BIM技術(shù)在鋼筋分項工程的應(yīng)用探索
——以福建省婦產(chǎn)醫(yī)院項目為例

倪 楊

(福建建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，當(dāng)前工程建設(shè)行業(yè)競爭日益加劇，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、降低成本、減少生產(chǎn)浪費(fèi)，是擺在施工企業(yè)面前的唯一出路。而BIM技術(shù)的深入應(yīng)用，可有效解決上述問題，有助于企業(yè)的高質(zhì)量轉(zhuǎn)型。

對于一般項目而言，鋼筋分項工程是土建工程中的重要分項，其造價所占比例較大。磚混結(jié)構(gòu)中，鋼筋占土建造價比例約為18%；框架結(jié)構(gòu)約為31%；剪力墻和框架-剪力墻相均為32%左右[1]。傳統(tǒng)的分散鋼筋加工是一項勞動密集型作業(yè)項目，其造成鋼筋浪費(fèi)是普遍存在的問題。而基于BIM的鋼筋施工深化與下料優(yōu)化，將為施工企業(yè)帶來較強(qiáng)的競爭力，尤其是在鋼筋節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、施工場地有限的建設(shè)項目，鋼筋分項工程成本把控的優(yōu)越性將更為顯著。

1 鋼筋管理流程及翻樣方法

鋼筋管理流程：鋼筋下料表→鋼筋算量→鋼筋原材計劃→鋼筋原材采購→進(jìn)場原料驗(yàn)收、出入庫→鋼筋加工→鋼筋綁扎[2]。

鋼筋翻樣方法：單筋法、放樣法、表示法、表格法、構(gòu)件法、圖形法、轉(zhuǎn)化法、演示法。其中構(gòu)件法是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的方法，但其原生多是為了預(yù)算、造價所開發(fā)，將其用于鋼筋翻樣時，常有與現(xiàn)場實(shí)際施工脫離的現(xiàn)象，難以用于指導(dǎo)施工。

2 技術(shù)路線

由中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院有限公司牽頭承擔(dān)的中國工程建設(shè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋詳圖統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》，現(xiàn)已完成意見征求階段。征求意見稿指出：鋼筋詳圖軟件宜采用BIM技術(shù)創(chuàng)建鋼筋BIM模型，并能使用模型進(jìn)行鋼筋間距檢查和碰撞檢查，可視化調(diào)整鋼筋位置，模擬鋼筋綁扎過程，布置鋼筋間隔件，自動生成各個構(gòu)件的鋼筋配料單、鋼筋排布圖、鋼筋間隔件表或鋼筋間隔件排布圖，同時還可輸出鋼筋加工設(shè)備加工鋼筋所需的數(shù)據(jù)文件[3]。

因此，福建省婦產(chǎn)醫(yī)院項目確立了采用BIM技術(shù)開展對鋼筋分項工程應(yīng)用探索的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)對項目鋼筋分項工程的深化建模、工程量計算以及數(shù)據(jù)分類匯總，最終實(shí)現(xiàn)鋼筋的優(yōu)化配料和數(shù)控加工，將廢料率降到最低，提升鋼筋分項工程的數(shù)字化水平，從而提高項目的數(shù)字化管理能力。

2.1 鋼筋實(shí)體模型建立

國際知名的鋼筋建模軟件有Revit、Bentley、Tekla、allplan等，國內(nèi)的鋼筋建模軟件有廣聯(lián)達(dá)、魯班、品茗、晨曦等。

該項目中，我司采用的是晨曦鋼筋建模及翻樣軟件。根據(jù)國家規(guī)范、建筑標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、16G101系列圖集等，預(yù)先在軟件進(jìn)行按照結(jié)構(gòu)施工圖的構(gòu)造要求，添加鋼筋相關(guān)的數(shù)值設(shè)置庫,如圖1所示。如鋼筋抗震錨固長度、鋼筋連接設(shè)置、鋼筋抗震搭接長度、節(jié)點(diǎn)圖設(shè)置等，再按照項目設(shè)置→鋼筋信息輸入→鋼筋布置功能→生成鋼筋實(shí)體等操作流程，完成初步鋼筋模型的快速建立。解決了醫(yī)院項目鋼筋建模難、復(fù)雜、體量大等問題，并且可根據(jù)需求選擇鋼筋實(shí)體方式建立模型或是鋼筋數(shù)據(jù)方式建立模型，解決了以往Revit環(huán)境中Extensions插件僅能通過鋼筋實(shí)體方式建立BIM模型，導(dǎo)致對硬件設(shè)備要求高、電腦卡頓的問題。

