狄春鋒

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100043）

0 引言

扣件式鋼管高支模架作為一種復(fù)雜的多層多跨空間框架體系，主要運(yùn)用鋼管和連接扣件組成，支撐體系中的鋼管如水平、豎向、對(duì)角斜支撐通過連接扣件牢固連接，形成穩(wěn)定支撐框架。由于目前復(fù)雜的建筑物建設(shè)需要，其中大跨度和大截面的模板工程日益增加，對(duì)高支模架的需求不斷提高，但是存在設(shè)計(jì)、施工和安全監(jiān)管方面的缺陷。比如會(huì)有安全監(jiān)管不到位、未及時(shí)排除各種安全隱患等問題，導(dǎo)致坍塌事故屢次發(fā)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(xué)者分別對(duì)腳手架支撐體系遭到破壞的原因進(jìn)行分析，主要從設(shè)計(jì)不合理、現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量、管理和維護(hù)的缺乏或使用材料的低質(zhì)量以及安全技術(shù)規(guī)范的不足等方面進(jìn)行分析[1]。同時(shí)，也有學(xué)者通過有限元數(shù)據(jù)分析從施工材料、連接節(jié)點(diǎn)設(shè)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(shí)例分析和三維模型應(yīng)用方面的研究較為有限。鑒于這些原因，本文對(duì)某三層廠房施工中的扣件式高支模架體系穩(wěn)定性展開研究，首先使用Revit建模，通過BIM模型的多角度應(yīng)用，將模型導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行計(jì)算分析，旨在為實(shí)際工程提供有益的參考，進(jìn)一步規(guī)避潛在問題的發(fā)生。

1 工程概況

某三層廠房，層高為8.55m，結(jié)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(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，采用180mm的高支模板，最大截面為1200m×1200m。為確保支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選擇木質(zhì)模板和木膠合板作為高支模的核心支撐材料，配備適當(dāng)?shù)母咧ＴO(shè)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(jié)構(gòu)

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(tǒng)，又被稱為腳手架式模板。通常，當(dāng)混凝土模板支撐系統(tǒng)的支模高度達(dá)到或超過5m、搭設(shè)跨度超過18m、集中線荷載達(dá)到或超過20kN∕m、施工總荷載達(dá)到或超過15kN∕m2時(shí)，或者工程規(guī)模較大、分部分項(xiàng)工程超高、超重、危險(xiǎn)性較大時(shí)，需要使用高支模進(jìn)行作業(yè)。

扣件式高支模架是一種為建筑施工而設(shè)計(jì)的臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，其構(gòu)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(jié)構(gòu)組成見圖1所示。這種結(jié)構(gòu)主要用于支撐水平混凝土結(jié)構(gòu)模板，并通過其組成扣件來提高整體穩(wěn)定性。

圖1 高支模架結(jié)構(gòu)示意圖（正視圖）

3 BIM技術(shù)在扣件式高支模架中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 BIM模型提高項(xiàng)目施工效率

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

通過將參數(shù)化的族導(dǎo)入到項(xiàng)目模型中，并根據(jù)項(xiàng)目要求調(diào)整尺寸參數(shù)，BIM模型可以用于工程量的計(jì)算。在完成支撐體系的BIM模型后，填入并計(jì)算數(shù)據(jù)，就可以導(dǎo)出工程量清單，獲得工程量的總數(shù)。這樣可以在設(shè)計(jì)階段提前獲取項(xiàng)目的工程量清單，減少施工材料的浪費(fèi)，簡(jiǎn)化材料的進(jìn)場(chǎng)管理，有助于更好地控制施工進(jìn)度，方便施工方案的技術(shù)交底。通過BIM模型，施工成本、施工管理、施工進(jìn)度等方面的可控性得到有效提高，減少了施工返工次數(shù)，降低了施工資源的浪費(fèi)[2]。

