黃小鋒，程鑫，徐浩，賈改

（1.中信建設(shè)有限責(zé)任公司，北京 100020；2.武漢輕工大學(xué)，武漢 430023）

0 引言

近年來，城市建筑朝著規(guī)模更大、復(fù)雜程度更高的方向發(fā)展，越來越多的建筑物呈現(xiàn)出高度高、跨度大、承重大等特點(diǎn)。在高層建筑物施工的過程中，高大空間模板支撐體系（簡(jiǎn)稱高支模）作為施工安全保障設(shè)施，對(duì)建筑主體起支撐作用，保障建筑物的穩(wěn)定性和安全性。在所有的建筑施工項(xiàng)目中，高支模施工項(xiàng)目是危險(xiǎn)性最大的項(xiàng)目之一，因此保障高支模工程在施工過程中的安全尤為重要[1-2]。通過對(duì)近些年來高支模坍塌事故的統(tǒng)計(jì)與分析，施工方案的不合理、現(xiàn)場(chǎng)管理的不規(guī)范以及安全監(jiān)督的缺乏是導(dǎo)致安全事故發(fā)生的主要原因。當(dāng)前對(duì)項(xiàng)目建設(shè)的成本與進(jìn)度要求越來越高，在該背景下上述三方面的原因是傳統(tǒng)施工方式最常見而且很難解決的問題，因此為有效的解決高支模施工的安全問題，需要改變傳統(tǒng)的施工技術(shù)與管理方式。

智能建造是未來工程建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，而BIM技術(shù)是智能建造標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化的基礎(chǔ)，其能健全建筑施工的數(shù)據(jù)交互和安全標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化設(shè)計(jì)與施工各環(huán)節(jié)數(shù)字化協(xié)同，提高施工的效率，降低施工的成本與安全風(fēng)險(xiǎn)。近些年來，已有不少的學(xué)者將BIM技術(shù)應(yīng)用于高支模項(xiàng)目的施工，呂布[3]借助于BIM技術(shù)開發(fā)了一套高支模參數(shù)化設(shè)計(jì)與虛擬仿真的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了腳手架桿件的自動(dòng)排布與現(xiàn)場(chǎng)的施工模擬。魏歡[4]將BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)的信息手段運(yùn)用到高支模管理中，構(gòu)建了基于BIM技術(shù)的高支模風(fēng)險(xiǎn)管理體系。蔡家齊[5]闡述了BIM技術(shù)在高支模施工中的具體應(yīng)用，分析了其相對(duì)于傳統(tǒng)施工方式的優(yōu)勢(shì)，但目前對(duì)于BIM技術(shù)在高支模施工安全管理中的具體應(yīng)用研究較少。本文通過開展高支模工程BIM技術(shù)的三維建模，從設(shè)計(jì)與施工兩方面出發(fā)，利用信息化技術(shù)融合各方面的信息，研究高支模信息化管理的具體方式，分析優(yōu)化施工方案的詳細(xì)過程，提出施工過程的管理措施，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)高支模施工與管理方式的被動(dòng)性和滯后等缺點(diǎn)，助力高支模施工技術(shù)的發(fā)展。

1 BIM技術(shù)的適用性分析

BIM的中文全稱是建筑信息模型，其實(shí)質(zhì)就是用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立一個(gè)3D模型，在這個(gè)模型中設(shè)定建筑信息，提高建筑工程的信息集成化水平，而且可以有效地協(xié)調(diào)成本、質(zhì)量、安全等各方面的管理部門，為施工所涉及的相關(guān)項(xiàng)目部門提供了一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)。由于BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性等特點(diǎn)，所建立的3D模型隨時(shí)間變化，動(dòng)態(tài)模擬施工過程。而且包含的大量建筑信息具有集成化的特點(diǎn)，任何一方將信息進(jìn)行定義或者修改，其他各方管理人員都能看到相應(yīng)的變化。只需要輸入一次信息，就可以在工程項(xiàng)目的整個(gè)生命周期中與其他軟件進(jìn)行信息的交換與分享。通過這種信息交流方式，能夠讓項(xiàng)目的管理人員更加全面了解建設(shè)施工的整個(gè)過程，同時(shí)方便設(shè)計(jì)單位與施工單位對(duì)施工方案中存在的問題進(jìn)行優(yōu)化和完善。

在高支模體系的項(xiàng)目建設(shè)過程中，由于其具有高復(fù)雜性、高風(fēng)險(xiǎn)性，通過智能化的BIM技術(shù)，開展高支模工程的三維建模創(chuàng)建與施工模擬，能夠直觀地表達(dá)出設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖，降低三維想象難度和高支模設(shè)計(jì)的難度，實(shí)現(xiàn)高支模施工的智能化，使得建設(shè)過程中的每一步都是事先演練過的，每一次的現(xiàn)場(chǎng)操作都在可控范圍內(nèi)，進(jìn)而能有效地減少高空作業(yè)范圍，提高施工質(zhì)量與進(jìn)度，降低施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 工程概況

