丁傳奇,屈 超,李 華,曹永禎

(北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100055)

隨著BIM技術(shù)在建筑行業(yè)的廣泛推廣，BIM技術(shù)在型鋼混凝土中的深度應(yīng)用也得到進(jìn)一步延伸[1]，尤其是復(fù)雜的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)體系中，型鋼混凝土中鋼骨柱和鋼骨交叉節(jié)點(diǎn)位置鋼筋排布、模板定位和混凝土澆筑成型質(zhì)量控制均存在技術(shù)難點(diǎn)。BIM技術(shù)以其三維可視、施工模擬、高協(xié)同和資源共享的特點(diǎn)，輔助實(shí)現(xiàn)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工。

1 工程概況

教學(xué)科研樓等4項(xiàng)(東南區(qū)綜合樓(教學(xué)科研樓))、集體宿舍樓(留學(xué)生宿舍)工程,項(xiàng)目由中國人民大學(xué)投資建設(shè)，總建筑面積10.259萬m2，地下3層貫通，為人防及車庫區(qū)域以及各類重要機(jī)房，其中東南區(qū)綜合樓(教學(xué)科研樓)的建筑面積為65 856 m2，地上18層，高度81 m，框架-核心筒剪力墻，3層～10層為各種智慧教室，11層～18層為大空間的實(shí)驗(yàn)室，其中東南區(qū)綜合樓(教學(xué)科研樓)采用大量型鋼混凝土結(jié)構(gòu)形式滿足設(shè)計(jì)要求。

2 施工技術(shù)重難點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

為解決教學(xué)科研樓框架-核心筒結(jié)構(gòu)受力扭轉(zhuǎn)不均衡，在結(jié)構(gòu)上首層～5層核心筒東側(cè)區(qū)域剪力墻暗柱與型鋼框架柱之間布置了一種“剪刀”狀鋼骨斜梁，其中鋼骨為Q345C，規(guī)格1 200 mm×1 200 mm的型鋼混凝土柱，鋼骨梁規(guī)格500 mm×800 mm，剪力墻800 mm厚，為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中最為復(fù)雜，也是施工質(zhì)量控制的難點(diǎn)。

2.2 施工技術(shù)重難點(diǎn)

鋼骨斜梁分別與型鋼混凝土框架柱、暗柱形式之間相連接，其中BIM三維效果如圖1所示。復(fù)雜型鋼混凝土區(qū)域主要集中在核心筒剪力墻與型鋼框架柱相連接區(qū)域，整體呈三角狀連接。

1)型鋼混凝土柱的箍筋加密，梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋密集，混凝土澆筑下落振搗困難，型鋼混凝土質(zhì)量控制是施工過程控制的重點(diǎn)[2]。2)每一層剪力墻暗柱形式包括L形、T形和弧形，多種轉(zhuǎn)換形式復(fù)雜，要求更高的施工深化技術(shù)能力和組織協(xié)調(diào)能力。3)鋼骨斜梁與型鋼框架柱、暗柱相交，受力主筋為直徑32三級鋼，鋼梁呈斜狀且鋼筋極其密集排布，定位技術(shù)水平要求高。4)型鋼混凝土斜梁構(gòu)件形成“兩線一點(diǎn)”的多角度平面形狀，圓心及曲線線段多，各點(diǎn)位高度關(guān)聯(lián)，測控精度要求高。

3 BIM應(yīng)用整體思路

3.1 BIM應(yīng)用必要性

施工前，利用BIM技術(shù)對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維可視化模擬深化設(shè)計(jì)，優(yōu)化出最優(yōu)施工技術(shù)方案，為現(xiàn)場施工提供信息化技術(shù)支持，大幅度提升一次施工合格率，有效保證工序作業(yè)。

3.2 BIM應(yīng)用可行性

基于BIM技術(shù)的可視化功能模擬型鋼混凝土復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋的相對空間位置關(guān)系，通過瀏覽BIM三維模型統(tǒng)籌考慮復(fù)雜節(jié)點(diǎn)安排和方法，真正做到技術(shù)先行且可行，指導(dǎo)實(shí)際施工，輔助提升施工效率[3]。

4 BIM技術(shù)關(guān)鍵應(yīng)用

復(fù)雜型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)施工整體施工順序見圖2。

4.1 型鋼框架柱混凝土施工關(guān)鍵技術(shù)

以復(fù)雜型鋼混凝土結(jié)構(gòu)整體施工順序?yàn)榛A(chǔ)，總結(jié)形成型鋼框架柱混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝流程[4]，如圖3所示。

4.1.1 整體深化設(shè)計(jì)

