。在立桿縱橫間距為0.9～1.2m的條件下，沿架體外側周邊和內部縱橫間隔4跨，由底至頂連續設置剪刀撐，寬度通常為3～5m。水平剪刀撐要與架體底面保持小于6m的距離，同時控制剪刀撐之間的距離。斜桿和地面保持45°～60°的傾斜角，水平剪刀撐與支架縱橫的夾角為45°～60°。斜桿通過搭接方式連接，長度≥1m，通過4個旋轉扣件連接，保持端部扣件和桿端距離≥100mm。剪刀撐設置在相交的橫向水平桿或立桿上，確保旋轉扣件中心線和主節點距離＜150mm。在架體寬度＞3m時，采用拋撐加強支撐體系抗傾覆能力，在腳手架轉角處和端部設置豎向斜桿，斜桿間隔小于4跨；架體高度＞24m時，斜桿間隔小于3跨。

剪刀撐的布置對高支模架的穩定性有著不同程度影響，該剪刀撐通過鉸接與立桿相連，高支模架體四周無約束；以架步數20步的架體作為分析對象，X向16跨，Y向8跨進行分析，考慮節點的半剛性特性，通過改變其參數的設置情況來進行架體屈曲承載力分析，如圖4所示。

圖4 剪刀撐布置對架體屈曲承載力的變化情況

如圖4所示，在同時橫縱布置剪刀撐的情況下，通過圖形觀察發現架體的臨界力一直呈上升趨勢。與不設置剪刀撐的情況進行對比，設置剪刀撐時的臨界力明顯提升，約為不設置時的4倍。這直觀地展示了剪刀撐對于架體臨界力的重要性。在施工階段，需加強對剪刀撐設置的監督，特別是在架體剛度相對較弱的部位。橫縱同時設置剪刀撐可以有效增加整體剛度，從而進一步提升架體的臨界力。

4.2 使用材料對高支模架承載力的影響

常見的問題之一是腳手架工程中普遍存在的鋼管直徑不符合標準。為了深入研究鋼管直徑對架體整體屈曲承載力的影響，本研究通過構建多個模型，在保持立桿、水平桿等構件設計不變、鋼管壁厚不變的基礎上，僅改變鋼管直徑。本文分別取直徑46.8mm，47.1mm，47.4mm，47.7mm，48.0mm，48.3mm，見圖5所示。

圖5 架體屈曲承載力隨鋼管直徑的變化情況

鋼管厚度同樣也有不同程度的影響，建立不同鋼管管壁厚度的模型方案。鋼管管壁厚分別取3.0mm，3.1mm，3.2mm，3.3mm，3.4mm，3.5mm，3.6mm，方案模型分別取4種不同的管壁厚（立桿橫向間距×立桿縱向間距×水平桿）方案，見圖6所示。

圖6 架體屈曲承載力隨鋼管壁厚的變化情況

通過比較鋼管直徑減小和鋼管壁厚減小對承載力的影響，發現鋼管壁厚減小對整體屈曲承載力的影響更顯著。在實際工程中，選擇和檢驗鋼管時應特別注重鋼管的壁厚，以防止使用不符合規范的鋼管，同時需對鋼管及其他腳手架重要部件的質量進行嚴格控制。通過這些舉措，可以最大程度地降低初始缺陷對架體整體穩定性的負面影響，確保腳手架在使用中的安全可靠性。在實際工程操作中，需要持續關注并改進這些方面，以進一步提升腳手架工程的施工質量和安全水平。

5 結束語

為提高扣件式高支模架施工的安全性和穩定性，以減少施工現場的安全隱患，本文引入BIM技術，并在多個方面通過建立BIM模型，運用可視化功能，及時發現施工中的潛在問題，確保全程監控，避免由于模板結構不穩導致的安全事故。同時，通過有限元軟件進行分析，可以確定合適的橫縱向剪力支撐，并強調對鋼管和其他腳手架關鍵部件質量的嚴格控制，這是提高高支模架穩定性的重要條件。BIM技術在扣件式高支模施工安全穩定性方面表現出顯著的可行性，能夠有效保障和優化施工現場的安全操作，以解決潛在的多種安全隱患。