建議增加一章工程概況，選擇與本文相關(guān)工程案例，并對(duì)該案例的具體參數(shù)進(jìn)行介紹。

本文以仙桃綜合保稅區(qū)生活配套服務(wù)區(qū)項(xiàng)目4#樓與5#樓高支模施工為研究對(duì)象，4#樓建筑面積為9 070.79m2，5#樓建筑面積為8 738.34m2，4#樓與5#樓立面如圖1所示。4#樓一層層高為5.7m，二層層高為5.7m，三層層高為4.5m；5#樓一層層高為5.7m，二層層高為4.5m，三層層高為5.7m，層高達(dá)到5.7m的結(jié)構(gòu)施工屬于危大高支模工程。4#樓與5#樓之間為鋼結(jié)構(gòu)架空，架空跨度為31m，高度21m，主要受力結(jié)構(gòu)梁截面尺寸為500mm×2400mm，集中線荷載42.05KN/m，該區(qū)域?qū)儆诔４蟾咧９こ獭?/p>

圖1 4#樓與5#樓立面示意圖

3 BIM在高支模方案設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

3.1 高支模方案設(shè)計(jì)階段的難點(diǎn)

高模板工程施工方案設(shè)計(jì)是建筑工程中重要的一環(huán)，工程中很多安全事故都是由模板施工方案設(shè)計(jì)不妥造成的，該項(xiàng)目在高支模施工方案設(shè)計(jì)過程中存在以下難點(diǎn)：

（1）施工單位在高支模施工方面的專業(yè)水平與經(jīng)驗(yàn)不足，且設(shè)計(jì)單位未安排專人駐場(chǎng)，導(dǎo)致方案設(shè)計(jì)溝通效率較低。

（2）在高支模的設(shè)計(jì)過程中，高支模支撐體系的承載力計(jì)算至關(guān)重要，本項(xiàng)目4#樓與5#樓受力結(jié)構(gòu)梁截面尺寸為500mm×2400mm，集中線荷載到達(dá)42.05KN/m，對(duì)模板支撐體系的受力要求較高。

（3）現(xiàn)場(chǎng)施工條件較差，材料運(yùn)輸較為困難，施工過程中受周邊建筑的影響較多，腳手架支撐場(chǎng)地空間有限，施工方案需充分考慮施工的便利性，以提高施工效率與安全。

針對(duì)本項(xiàng)目高支模設(shè)計(jì)階段的難點(diǎn)問題，采用BIM技術(shù)首先開展高支模參數(shù)化建模，建立不同類型的構(gòu)建族，并結(jié)合建筑與結(jié)構(gòu)施工圖紙以及現(xiàn)場(chǎng)施工情況，完成4#樓與5號(hào)樓高支模三維建筑模型，然后在模型中應(yīng)用力學(xué)計(jì)算軟件，分析模板的支撐體系受力情況，制定出最終的施工方案。

3.2 高支模的參數(shù)化建模

首先根據(jù)項(xiàng)目要求選擇適用的族模板，對(duì)鋼管族的實(shí)體進(jìn)行繪制，輸入實(shí)體的相應(yīng)高度參數(shù)，除了基本參數(shù)（長(zhǎng)、寬）的設(shè)置外，還應(yīng)對(duì)其共享參數(shù)和可見性參數(shù)進(jìn)行編輯。高支模各構(gòu)件族建好后，可根據(jù)各個(gè)構(gòu)件之間的連接關(guān)系對(duì)腳手架族參數(shù)進(jìn)行尺寸限制和參數(shù)調(diào)控。按相關(guān)規(guī)范和建設(shè)方的要求，在BIM平臺(tái)上根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的截面尺寸、架體搭設(shè)高度、樓板厚度及層高等數(shù)據(jù)，初步建立模板的支撐體系三維方案。然后，將模型的構(gòu)件尺寸，所用材料，連接方式和施工工藝等各個(gè)參數(shù)導(dǎo)入，其中材料屬性的匹配能夠使高支模設(shè)計(jì)人員直觀地了解到設(shè)計(jì)效果，通過對(duì)材料用量、材料利用率的分析優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，提高設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

借助BIM軟件建模不僅可以直觀地顯示出建筑物的3D立體效果，如圖2所示，還可將項(xiàng)目中的各個(gè)參數(shù)導(dǎo)入到模型中，任何一方對(duì)構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行修改，BIM平臺(tái)都會(huì)把相應(yīng)的改變儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫的參數(shù)信息中，從而使得構(gòu)件在其他視圖中的模型信息也會(huì)相應(yīng)更新。