為了解決型鋼框架柱混凝土施工中振搗棒難以順利插到底部的技術(shù)難題，基于BIM技術(shù)將型鋼框架柱與鋼筋進(jìn)行三維空間深化并創(chuàng)新研發(fā)一種輔助振搗棒插入型鋼框架柱的引導(dǎo)器，其中振搗引導(dǎo)器如圖4所示。振搗器的應(yīng)用，使得振搗棒順著振搗器內(nèi)上下振搗，有利于提升型鋼混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部混凝土的密實(shí)度。借助BIM技術(shù)，優(yōu)化振搗器在型鋼框架柱結(jié)構(gòu)中的位置，見圖5。

完成型鋼框架柱與振搗器的深化后，通過借助BIM技術(shù)虛擬化模擬梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋深化，形成復(fù)雜梁柱節(jié)點(diǎn)BIM三維深化圖，如圖6所示。

4.1.2 振搗棒引導(dǎo)器加工

通過BIM技術(shù)模擬引導(dǎo)器與振搗棒的相互關(guān)系，優(yōu)化輔助引導(dǎo)器是由6根直徑80 mm鋼絲和直徑為10 mm鋼絲圓圈垂直點(diǎn)焊制作而成，圓環(huán)間距300 mm，振搗引導(dǎo)器實(shí)體圖如圖7所示。

4.1.3 鋼筋綁扎及引導(dǎo)器安裝

通過BIM技術(shù)對施工工藝分析，引導(dǎo)器與鋼柱縱向受力鋼筋和內(nèi)圈箍筋不相鄰，先綁扎鋼柱內(nèi)圈箍筋，完畢后，將引導(dǎo)器的上端部臨時(shí)吊掛在鄰近內(nèi)圈箍筋上，然后綁扎外圈箍筋，待外圈箍筋每綁扎500 mm的高度將引導(dǎo)器拉至與外圈箍筋綁扎固定，安裝效果如圖8所示。

4.1.4 型鋼框架柱模板施工工藝

型鋼框架柱模板施工工藝流程：三維深化設(shè)計(jì)和加工→型鋼框架柱測量放線及定位→模板吊裝到位→合?！庸碳Ш稀惭b楔形→水平檢查及緊固→垂直檢查→柱底砂漿封堵。BIM三維深化實(shí)施效果見圖9。

4.1.5 型鋼框架柱混凝土澆筑

運(yùn)用BIM可視化的三維模型，對型鋼框架柱混凝土澆筑順序進(jìn)行模擬動態(tài)演示。利用振搗器進(jìn)行澆筑時(shí)，按照每一步澆筑高度傾倒混凝土拌合物，同時(shí)把振動棒插入設(shè)置好的振搗引導(dǎo)器內(nèi)，振搗位置正確，快插慢拔，振搗充分均勻。

4.2 剪力墻結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

剪力墻結(jié)構(gòu)施工的難點(diǎn)在于弧形墻鋼筋和弧形模板的深化設(shè)計(jì)、加工和安裝?；贐IM技術(shù)應(yīng)用，對型鋼梁柱和鋼筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型分析，使項(xiàng)目技術(shù)人員更方便、更直觀地把握結(jié)構(gòu)性能，預(yù)先掌握方案的施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響情況，形成優(yōu)化方案[5]。

1)弧形墻鋼筋三維排布深化。

基于設(shè)計(jì)圖紙明確弧形墻鋼筋的弧度、與斜梁交叉的碰撞、伸入暗柱的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，使鋼筋的空間位置和錨固、連接方式滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和施工圖集要求，分析鋼筋整體空間排布和節(jié)點(diǎn)鋼筋交叉分層錯(cuò)開布置的情況，對鋼筋三維模型進(jìn)行虛擬化碰撞檢查。

2)弧形模板預(yù)制深化。

通過BIM技術(shù)利用圓弧定點(diǎn)切線定位法，計(jì)算弧形墻模板節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高和弧半徑，并以三維可視化虛擬建造模擬弧形梁模板整體外觀效果，通過提前與設(shè)計(jì)單位溝通，采取技術(shù)深化優(yōu)化措施提前解決安裝技術(shù)難題。

3)弧形鋼筋加工下料。

基于BIM技術(shù)的弧形鋼筋三維深化和優(yōu)化模型，自動分析弧形剪力墻每段的弧度、長度，導(dǎo)出鋼筋下料清單明細(xì)，并進(jìn)行場外精細(xì)化加工[6]。

4)弧形模板預(yù)制加工。

基于BIM技術(shù)形成預(yù)制模板加工圖，自動分析和導(dǎo)出弧形模板的施工工程量清單明細(xì)，明確模板的尺寸和數(shù)量清單，直接工廠化加工模板，實(shí)現(xiàn)模板高精度加工，有效保證模板的制作質(zhì)量，最后對預(yù)制的模板依次編號。

