倪鵬飛 蔣志恒 劉國紅 安興才

（中建七局安裝工程有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

碗扣式高支模結構是建筑工程項目施工中一種較為常見的支撐結構，相比其他類型的支撐結構，該結構具有施工便捷、裝卸操作方便、使用靈活、單次投資成本低等優(yōu)勢。為了加大對碗扣式高支模結構在市場中的推廣使用，為建筑企業(yè)發(fā)展提供助力，應及時優(yōu)化此種結構在使用中存在的缺陷與不足[1]。根據(jù)對建筑市場的不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，碗扣式高支模結構引發(fā)的建筑市場安全問題依然存在。盡管施工方與監(jiān)理單位已在工程建設中采取了有效的措施進行了優(yōu)化處理，相關工作并未取得顯著的成效，碗扣式高支模結構在市場中仍存在較大的安全隱患[2]。究其原因，施工方認為有三：一是模板支架用材不當綜合承載性能不足；二是高支模支架結構設計不合理；三是工程建設中對碗扣式高支模存在操作不當。為了降低施工現(xiàn)場安全隱患，提高碗扣式高支模施工的安全性與穩(wěn)定性，在本文此次的研究中，引進BIM技術，通過對碗扣式高支模建立三維可視化模型的方式，及時掌握工程施工中的隱患點，以此保證對施工全過程的監(jiān)控，避免由于模板結構失穩(wěn)造成施工現(xiàn)場安全事故。

1 影響碗扣式高支模施工穩(wěn)定性的因素

1.1 原材料因素

《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》(JGJ130-2011)和《建筑施工安全檢查標準》(JGJ59-2011)中明確要求了腳手架施工鋼管、連接件等所用材料的外觀要求、規(guī)格尺寸和質量。然而，在材料的實際生產過程中，為降低生產成本增加利潤，使用不合格原料、偷工減料現(xiàn)象時有發(fā)生，導致生產出來的鋼管連接件等材料達不到施工要求。施工方從生產廠家購買的構件質量較差，加之施工過程的重復使用，建筑工程施工現(xiàn)場的鋼管大多尺寸不符合要求，鋼管表面凹凸不平、裂縫壓痕等現(xiàn)象普遍存在；外徑、壁厚等偏差較大，表面銹蝕嚴重；扣件變形嚴重、螺栓銹蝕等，缺乏生產、檢測等證明材料，降低支撐體系的安全性能，而施工方的相關負責人在材料進場時也未對其進行抽樣檢測，給施工埋下了安全隱患。

1.2 方案設計因素

隨著建筑項目的大型化和異型化，高支模工程的施工也越來越復雜，尤其對于大跨度、高聳、曲面、異面建筑等。當前很多施工單位認為高支模只是臨時搭設的輔助性建筑結構，對其施工并不重視，施工前沒有進行專項方案設計，或者只是為了應付檢查而編制的設計方案，沒有結合實際工程特點和國家相關規(guī)范進行，編制的方案往往不符合實際工程，設計計算、施工工藝等不滿足規(guī)范要求，影響高支模工程的安全性。同時鑒于傳統(tǒng)的設計方法，其設計成果是基于二維平面的，對于復雜節(jié)點處的施工難以細致表達設計思路和理念，因此在根據(jù)設計方案施工時很容易出現(xiàn)不安全事故。

1.3 現(xiàn)場操作技術因素

目前，高支模工程普遍存在不滿足施工要求、不按照規(guī)范施工，由此釀成的安全事故數(shù)不勝數(shù)。普遍存在的現(xiàn)象主要有：（1）未對地基做任何處理，導致地基沉降，支撐體系局部失穩(wěn)；（2）由于掃地桿離地面較近，工人不想彎下身子進行安裝，往往忽視掃地桿的設置或掃地桿不按規(guī)范要求設置，導致架體底部受力不足；（3）未設置剪刀撐或剪刀撐設置太少，對于架體過高的高支模只設置豎向而沒有設置橫向剪刀撐，使架體缺乏整體穩(wěn)定性；（4）已完成部分的支架體系未與建筑物進行可靠連接，工人在操作平臺上和料堆載造成受力偏心；（5）沒有按照規(guī)范要求搭設立桿橫桿，存在間距過大的情況以致承載力不足；（6）防護措施缺乏，沒有滿鋪擋腳板，搭接擋腳板長度不滿足要求；（7）復雜節(jié)點處沒有詳細施工指導，工人憑借經驗施工，未考慮受力要求等；（8）現(xiàn)場施工人員安全帽與安全帶的使用不規(guī)范，隨意系帶。

