基于BIM技術(shù)的型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)模擬分析與實(shí)踐

張麗 何青松 孫詩(shī)端

中國(guó)建筑第八工程局有限公司西南分公司 四川 成都 610041

引言

現(xiàn)代建筑施工中的設(shè)計(jì)主流結(jié)構(gòu)類型是型鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)，和純鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，它具更好的承載力、剛度和抗震性能，又比純鋼結(jié)構(gòu)具有更好的防火性和穩(wěn)定性，且具有良好的使用前景；但是這種方式又具有復(fù)雜性以及特殊性的問題，在施工中經(jīng)常會(huì)遇到型鋼復(fù)雜區(qū)域的梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋和型鋼主體發(fā)生碰撞的問題。所以本文利用BIM三維可視化的特點(diǎn)，在施工前預(yù)先對(duì)型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維深化，對(duì)型鋼節(jié)點(diǎn)鋼筋進(jìn)行綁扎模擬，提前發(fā)現(xiàn)梁柱鋼筋與型鋼會(huì)發(fā)生的碰撞區(qū)域，然后對(duì)型鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施工優(yōu)化，做到先模擬后施工，提出解決方案。借助三維可視化的方式深化復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處鋼筋的排布，解決鋼筋碰撞問題[1]，有效的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工藝在施工過程中的不足，既保證了施工質(zhì)量，又節(jié)省了項(xiàng)目建造成本。

1 工程概況

本工程“成都金融廣場(chǎng)項(xiàng)目”位于成都市高新區(qū)，建筑總面積約87.08萬(wàn)m2，項(xiàng)目由5棟超高層塔樓及超大型高端商業(yè)裙樓組成，集酒店、寫字樓、住宅、購(gòu)物中心等五大業(yè)態(tài)?？傉嫉孛娣e5.25萬(wàn)m2，建筑最高高度為218.35m，層高平均為5.5m，合同工期1570日歷天，建成后將成為成都又一超大地標(biāo)綜合體。主樓與裙樓地下部分連為整體，地上部分通過設(shè)置防震縫脫開，為典型的大底盤基礎(chǔ)上多塔的建筑形式。結(jié)構(gòu)形式包括框架核心筒結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。本工程采用的結(jié)構(gòu)形式體系既可以充分利用鋼筋混凝土與型鋼的特性保證工程質(zhì)量，還能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的效果，所以梁柱節(jié)點(diǎn)的處理顯得舉足輕重。

2 BIM在型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)施工的應(yīng)用

2.1 工程難點(diǎn)

本工程作為成都市標(biāo)志性建筑，采用了型鋼混凝土柱和框架梁鋼筋復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，目的是不僅能夠達(dá)到工程建設(shè)的要求，還能提升工程的整體質(zhì)量。從以往的類似工程和現(xiàn)有的施工圖紙進(jìn)行分析，該工程施工過程中主要面臨以下幾方面困難：其一，梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋數(shù)量多，間距小，穿插復(fù)雜；其二，圖紙變更量較大；其三，密集節(jié)點(diǎn)處存在鋼筋和管線、鋼筋和主體、主體和管線等的碰撞問題；其四，該項(xiàng)目為大型綜合體項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型復(fù)雜，對(duì)建筑體交付質(zhì)量的要求比較高；其五，復(fù)雜節(jié)點(diǎn)位置上的現(xiàn)場(chǎng)施工具有一定難度，對(duì)施工人員能力和施工質(zhì)量，有一定的要求。為了解決這些問題，保證施工的質(zhì)量，所以在施工中引入了BIM技術(shù)。

2.2 技術(shù)方案

本次BIM模擬分析選取的案例是本項(xiàng)目中的復(fù)雜區(qū)域的型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的施工數(shù)據(jù)，最終選取4#、5#住宅樓其中一層的型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)實(shí)踐（圖1），立體的表達(dá)鋼筋具體配筋情況，然后進(jìn)行碰撞檢查分析，模型中碰撞點(diǎn)會(huì)高亮顯示，方便深化人員可以提前發(fā)現(xiàn)影響施工的碰撞點(diǎn)并會(huì)輸出碰撞報(bào)告，深化人員再根據(jù)碰撞報(bào)告對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的局部可視化深化施工模擬分析。在施工前進(jìn)行節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，提高工作效率和施工品質(zhì)，選出最佳的鋼筋綁扎排布方案；最后運(yùn)用可視化功能進(jìn)行綁扎工序演示和可視化施工交底，最后可由BIM直接輸出圖紙，直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工。