圖1 軟件中的鋼筋錨固長度設(shè)置表

2.2 鋼筋施工深化

鋼筋施工深化的欠缺，給鋼筋分項工程造成了諸多隱患，直接影響混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。我司采用文中2.1方法建立初步鋼筋模型后，實(shí)現(xiàn)了項目鋼筋類型、長度和截面尺寸的全面統(tǒng)計，同時結(jié)合施工技術(shù)在項目施工前發(fā)現(xiàn)并解決原結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題：

例1：主筋、箍筋間距過小，不利于項目現(xiàn)場混凝土澆筑、振搗。它可能將導(dǎo)致混凝土中的粗骨料難以穿過，大量擁堵在鋼筋外側(cè)，使水泥漿難以進(jìn)入內(nèi)部；或振搗棒難以深入或無法插入，導(dǎo)致振搗不充分不到位。進(jìn)而產(chǎn)生拆模后爛根、露筋、空穴現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

例2：搭接鋼筋直徑相差兩級以上。如項目中有下層柱角筋為22 mm上層為16 mm的情況，優(yōu)化后上層柱角筋為18 mm。在對焊時，鋼筋直徑相差兩級以上，易在此部位形成應(yīng)力集中，且鋼筋的偏心很難控制，影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

例3：同一梁截面內(nèi)鋼筋直徑相差4 mm以上。如項目中有梁上部通長鋼筋采用22 mm+14 mm的情況，優(yōu)化后梁上部通長鋼筋為2根18 mm。同一截面內(nèi)鋼筋直徑相差過大，可能會造成受力不均，影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

針對如上述等問題，我司在BIM初步鋼筋模型中，根據(jù)“等強(qiáng)代換”“等面積代換”“并筋”等原則和方法，進(jìn)行鋼筋施工深化，如圖2所示，并經(jīng)設(shè)計院同意后輸出總體鋼筋施工深化模型，且根據(jù)針對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)鋼筋綁扎進(jìn)行施工指導(dǎo)。但在深化過程中，切忌追求以單方面減少含鋼量為目的的單項最優(yōu)，對原設(shè)計的改進(jìn)應(yīng)是以追求整體最優(yōu)為原則。

圖2 鋼筋復(fù)雜節(jié)點(diǎn)深化局部模型

2.3 鋼筋優(yōu)化配料

在總體鋼筋施工深化模型中，可根據(jù)項目現(xiàn)場實(shí)際繪制施工流水段。通過輸入軸號、選擇軸號、手工繪制等方式實(shí)現(xiàn)分段劃分模型區(qū)域，而后按劃定的不同區(qū)域，自動讀取總體鋼筋深化模型中的相關(guān)信息，生成料單、排布圖、三維標(biāo)模型，供鋼筋集中加工廠、材料領(lǐng)用人、交底人員、施工人員使用。

根據(jù)生成的料單優(yōu)化料需，確定直條鋼筋如何裁切才下料最省。以項目現(xiàn)場A施工段14 mm鋼筋進(jìn)料為例：由該區(qū)域料單可知所需14 mm鋼筋總長為203.54 m，其中有A種長度5.45 m共計22根、B種長度4.17 m共計12根、C種長度2.1 m共計16根，項目現(xiàn)場直條鋼筋原料長為9 m和12 m兩種類型，采用鋼筋閃光對焊工藝(或其他對接工藝)，使直條鋼筋在數(shù)控機(jī)床上為無限長模型，分析如何能在接頭避開1/3加密區(qū)的情況下裁切且使得廢料最少，進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計算。