2 BIM技術在提高碗扣式高支模施工安全穩(wěn)定性中的應用

2.1 提高碗扣式模板支架材料承載力

為確保碗扣式高支模在施工中具有較高的穩(wěn)定性與安全性，在施工前就應對其有效承載力進行分析，避免結構受力不均引起斷裂等事故。在此過程中，需要引進BIM技術首先對立桿下部結構進行優(yōu)化，選擇碗扣式高支模結構中梁體分布較為密集的方向作為結構承載力主要分布方向。參照Revit模型，繪制碗扣式高支模承載力結構的切面圖，在結構梁底位置，截取一個梁體最低點作為結構統(tǒng)一標高[3]。使用Revit模型中的Midas Civil工具，對主體結構進行建模，參照此種方式，對結構中的橫桿部位、立桿部位、斜桿部位分別建立桿系結構模型，保留約40.0%的梁端位置，用于釋放結構的約束作用力。將模型中的斜桿梁體作為鉸支架，獲取在此種狀態(tài)下的支架梁體結構自身重力。考慮到碗扣式高支模在施工中的“底板桿體與主龍骨架”之間無法直接設置彈性壓力，此種現(xiàn)象會導致水平約束力受到限制與影響，無法實現(xiàn)對負載力的有效傳遞，因此，可將結構水平約束作用力與有效傳遞的荷載作用力作為其承載力，根據(jù)結構中不同彈性部位之間的連接與受力傳遞對結構體可以進行正常的承載力受力分析。在受力分析過程中，將其承載力劃分為自重荷載、混凝土負壓荷載與活荷載，通過對荷載力向下傳遞，按照等效面積荷載法，即可計算得到碗扣式高支模的受力與荷載，綜合兩種作用力，得到結構的有效承載力。

2.2 完善高支模施工技術參數(shù)監(jiān)控的方案設計

在提高碗扣式模板支架材料承載力的基礎上，利用BIM技術對碗扣式高支模施工過程中技術參數(shù)的實時監(jiān)控，以此種方式，保證結構負載不超出其有效承載。

根據(jù)工程項目的常規(guī)施工與空間作業(yè)機理，確定碗扣式高支模的關鍵部位與承載力薄弱部位[4]。一般條件下，將模板中跨度較大的部位、懸挑梁部位作為施工中重點監(jiān)測的部位。利用BIM技術的可視化功能與三維建模功能，創(chuàng)建主體工程結構、架體工程結構模型，將結構信息導入BIM安全監(jiān)測結構中。增設結構施工安全預警機制，確保施工作業(yè)現(xiàn)場中通信網絡的全覆蓋，在重點監(jiān)測部位與薄弱部位集成傳感器，用于實時監(jiān)測、感知或傳遞架體結構的立桿傾斜角度、立桿位移、軸向傳導壓力等相關數(shù)值，并將獲取的數(shù)據(jù)按照標準導入BIM安全監(jiān)測終端內。

在碗扣式高支模實際施工作業(yè)時，安裝高精度的傳感儀器，并將其與信息自動化采集裝置進行對接。通過此種方式，確保對監(jiān)測點位置信息的實時捕捉，將捕捉的數(shù)據(jù)按圖1所示的流程，傳輸?shù)浆F(xiàn)場監(jiān)測終端，由終端技術人員與監(jiān)理人員負責結構的受力與變形分析，以此實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的專項獲取與實時傳輸。

當終端接收到碗扣式高支模施工數(shù)值后，為了確保對結構異常的及時預警，可在監(jiān)測終端設定一個碗扣式高支模施工安全預警界線。當前端反饋的數(shù)值超出施工預警界限后，安全監(jiān)測中心將主動觸發(fā)施工現(xiàn)場安全穩(wěn)定性預警[5]。此時，現(xiàn)場報警器將顯示紅燈并發(fā)出預警警告。施工現(xiàn)場人員在發(fā)現(xiàn)預警行為后，將根據(jù)反饋信息的觸發(fā)點，進行失穩(wěn)點的定位，并結合施工進度與實際情況，進行架體目標的綜合調整與分析，結合工程施工實際需求，采取專項措施對碗扣式高支模施工進行調整，從而確保工程施工的安全性與穩(wěn)定性。

2.3 協(xié)助制定現(xiàn)場操作技術的安全措施

傳統(tǒng)的安全管理是以“經驗型”作為主要的管理方式，只有在事故發(fā)生后，才會針對其事故類型采取相應的糾正措施，在給施工人員造成安全威脅的同時也給施工企業(yè)帶來經濟損失和聲譽影響。而且其相應的措施也是依據(jù)管理者的個人經驗以及相關的規(guī)范進行的，缺乏針對性，并不能適應于所有的高支模項目。隨著現(xiàn)代建筑的復雜性和獨特性，制定出符合實際高支模項目的安全管理系統(tǒng)是非常必要的。因此在高支模項目施工中引入BIM技術進行安全管理，通過三維形式展示施工中可能出現(xiàn)的操作安全隱患，并結合項目實際情況制定出對應的安全管理措施，實時動態(tài)地進行更新和調整，作為安全管理規(guī)則制定和安全措施的重要參考依據(jù)，對現(xiàn)場施工操作的安全性可以起到有效的保障作用。

3 實例應用分析

通過分析影響碗扣式高支模施工安全因素的材料、設計方案、操作技術這三個方面，完成了BIM技術在碗扣式高支模施工安全穩(wěn)定性中的應用研究，為了檢驗BIM技術的應用設計是否可行，選擇重慶地區(qū)中迪廣場項目作為此次研究實例。

