基于BIM 的裝配式中空夾層柱腳節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

謝恩普，鮑依蓓

湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 湖州 313000

1 引言

中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在同心放置的兩層鋼管之間澆筑混凝土形成的組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)承載力高、自重輕、抗彎強(qiáng)度大，具有良好的抗震性能［1］。將結(jié)構(gòu)外部的鋼管替換為不銹鋼材料，形成一種不銹鋼-混凝土-碳素鋼組合結(jié)構(gòu)，其造型美觀、耐久性好，在建筑工程領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景［2］。

裝配式建筑建設(shè)周期短、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量少、產(chǎn)品質(zhì)量高、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，是未來(lái)建筑業(yè)的發(fā)展方向［3］。為順應(yīng)裝配式建筑發(fā)展趨勢(shì)、更好地推廣不銹鋼-混凝土-碳素鋼組合結(jié)構(gòu)，對(duì)其加工生產(chǎn)方式進(jìn)一步優(yōu)化，采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)吊裝的方式進(jìn)行施工，將建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用于構(gòu)件的生產(chǎn)制作與安裝過(guò)程。

2 構(gòu)件基本信息

某擬建工程采用不銹鋼-混凝土-碳素鋼組合結(jié)構(gòu)形式，為便于構(gòu)件的生產(chǎn)和施工，現(xiàn)采用BIM 軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，構(gòu)件的基本信息如下：構(gòu)件采用方套方截面（如圖1），外鋼管采用316 奧氏不銹鋼，截面邊長(zhǎng)Bo=800mm，厚度to=20mm；內(nèi)鋼管采用Q235B碳素鋼，截面邊長(zhǎng)Bi=500mm，厚度ti=14mm；內(nèi)外層鋼管間采用C30 混凝土，基礎(chǔ)采用C20 混凝土，柱底500mm 范圍內(nèi)采用C50 后澆混凝土。

鑒于耐久性要求，該組合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用常規(guī)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式。為抵抗水平荷載，在鋼筋混凝土基礎(chǔ)中預(yù)埋抗剪鍵，抗剪鍵位于組合柱的中空部位，安裝時(shí)將組合柱吊裝至指定位置后在其中空部位澆筑一定高度的高強(qiáng)混凝土，保證組合結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的連接，該柱腳節(jié)點(diǎn)暴露于外部的材料為不銹鋼外鋼管，耐久性能有較大程度的提高。

為保證柱腳節(jié)點(diǎn)安全可靠，在內(nèi)鋼管內(nèi)側(cè)和預(yù)埋的抗剪鍵表面均焊有一定數(shù)量的錨固件，通過(guò)高強(qiáng)混凝土與錨栓間的錨固作用傳遞豎向的抗拔力，以承受水平荷載在柱腳引起的應(yīng)力，保證柱腳節(jié)點(diǎn)的安全性能。

圖1 構(gòu)件截面示意圖

3 BIM 模型的建立

利用Tekla 軟件對(duì)該構(gòu)件及柱腳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，其軟件設(shè)置選擇“完全”的配置，確保鋼結(jié)構(gòu)和混凝土部分均能順利的建立模型。對(duì)于混凝土基礎(chǔ)部分，首先用混凝土板的命令創(chuàng)建其基礎(chǔ)主體，為了便于后期材料用量的統(tǒng)計(jì)，在創(chuàng)建基礎(chǔ)時(shí)需要注意設(shè)置混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。運(yùn)用生成鋼筋的命令在基礎(chǔ)內(nèi)部放置鋼筋，其強(qiáng)度等級(jí)和直徑依據(jù)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)施工圖進(jìn)行設(shè)置［4-5］。在基礎(chǔ)內(nèi)部鋼筋的上方放置抗剪鍵，并將抗剪鍵與基礎(chǔ)內(nèi)部鋼筋相焊接，以確保結(jié)構(gòu)的整體性與安全性，需要在抗剪鍵表明建立錨固件，錨固件的創(chuàng)建方式與普通的螺栓創(chuàng)建有所不同，需要將螺栓標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為STUD。

利用創(chuàng)建鋼柱的命令來(lái)創(chuàng)建組合結(jié)構(gòu)柱的內(nèi)外鋼管，此時(shí)截面型材采用RHS800×20 的形式；也可以采用四塊鋼板組合形成組合結(jié)構(gòu)柱，其截面型材采用PL20×800 的形式，具體而言應(yīng)依據(jù)采購(gòu)的原材料類(lèi)型選取建模方式。內(nèi)外鋼管均創(chuàng)建完成以后采用類(lèi)似于創(chuàng)建混凝土基礎(chǔ)的方法，建立組合結(jié)構(gòu)的夾層混凝土和柱腳底部500mm 范圍內(nèi)的高強(qiáng)混凝土模型。為了加強(qiáng)構(gòu)件與基礎(chǔ)的連接，在內(nèi)鋼管內(nèi)側(cè)一定的高度范圍內(nèi)焊接錨固件，創(chuàng)建方法同上述抗剪鍵的錨固件。

三維可視化模型有利于施工技術(shù)員更好地理解柱腳節(jié)點(diǎn)，形象地展示出組合結(jié)構(gòu)柱的整體構(gòu)成和細(xì)部構(gòu)造（如圖2～圖3），為現(xiàn)場(chǎng)的正確高效施工奠定基礎(chǔ)。本文建立的組合結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與常規(guī)螺栓連接節(jié)點(diǎn)有所不同，預(yù)埋抗剪鍵的安裝精度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)柱腳螺栓的預(yù)埋錨栓，只要不影響鋼柱放置至基礎(chǔ)頂面即可，可調(diào)節(jié)的幅度很大。待鋼柱安裝就位后灌注柱底500mm 范圍的高強(qiáng)混凝土。

圖2 組合柱柱腳三維模型

圖3 柱腳節(jié)點(diǎn)內(nèi)部構(gòu)造

4 模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用

BIM 模型除了三維展示的作用外，更實(shí)用性的功能是為制作和加工零部件生成準(zhǔn)確的圖紙，并可以直接導(dǎo)入至數(shù)控機(jī)床，以完成組合結(jié)構(gòu)柱中鋼結(jié)構(gòu)零部件的生產(chǎn)［6］。利用三維BIM 模型，可以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出各組成部分材料的用量，如表1 所示。

表1 某單根組合柱材料報(bào)表

5 結(jié)語(yǔ)

中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)承載力高、耐久性好、施工效率高，具有裝配式建筑的一般優(yōu)點(diǎn)，可在工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用。利用BIM 軟件對(duì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，可以為施工提供精確的圖紙和可視化圖形，有助于施工的順利進(jìn)行。利用三維BIM 模型自帶的數(shù)據(jù)可以較準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)材料用量，以便更好地進(jìn)行施工準(zhǔn)備工作。