圖1 型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)模型

2.3 施工優(yōu)化

通過BIM技術(shù)來(lái)優(yōu)化碰撞問題，可以提前將可能影響施工的碰撞點(diǎn)全部確定，對(duì)圖紙進(jìn)行優(yōu)化，使之在滿足施工規(guī)范和施工技術(shù)要求的前提下，能夠減少現(xiàn)場(chǎng)返工，有效提高施工質(zhì)量和效率。

首先要做的是確定節(jié)點(diǎn)，然后確定選取節(jié)點(diǎn)的尺寸等基本施工參數(shù)信息，然后應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜節(jié)點(diǎn)繪制，最后模擬排布分析；多次重復(fù)直至達(dá)到最優(yōu)。三維建模深化具體操作步驟：①運(yùn)用Revit等軟件根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙基本信息建立型鋼混凝土關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的土建實(shí)體模型和鋼筋排布實(shí)體模型；形象表達(dá)鋼筋的設(shè)計(jì)參數(shù)、具體位置、配筋情況等施工信息；②用Naviswork 等軟件多次運(yùn)行鋼筋與鋼筋、鋼筋與主體結(jié)構(gòu)的碰撞模擬；③根據(jù)生成的碰撞報(bào)告，對(duì)應(yīng)在模型中反復(fù)深化鋼筋的排布，直至模型零碰撞，且排布滿足施工規(guī)范和現(xiàn)場(chǎng)施工要求，具有可行性，即算達(dá)到深化完成；④利用BIM軟件直接輸出深化圖紙，指導(dǎo)工廠加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝；可以導(dǎo)出鋼筋用量明細(xì)表，幫助物資部門提出下料計(jì)劃；物資明細(xì)表可以和商務(wù)部門的量進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)成本精細(xì)化管理；⑤最后運(yùn)用3DsMAX進(jìn)行施工模擬和可視化技術(shù)交底[2]。

在這個(gè)過程中，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的可視化施工，在三維視圖的基礎(chǔ)上，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多視角、全方位的觀察。通過應(yīng)用這樣的技術(shù)手段，能夠有效地提高施工的準(zhǔn)確性和效率，從而降低施工所需的資源成本。

在發(fā)現(xiàn)碰撞之后，為了更好地優(yōu)化碰撞點(diǎn)，應(yīng)確保施工單位和設(shè)計(jì)單位、業(yè)主能夠進(jìn)行密切聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)良好的配合，從而對(duì)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造進(jìn)行科學(xué)有效合理的優(yōu)化，并且確保其滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。下面對(duì)項(xiàng)目深化實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)的主要問題和采取的解決措施進(jìn)行詳細(xì)介紹：

2.3.1 型鋼柱主筋與腹板碰撞。在該工程梁柱節(jié)點(diǎn)三維模擬及碰撞分析工作中，我們發(fā)現(xiàn)型鋼柱的梁上的主筋和型鋼柱的腹板存在碰撞的問題，加腋現(xiàn)場(chǎng)彎折再穿孔難度大，而且不滿足施工規(guī)范中對(duì)于鋼筋最小水平錨固長(zhǎng)度的相關(guān)要求。