3.2 BIM模型應(yīng)用于監(jiān)控方案設(shè)計(jì)

通過提升扣件式模板支架材料的承載能力，并結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保施工中的技術(shù)參數(shù)處于有效承載范圍內(nèi)。根據(jù)日常工作中重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，確定選擇模板中跨度大和懸挑梁等重點(diǎn)部位進(jìn)行關(guān)注。

通過BIM模型的可視化應(yīng)用，可以在創(chuàng)建主體工程結(jié)構(gòu)和架體工程結(jié)構(gòu)模型后，將結(jié)構(gòu)信息導(dǎo)入BIM安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。施工現(xiàn)場(chǎng)保持通信網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋，引入結(jié)構(gòu)施工安全預(yù)警機(jī)制，在關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)安裝傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)架體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入BIM安全監(jiān)測(cè)終端，由監(jiān)理人員和技術(shù)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力與變形的實(shí)時(shí)分析，能夠及時(shí)獲取結(jié)構(gòu)狀態(tài)的全面數(shù)據(jù)，為安全決策提供強(qiáng)有力的支持。

由圖2可知，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置信息的捕捉，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端，確保專項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取和傳輸。在此過程中，設(shè)置了施工安全預(yù)警限值，當(dāng)終端接收到超過限值的數(shù)據(jù)時(shí)，安全監(jiān)測(cè)中心會(huì)立刻觸發(fā)預(yù)警提示。預(yù)警提示生效時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警器會(huì)亮紅燈并發(fā)出警告，從而引起施工人員的重視，借助觸發(fā)點(diǎn)信息，則可以讓現(xiàn)場(chǎng)人員快速定位失穩(wěn)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，從而可以確保整個(gè)施工過程的安全與穩(wěn)定性。

圖2 BIM安全監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)流程圖

3.3 協(xié)助制定現(xiàn)場(chǎng)操作技術(shù)的安全管理措施

傳統(tǒng)的安全管理模式存在一些不足。由于傳統(tǒng)方法較難實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和模擬，限制了對(duì)潛在問題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決，容易出現(xiàn)溝通不暢、誤差較大的問題。面對(duì)現(xiàn)代化建筑項(xiàng)目的復(fù)雜與獨(dú)特化，傳統(tǒng)模式的協(xié)同工作相對(duì)受限，難以實(shí)現(xiàn)多方面的緊密合作。因此，引入BIM技術(shù)對(duì)高支模項(xiàng)目進(jìn)行安全管理有著非常重要的意義。

使用BIM技術(shù)協(xié)助高支模項(xiàng)目進(jìn)行安全管理具有較大優(yōu)勢(shì)。首先，通過實(shí)時(shí)可視化的支模三維模型（見圖3所示），實(shí)現(xiàn)空間協(xié)調(diào)和布置的最佳化，有助于施工人員清晰理解結(jié)構(gòu)并提高操作效率。其次，BIM技術(shù)的碰撞檢測(cè)功能能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決支模與其他構(gòu)件之間的沖突，減少施工誤差。此外，通過模擬施工、優(yōu)化材料和協(xié)同工作，顯著提升了施工效率，削減了成本，并優(yōu)化了資源利用。數(shù)字化管理支模數(shù)據(jù)和文檔確保了信息一致性，促進(jìn)了更緊密的協(xié)同合作。

圖3 三維高支模架結(jié)構(gòu)示意圖

4 扣件式高支模架穩(wěn)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(fù)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(wěn)定性影響因素，本文運(yùn)用BIM技術(shù)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(gòu)件對(duì)整體穩(wěn)定性的影響。在研究過程中，特別關(guān)注橫縱向剪刀撐的搭設(shè)方式以及使用的材料對(duì)高支模架的穩(wěn)定性產(chǎn)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(jìn)而提出優(yōu)化方案，以提高扣件式鋼管高支模架的整體穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究不僅有助于加深對(duì)高支模結(jié)構(gòu)特性的理解，還能夠?yàn)閷?shí)際施工提供有力的技術(shù)支持和指導(dǎo)。