圖2 4#樓與5#樓建筑三維模型

3.3 高支模的受力分析

在初步建立起B(yǎng)IM平臺(tái)的3D模型后，在模型中應(yīng)用力學(xué)計(jì)算軟件，將設(shè)計(jì)參數(shù)信息輸入，然后對(duì)高支模體系整體進(jìn)行準(zhǔn)確的受力計(jì)算，分析其結(jié)果是否滿足相關(guān)施工的力學(xué)安全要求。首先計(jì)算出模型中的立桿縱橫間距、步距以及承載力，然后在軟件內(nèi)定義立桿距離墻、柱邊緣距離和承載力學(xué)的要求，如果計(jì)算結(jié)果不滿足該要求，則根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，結(jié)合工程的實(shí)際計(jì)算情況來調(diào)整不合理的地方。

在調(diào)整的過程中，根據(jù)建模時(shí)期的參數(shù)化構(gòu)件數(shù)據(jù)，可以在BIM平臺(tái)軟件中快速找到滿足當(dāng)前承載力要求的模板及腳手架，便于進(jìn)行快速的配模設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率，做到高效且準(zhǔn)確。經(jīng)過一次次的調(diào)整，最終目標(biāo)是要使得該模型在理論上是能夠確保施工的安全性。

3.4 模擬反饋與設(shè)計(jì)優(yōu)化

初步的設(shè)計(jì)方案定稿后，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的狀況，在BIM平臺(tái)軟件中依次模擬施工中的各個(gè)分項(xiàng)工程對(duì)高支模體系產(chǎn)生的影響，如連接件松動(dòng)、模板爆模、架體坍塌等，分析可能導(dǎo)致的結(jié)果。在此過程中對(duì)項(xiàng)目建筑、結(jié)構(gòu)、支撐架體進(jìn)行檢測(cè)，生成分析報(bào)告，依據(jù)報(bào)告調(diào)整與結(jié)構(gòu)沖突的支撐桿件、連接件位置和間距。在一次調(diào)整后，還需進(jìn)一步模擬，使得最終的方案可以滿足此階段的結(jié)構(gòu)建設(shè)要求，同時(shí)優(yōu)化后的方案還能有效地減少實(shí)際施工過程中高空作業(yè)的范圍。

對(duì)于高支模在施工過程中容易出現(xiàn)的危險(xiǎn)情形，提出針對(duì)性的解決方案與風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)管控流程，預(yù)先解決施工過程中可能出現(xiàn)的問題，保障高支模在施工過程中的安全，實(shí)現(xiàn)高支模安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，提高方案的可操作性。

4 BIM在高支模施工階段的應(yīng)用

4.1 高支模施工階段的難點(diǎn)

高支模區(qū)域的施工管理關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)的安全，稍有不慎，就會(huì)造成嚴(yán)重的后果，本項(xiàng)目高支模在施工過程中存在以下難點(diǎn)：

（1）高支模建設(shè)的施工交底相比于常規(guī)工程更為復(fù)雜，而本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工班組的專業(yè)水平有限，對(duì)于復(fù)雜的施工圖紙很難理解，按照傳統(tǒng)的管理方式，施工交底的效果很難保證。

（2）由于該項(xiàng)目對(duì)成本控制的要求較高，導(dǎo)致總包單位現(xiàn)場(chǎng)施工管理的人員不足，對(duì)施工過程的監(jiān)管無法全面覆蓋，高支模施工安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

（3）4#樓與5#樓之間的高支模工程是整個(gè)項(xiàng)目施工周期最長(zhǎng)的區(qū)域，故該區(qū)域出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的概率最高，因此在施工期間需要加強(qiáng)安全隱患的排查，做好各方面的應(yīng)急預(yù)案。

針對(duì)該項(xiàng)目施工階段的難點(diǎn)問題，首先借助BIM技術(shù)施工模擬優(yōu)勢(shì)，建立三維可視化的施工交底方案，然后在施工區(qū)域引進(jìn)無人機(jī)和視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)施工過程進(jìn)行監(jiān)管，排查潛在的安全隱患，制定合理有效的應(yīng)急預(yù)案。

4.2 可視化技術(shù)交底

傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場(chǎng)采用的是二維圖紙進(jìn)行技術(shù)交底，無法對(duì)施工作業(yè)做出全面立體的解釋。在BIM平臺(tái)上，運(yùn)用三維模型進(jìn)行可視化技術(shù)交底，不僅可以使現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員更加直觀地了解作業(yè)流程，而且基于構(gòu)件參數(shù)化要素，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的材料選用、施工工藝和構(gòu)造要點(diǎn)也可以隨時(shí)觀看。如圖3所示，圖為三維圖片所展示的關(guān)鍵支撐節(jié)點(diǎn)的三維構(gòu)造模型。