該項目的設計施工占地面積為4.75萬m2，建筑總面積>85.0萬m2，屬于重慶地區(qū)內大型綜合建筑，建筑內集成了購物中心、住宅公寓、辦公寫字樓等建筑體。預期完成該項目的施工后，此建筑將成為重慶地區(qū)的地標性建筑物，施工的覆蓋范圍為5~8號樓主體建筑與一個通道工程。考慮到工程覆蓋區(qū)域較大，因此，此次只選擇項目中的6號樓作為研究對象，所選的建筑屬于項目中的宴會樓。

3.1 模板支架材料壁厚和綜合承載性能

此建筑的有效支撐面積為32.8m×26.9m，預設支撐高度為10.8m。支撐結構區(qū)域的橫梁截面面積為1800.0mm×4500.0mm，最大跨度為26.2m，支模板的厚度為115.0mm。為了確保支撐結構具有較高的支撐作用力，引入BIM 技術對支撐體系進行設計，優(yōu)選Ф3.0mm×48.0mm的碗扣式鋼管架，支撐結構設計參數(shù)如表1所示。

表1 碗扣式高支模支撐結構設計參數(shù)

3.2 設計安全穩(wěn)定性監(jiān)測方案

根據(jù)工程中的具體施工規(guī)范，對6號樓碗扣式高支模施工進行安全穩(wěn)定性監(jiān)測。監(jiān)測過程中，按照本文設計的方法，先分析碗扣式高支模的綜合承載力與最大允許受力。同時，在施工現(xiàn)場綜合部署傳感器設備，獲取高支模施工技術參數(shù)。在監(jiān)控終端，設計碗扣式高支模結構的預警值與發(fā)生報警的數(shù)值。此次設計的數(shù)值結合業(yè)主方需求與工程施工質量需求，設計碗扣式高支模位移預警值為17.5mm，報警值為>21.8mm；主體結構傾斜角度預警值為0.75°，報警值>1.0°；立桿軸向壓力的預警值為16.545kN，報警值>30.0kN。結合工程施工實際情況，在終端設置不同項目的預警值與報警值。在施工過程中，根據(jù)傳感器反饋的數(shù)值，利用BIM技術對結構不同部位進行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測結果觸發(fā)預警，需要根據(jù)預警結果進行異常結構節(jié)點的定位，并根據(jù)工程項目實施進度，進行項目施工穩(wěn)定性與安全性調整。通過此種方式，實現(xiàn)對碗扣式高支模施工的穩(wěn)定性與安全性控制。在具體操作過程中，在監(jiān)控終端設備上統(tǒng)計施工中不同項目預警次數(shù)與報警次數(shù)，將其作為此次對比實驗的指標。實驗結果如表2所示。

表2 碗扣式高支模施工預警次數(shù)與報警次數(shù)

從表2所示的實驗結果中可以看出，終端在進行碗扣式高支模施工監(jiān)控時，共觸發(fā)了2次高支模位移預警、1次主體結構傾斜角度預警、1次立桿軸向壓力預警與1次其他項目預警，但施工方在發(fā)現(xiàn)預警后，及時采取了措施進行施工處理，實現(xiàn)了將后續(xù)報警次數(shù)控制在0次。根據(jù)竣工后項目施工方反饋，此次施工未發(fā)生任何由于碗扣式高支模施工不規(guī)范造成的安全失穩(wěn)問題。由此可以說明，BIM技術在碗扣式高支模施工安全穩(wěn)定性中的這種應用具有一定可行性。

3.3 現(xiàn)場操作技術

BIM技術的提出與引進給高支模施工現(xiàn)場操作安全管理帶來新的思路和方向。首先在施工前期，利用BIM技術建立三維效果圖，可對現(xiàn)場施工人員進行三維技術交底，使工人能全面學習并掌握關鍵點和重點部位的施工工藝和步驟，避免在施工過程中出現(xiàn)技術錯誤造成隱患；施工過程中可將模型與隱患部位相鏈接,可快速準確查找危險部位，大大提高施工現(xiàn)場安全檢查的效率；同時可改善傳統(tǒng)的手工填寫檢查資料，通過手持終端將各個檢查結果上傳到模型中，使管理人員實時掌握現(xiàn)場施工情況，針對存在的危險情況及時做出調整和糾正。將BIM技術引入高支模安全管理與傳統(tǒng)安全管理相比如表3所示。

表3 基于BIM技術高支模安全管理優(yōu)勢

4 結束語

為了降低施工現(xiàn)場安全隱患，提高碗扣式高支模施工的安全性與穩(wěn)定性，本文研究中，引進BIM技術，通過對碗扣式高支模建立三維可視化模型的方式，及時掌握工程施工中的隱患點，以此保證對施工全過程的監(jiān)控，避免由于模板結構失穩(wěn)造成施工現(xiàn)場安全事故。實踐證明，BIM技術在碗扣式高支模施工安全穩(wěn)定性中的應用具有較高可行性，可以實現(xiàn)對施工現(xiàn)場安全的全面保障與優(yōu)化，徹底解決現(xiàn)場潛在的多種安全隱患。