在發(fā)現(xiàn)問題之后，深化人員通過多次深化模擬（圖2），最終發(fā)現(xiàn)采用將型鋼腹板開洞的方式，讓主筋可以連續(xù)穿過，可以有效地確保主筋不會(huì)出現(xiàn)斷裂的問題。因采用腹板開洞凈距比設(shè)計(jì)院鋼筋凈距大，故原設(shè)計(jì)院一排鋼筋會(huì)放不下，土建單位需與鋼結(jié)構(gòu)深化單位密切聯(lián)系，相互協(xié)作，共同辦公。鋼結(jié)構(gòu)深化單位滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求提前下，盡量把孔開大方便鋼筋穿插。加勁板、連接板、腹板開洞應(yīng)仔細(xì)核對(duì)鋼筋位置,避免仰焊、兩個(gè)方向鋼筋打架等問題。并且如果在后續(xù)具體的施工過程中出現(xiàn)孔洞的界面損失率達(dá)到或者超過25%，則通過加焊的方式來(lái)對(duì)鋼板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)[3]。

圖2 腹板開洞深化模型

2.3.2 型鋼柱主筋與翼緣碰撞。在模擬過程中還發(fā)現(xiàn)型鋼混凝土梁的主筋與其柱的翼緣部分存在碰撞沖突的現(xiàn)象；為了解決這一問題，深化人員通過多次深化排布模擬（圖3）。我們利用在型鋼柱的翼緣上雙面焊接鋼連接板來(lái)解決產(chǎn)生的碰撞，然后將這部分鋼筋焊接在連接板上，按搭接長(zhǎng)度的5d、10d、15d雙面焊連接板（連接板遇柱縱筋要開孔），保證梁鋼筋能正常綁扎錨固的同時(shí)確使其能夠和型鋼混凝土柱實(shí)現(xiàn)良好的連接，這種形式既不會(huì)降低腹板的強(qiáng)度和剛度，又能保證梁縱向鋼筋的貫通錨固[4]，減少核心區(qū)鋼筋量，增大節(jié)點(diǎn)區(qū)空間，給混凝土澆筑提供良好條件。

圖3 翼緣焊接連接板深化模型

2.3.3 型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)位置處碰撞。梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋密集，穿插復(fù)雜，原設(shè)計(jì)鋼筋（排數(shù)及根數(shù)）穿型鋼存在困難，且腹板過長(zhǎng)導(dǎo)致梁柱上下兩側(cè)鋼筋無(wú)法達(dá)到腹板位置處；為了解決這一難題，深化人員通過多次深化排布模擬（圖4），找到解決方案。

圖4 型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋排布深化模型

因?yàn)樾弯撝c混凝土梁接頭部位鋼筋的連接形式較為密集和復(fù)雜，最后選取的措施是原則上可采取等面積代換、并筋、調(diào)整每排鋼筋根數(shù)（不應(yīng)兩排調(diào)整為三排）等辦法穿型鋼；依據(jù)錨固長(zhǎng)度在梁端處焊接連接板，將鋼筋通過焊接、架設(shè)連接板或者貫通的方法來(lái)連接，主筋連接的同時(shí)要與型鋼柱焊接；施工中可以按照規(guī)范和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整連接板的高度，保證雙面焊接搭接長(zhǎng)度5d，并保證連接板的設(shè)置不會(huì)讓主筋、梁縱筋、箍筋產(chǎn)生新的碰撞，從而解決因?yàn)楦拱彘L(zhǎng)度不足問題引起的碰撞沖突[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過BIM三維技術(shù)在型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)模擬分析中的落地應(yīng)用，能夠提前發(fā)現(xiàn)存在的問題，并有針對(duì)性地提出解決方案，可以在預(yù)制階段將型鋼梁柱、鋼筋等存在的問題解決掉，基于BIM技術(shù)的型鋼混凝土施工節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，提高實(shí)際施工的效率和保證施工的質(zhì)量，這樣才能實(shí)現(xiàn)建筑工程資源的全面優(yōu)化，從根本上改善了建筑施工效益。

通過實(shí)踐，證明了BIM技術(shù)的運(yùn)用不僅能夠提高型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)的施工效率和工程質(zhì)量，還大大推動(dòng)了數(shù)字化施工、智能化施工的發(fā)展進(jìn)程，對(duì)于提高企業(yè)的項(xiàng)目管理水平以及提高經(jīng)濟(jì)效益等都有重要作用，應(yīng)當(dāng)在工程建設(shè)中加以推廣。