4.1 搭設(shè)橫縱向剪刀撐對(duì)高支模架穩(wěn)定性的影響

剪刀撐在高支模中的施工工藝對(duì)穩(wěn)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(cè)周邊和內(nèi)部縱橫間隔4跨，由底至頂連續(xù)設(shè)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(shí)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(zhǎng)度≥1m，通過4個(gè)旋轉(zhuǎn)扣件連接，保持端部扣件和桿端距離≥100mm。剪刀撐設(shè)置在相交的橫向水平桿或立桿上，確保旋轉(zhuǎn)扣件中心線和主節(jié)點(diǎn)距離＜150mm。在架體寬度＞3m時(shí)，采用拋撐加強(qiáng)支撐體系抗傾覆能力，在腳手架轉(zhuǎn)角處和端部設(shè)置豎向斜桿，斜桿間隔小于4跨；架體高度＞24m時(shí)，斜桿間隔小于3跨。

剪刀撐的布置對(duì)高支模架的穩(wěn)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(shù)20步的架體作為分析對(duì)象，X向16跨，Y向8跨進(jìn)行分析，考慮節(jié)點(diǎn)的半剛性特性，通過改變其參數(shù)的設(shè)置情況來進(jìn)行架體屈曲承載力分析，如圖4所示。

圖4 剪刀撐布置對(duì)架體屈曲承載力的變化情況

如圖4所示，在同時(shí)橫縱布置剪刀撐的情況下，通過圖形觀察發(fā)現(xiàn)架體的臨界力一直呈上升趨勢(shì)。與不設(shè)置剪刀撐的情況進(jìn)行對(duì)比，設(shè)置剪刀撐時(shí)的臨界力明顯提升，約為不設(shè)置時(shí)的4倍。這直觀地展示了剪刀撐對(duì)于架體臨界力的重要性。在施工階段，需加強(qiáng)對(duì)剪刀撐設(shè)置的監(jiān)督，特別是在架體剛度相對(duì)較弱的部位。橫縱同時(shí)設(shè)置剪刀撐可以有效增加整體剛度，從而進(jìn)一步提升架體的臨界力。

4.2 使用材料對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。為了深入研究鋼管直徑對(duì)架體整體屈曲承載力的影響，本研究通過構(gòu)建多個(gè)模型，在保持立桿、水平桿等構(gòu)件設(shè)計(jì)不變、鋼管壁厚不變的基礎(chǔ)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(duì)承載力的影響，發(fā)現(xiàn)鋼管壁厚減小對(duì)整體屈曲承載力的影響更顯著。在實(shí)際工程中，選擇和檢驗(yàn)鋼管時(shí)應(yīng)特別注重鋼管的壁厚，以防止使用不符合規(guī)范的鋼管，同時(shí)需對(duì)鋼管及其他腳手架重要部件的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。通過這些舉措，可以最大程度地降低初始缺陷對(duì)架體整體穩(wěn)定性的負(fù)面影響，確保腳手架在使用中的安全可靠性。在實(shí)際工程操作中，需要持續(xù)關(guān)注并改進(jìn)這些方面，以進(jìn)一步提升腳手架工程的施工質(zhì)量和安全水平。

5 結(jié)束語

為提高扣件式高支模架施工的安全性和穩(wěn)定性，以減少施工現(xiàn)場(chǎng)的安全隱患，本文引入BIM技術(shù)，并在多個(gè)方面通過建立BIM模型，運(yùn)用可視化功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中的潛在問題，確保全程監(jiān)控，避免由于模板結(jié)構(gòu)不穩(wěn)導(dǎo)致的安全事故。同時(shí)，通過有限元軟件進(jìn)行分析，可以確定合適的橫縱向剪力支撐，并強(qiáng)調(diào)對(duì)鋼管和其他腳手架關(guān)鍵部件質(zhì)量的嚴(yán)格控制，這是提高高支模架穩(wěn)定性的重要條件。BIM技術(shù)在扣件式高支模施工安全穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出顯著的可行性，能夠有效保障和優(yōu)化施工現(xiàn)場(chǎng)的安全操作，以解決潛在的多種安全隱患。