首先分析出共計有ABC 3種長度排列組合9種可能性，分別為AAA、AAB、AAC、ABB、ABC、ACC、BBB、BBC、CCC；且A長度搭接點(diǎn)不得在1.82 m范圍內(nèi)、B長度搭接點(diǎn)不得在1.39 m范圍內(nèi)、C長度搭接點(diǎn)不得在0.7 m范圍內(nèi)。再根據(jù)連立川等人指出如方程(1)和(2)[4]為邏輯原理，和Dynamo軟件編程進(jìn)行最優(yōu)算法優(yōu)化求解，便可有效得出鋼筋最優(yōu)配料方案。

(1)

約束方程：2x1+x2+x4≥20

2x2+x3+3x5+2x6+x7≥45

x1+x3+3x4+2x6+3x7+5x8≥50

(2)

其中，x是總使用鋼筋根數(shù)，xi包括x1～x8是幾種方法的使用次數(shù)。

最終可知，鋼筋最優(yōu)配料為：9 m長鋼筋原料12根，裁切模型為AC1B1B2C2，連接點(diǎn)在B1鋼筋1.45 m處滿足需在1.39 m以外條件，廢料長度為6根0.01 m；12 m長鋼筋原料8根裁切模型為A1A2CA3A4，連接點(diǎn)在C鋼筋1.1 m處滿足需在0.7 m以外條件，廢料長度為4根0.1 m。經(jīng)過優(yōu)化配料后，鋼筋廢料總計長度為0.46 m，損耗率為0.22%，從源頭控制了鋼筋分項工程的成本。

2.4 鋼筋集中數(shù)控加工

由于項目現(xiàn)場傳統(tǒng)鋼筋加工廠占地面積大、噪聲污染大、庫存成本高、材料管理混亂等經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和安全問題大量存在，且僅采用管理手段進(jìn)行鋼筋優(yōu)化配料交底，依然很難避免人為裁切操作的隨意性，使得鋼筋優(yōu)化配料成為一紙空談。

如今，當(dāng)我們擁有了準(zhǔn)確的鋼筋施工深化模型、鋼筋優(yōu)化配料成果以及鋼筋數(shù)控連接、加工設(shè)備，機(jī)器就可根據(jù)BIM信息,如圖3所示,完成鋼筋的集中自動加工：①自動進(jìn)料(讀取鋼筋直徑和等級)、②套絲、調(diào)直與彎折(讀取鋼筋幾何形狀)、③連接與裁切(讀取鋼筋優(yōu)化配料表)、④自動成品分類(讀取鋼筋編號)。從此不再受到項目現(xiàn)場場地條件、氣候條件、人員素質(zhì)、裝備水平等影響，為項目提供高標(biāo)準(zhǔn)、高效率、低成本的先進(jìn)管理模式，充分發(fā)揮國有企業(yè)、大型企業(yè)的體量優(yōu)勢和集成效應(yīng)，減少項目現(xiàn)場作業(yè)有效控制污染和浪費(fèi)，真正做到節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、節(jié)能和環(huán)境保護(hù)的綠色建造。

圖3 軟件中的鋼筋區(qū)域配料表

3 結(jié)語

該項目在鋼筋分項工程的應(yīng)用，作為中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部軟科學(xué)研究項目智能建造新技術(shù)新產(chǎn)品創(chuàng)新服務(wù)案例——自主可控數(shù)字化設(shè)計軟件——《晨曦BIM(土建、鋼筋、安裝)算量軟件》中的工程應(yīng)用案例入庫。同時，本項目的BIM技術(shù)整體應(yīng)用也獲得中國施工企業(yè)管理協(xié)會“第二屆工程建設(shè)行業(yè)BIM大賽——建設(shè)工程類應(yīng)用”二等獎。相信隨著建筑智能機(jī)器人、5G以及建筑行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級等，BIM技術(shù)的應(yīng)用也必將得到大力、飛速的發(fā)展，具有完備的BIM+整體解決方案和應(yīng)用能力，定能為傳統(tǒng)施工企業(yè)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型插上新的翅膀。