圖3 高支模局部支撐體系三維模型

同時(shí)，技術(shù)發(fā)展為施工管理帶來了更多可能。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行施工技術(shù)和安全的培訓(xùn)時(shí)，可以使用三維圖片與動(dòng)畫漫游的方式，生動(dòng)、直觀，而且教育效果更好，避免了口頭言語可能帶來的理解上的偏差。應(yīng)用BIM平臺(tái)技術(shù)，施工人員可親身體驗(yàn)交底內(nèi)容，明確操作步驟，提高施工交底質(zhì)量。解決了施工交底難的問題，一定程度上減少了施工過程中的安全隱患。

4.3 施工過程的管理措施

由于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是一直處于變化之中的，因此在每一項(xiàng)施工步驟進(jìn)行之前，針對(duì)目前的實(shí)時(shí)狀況，通過BIM技術(shù)，演練施工過程中高支模體系的受力情況以及造成的各部分的位移變化。根據(jù)結(jié)果借助BIM模板軟件進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過三維模型進(jìn)行動(dòng)畫展示，制定可靠的高支模施工專項(xiàng)方案。從協(xié)調(diào)施工場(chǎng)地堆放桿件，到后期拆除高支模，直觀地虛擬仿真不僅使設(shè)計(jì)效果更容易理解，施工人員能夠按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行搭設(shè)支架，還能夠通過虛擬仿真快速找出問題，排除安全隱患從而促進(jìn)工程項(xiàng)目更科學(xué)、高效地施工。

在項(xiàng)目建設(shè)過程中還可引進(jìn)無人機(jī)和視頻監(jiān)控設(shè)備，將拍攝到的施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)畫面上傳至BIM管理平臺(tái)，可以使各方都能看到施工第一現(xiàn)場(chǎng)，便于各方統(tǒng)一管理（如圖4所示）。采用這種創(chuàng)新的管理模式，實(shí)現(xiàn)由宏觀至微觀，由整體到構(gòu)件，從而整體把控施工過程中的安全。

圖4 施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

4.4 安全隱患處理

在高支模體系中，根據(jù)方案設(shè)計(jì)階段的力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)，預(yù)先在模型中設(shè)置一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部位。在建設(shè)施工過程中，由現(xiàn)場(chǎng)安全管理人員排查重點(diǎn)部位的工藝水平與變形情況，將管理人員在現(xiàn)場(chǎng)采集到的細(xì)節(jié)部位照片與模型關(guān)鍵信息進(jìn)行對(duì)比，分析其可行性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中安全隱患，較好保障施工過程中的安全。一旦發(fā)現(xiàn)存在安全風(fēng)險(xiǎn)，則及時(shí)上傳到BIM平臺(tái)的安全隱患數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫中保存了每一次安全管理人員采集到的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的照片，以便各部門進(jìn)行對(duì)比分析，了解狀況后商定問題解決策略。

針對(duì)高支模施工過程中易出現(xiàn)的危險(xiǎn)情形進(jìn)行模擬，如遇威脅到自身安全事故，在模型中規(guī)劃逃生路徑和躲避場(chǎng)所，模擬正確的逃生方式，同時(shí)組織現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行突發(fā)事故的預(yù)演，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)人員安全教育，提高逃生技能，保障現(xiàn)場(chǎng)施工的安全，實(shí)現(xiàn)高支模安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

5 結(jié)論

（1）將BIM技術(shù)應(yīng)用于高支模施工方案設(shè)計(jì)階段，可以先利用BIM平臺(tái)相關(guān)軟件創(chuàng)建3D立體模型，將模型信息參數(shù)化、集成化；然后進(jìn)行受力分析，根據(jù)承載力要求和參數(shù)化條件高效且準(zhǔn)確調(diào)整高支模構(gòu)架；接著將設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工過程模擬，根據(jù)模擬結(jié)果來調(diào)整方案，將設(shè)計(jì)方案不斷優(yōu)化；保證設(shè)計(jì)方案的安全性。

（2）將BIM技術(shù)應(yīng)用于高支模在施工階段的管理，首先可以解決高支模的設(shè)計(jì)方和施工方之間的技術(shù)交底難的問題；然后通過漫游動(dòng)畫的方式模擬高支模體系的施工過程，運(yùn)用信息化設(shè)備管理施工現(xiàn)場(chǎng)，保障施工過程中的安全；最后運(yùn)用BIM平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫數(shù)字化、集成化技術(shù)進(jìn)行安全隱患排查，實(shí)現(xiàn)高支模安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與應(yīng)急處理。