5)弧形墻放線安裝。

基于BIM技術(shù)計(jì)算出模板弧度并導(dǎo)出弧形剪力墻大樣和剖面圖。依據(jù)BIM導(dǎo)出的大樣和剖面圖，精確定位弧形模板角點(diǎn)坐標(biāo)，采用全站儀完成現(xiàn)場弧形就位，實(shí)現(xiàn)弧形剪力墻高精確定位。

6)弧形墻混凝土澆筑。

為保證弧形墻混凝土連續(xù)施工，按照BIM深化效果，在混凝土初凝時(shí)間內(nèi)，從弧形墻端部分別對稱依次澆筑混凝土，保證混凝土的施工質(zhì)量。

4.3 鋼骨斜梁結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

4.3.1 鋼骨斜梁結(jié)構(gòu)施工工藝流程

鋼骨斜梁施工主要流程：鋼骨斜梁和型鋼框架柱節(jié)點(diǎn)深化→型鋼框架柱、鋼骨斜梁預(yù)制加工→現(xiàn)場吊裝→鋼骨斜梁對接→鋼筋穿插→模板安裝→混凝土澆筑。

4.3.2 型鋼框架柱及鋼骨斜梁節(jié)點(diǎn)深化

基于BIM技術(shù)建立型鋼斜梁、框架柱結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行鋼筋模型的構(gòu)建，重點(diǎn)控制鋼筋伸至型鋼框架柱的錨固長度、與套筒連接及深入耳板長度，并優(yōu)化保證型鋼框架柱鋼筋與斜梁鋼筋交叉的碰撞、鋼筋深入支座的節(jié)點(diǎn)位置。深化效果如圖10所示。

4.3.3 型鋼框架柱和鋼骨斜梁預(yù)制加工

利用BIM三維動態(tài)演示，展示型鋼框架柱和鋼骨斜梁吊裝技術(shù)要點(diǎn)，并借助BIM模型導(dǎo)出精細(xì)化的加工詳圖，通過嚴(yán)格控制型鋼框架柱鋼結(jié)構(gòu)加工與廠內(nèi)預(yù)拼裝。

4.3.4 鋼骨斜梁的現(xiàn)場安裝

利用型鋼鋼骨梁“兩線一點(diǎn)”形成三角平面即框架柱中心點(diǎn)和核心筒剪力墻中心線，多角度鋼骨斜梁位置兩線一點(diǎn)及現(xiàn)場加工效果圖如圖11所示。鋼骨斜梁結(jié)構(gòu)安裝精度：以鋼骨斜梁結(jié)構(gòu)作為參照物，實(shí)現(xiàn)模板、鋼筋安裝位置、角度的控制精度。

4.3.5 鋼骨斜梁混凝土施工

鋼骨斜梁混凝土梁內(nèi)鋼骨多且密集，混凝土振搗棒可操作極其狹窄。按照BIM深化，事先明確振搗的位置和頻次，避免鋼骨梁內(nèi)部出現(xiàn)孔洞，同時(shí)加強(qiáng)混凝土的保溫、保濕養(yǎng)護(hù)。

4.4 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)混凝土施工關(guān)鍵技術(shù)

運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行三維虛擬樣板引路，對節(jié)點(diǎn)位置澆筑順序進(jìn)行模擬動態(tài)演示，特別是對框架鋼柱、剪力墻暗柱和鋼骨斜梁相交部位的澆筑順序進(jìn)行詳細(xì)的模擬研究分析，保證從鋼骨斜梁中心向兩側(cè)依次對稱澆筑，確保支撐體系受力相對均衡。最終實(shí)現(xiàn)多角度鋼骨斜梁和圓弧剪力墻安裝及框架鋼骨柱混凝土良好的成型質(zhì)量。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)在復(fù)雜型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中的關(guān)鍵應(yīng)用，具有明顯的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢。

1)基于BIM技術(shù)對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行策劃，將安裝工序步步分解，有利于施工時(shí)鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋各工序穿插緊密，使得復(fù)雜節(jié)點(diǎn)位置的鋼筋綁扎滿足設(shè)計(jì)要求，大幅度地有效提高一次安裝合格率。2)基于BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的精確分析和現(xiàn)場安裝精度的輔助控制，借助BIM技術(shù)對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)深化優(yōu)化和精細(xì)化管理提供技術(shù)支持。3)基于BIM技術(shù)的鋼骨斜梁區(qū)域施工，實(shí)現(xiàn)了弧形鋼筋和預(yù)制模板的深化設(shè)計(jì)、加工和安裝一體化，為復(fù)雜異型混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工提供一種設(shè)計(jì)施工一體化協(xié)同管理模式。4)BIM技術(shù)在復(fù)雜型鋼混凝土中的應(yīng)用作為一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，先進(jìn)可靠，技術(shù)應(yīng)用效果明顯，為新技術(shù)應(yīng)用示范工程創(chuàng)新技術(shù)的攻關(guān)和應(yīng)用提供一種很好的范例。