基于BIM技術(shù)的附著式腳手架深化探索

黃招華

(福建六建集團(tuán)有限公司 福建福州 350014)

0 引言

附著式升降腳手架，指附著于工程結(jié)構(gòu)上并搭設(shè)一定高度，依靠本身的升降裝置與設(shè)備，可隨工程結(jié)構(gòu)逐層爬升或下降，具有防墜落、抗傾覆裝置的外腳手架。附著升降腳手架主要由集成化的附著升降腳手架架體結(jié)構(gòu)、附著支座、防墜落裝置、防傾裝置、升降裝置及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。爬架作為項(xiàng)目管控的重點(diǎn)，有關(guān)學(xué)者通過不同的項(xiàng)目、不同的爬架體系，從不同的角度對(duì)爬架體系與施工要點(diǎn)進(jìn)行了積極的研究。石雪潔[1]詳細(xì)闡述了項(xiàng)目附著式升降腳手架體系設(shè)計(jì)方案、得出優(yōu)化后附著式升降腳手架的設(shè)計(jì)方案。杜洪利等[2]介紹了一種整體集成外爬架支座成套裝置,并對(duì)該裝置的構(gòu)造、材料選擇、受力驗(yàn)算、安裝拆除周轉(zhuǎn)利用進(jìn)行闡述。方興等[3]通過引入BIM技術(shù),從工程量統(tǒng)計(jì)、施工平面布置、可視化交底及安全管理4個(gè)方面討論如何實(shí)現(xiàn)對(duì)附著升降腳手架的信息化以及規(guī)范化管理。常自昌等[4]通過鋁模和爬架BIM模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)、碰撞檢查和虛擬施工，對(duì)爬架導(dǎo)軌的位置、模塊化架體布置和走道板標(biāo)高，進(jìn)行了優(yōu)化布置。綜上，在針對(duì)爬架體系的優(yōu)化上，各學(xué)者都提出了自己的方法。本文從爬架體系定型→施工前期排版設(shè)計(jì)→施工階段全過程應(yīng)用BIM技術(shù)輔助設(shè)計(jì)，從爬架的構(gòu)件單元、細(xì)部節(jié)點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合實(shí)際施工中遇到的問題，提出自己的解決措施。

利用BIM技術(shù)三維可視化、模擬性、優(yōu)化性等特點(diǎn)，按附著式腳手架的組成進(jìn)行構(gòu)件建模并拼裝成整體爬架模型，以此為基礎(chǔ)對(duì)爬架的構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化與節(jié)點(diǎn)深化，通過相關(guān)的BIM軟件結(jié)合施工中的工序、工法等技術(shù)要求，對(duì)爬架中的難點(diǎn)及重點(diǎn)進(jìn)行提前的施工預(yù)演，減少施工中的問題。

1 工程概況

附著式升降腳手架作為近十幾年快速發(fā)展起來的新型腳手架技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)性、安全性、智能化、機(jī)械化、美觀性良好的特點(diǎn)。為適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展需求，福建六建集團(tuán)聯(lián)合福晟六建實(shí)業(yè)集團(tuán)，通過開發(fā)、應(yīng)用相結(jié)合，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的附著式升降腳手架技術(shù)?，F(xiàn)我司旗下福晟印江南、福州華潤(rùn)萬象城三期、融信長(zhǎng)島花園C地塊等多個(gè)項(xiàng)目均采用該爬架體系，具有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。該腳手架主要由一體式導(dǎo)軌(8#槽鋼導(dǎo)軌與100 mm×50 mm×3 mm矩形管組合)、立桿(100 mm×50 mm矩形管)、水平桿(60 mm×40 mm矩形管)、斜拉桿(由鋼管與螺絲組成，長(zhǎng)度可調(diào))、內(nèi)支架(由100 mm×50 mm×3 mm矩形管拼接組成)、附墻支座、倒掛葫蘆、安全網(wǎng)(單塊尺寸995 mm×1920 mm)、走道板、鋼爬梯等組成(圖1)，架體各構(gòu)件通過專用連接件與通用螺絲進(jìn)行連接。架體的高度≤5層層高，且≤20 m(圖2)，架體寬度≤1.2 m，支承跨度≤7 m，架體步高2.0 m～4.5 m，每次升降層數(shù)1層，提升速度120 mm/min，爬架升降時(shí)間為1.5～2 h/棟×層。

圖1 爬架組成效果圖圖2 剖面圖

2 附著式腳手架在使用中存在的問題

在多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中，目前爬架現(xiàn)場(chǎng)安裝還存在一些問題。

(1)對(duì)于外立面造型較為復(fù)雜的住宅，爬架排版時(shí)構(gòu)件的規(guī)格會(huì)較多，施工難度大。此外陽臺(tái)、飄窗、空調(diào)板處，屬于受力薄弱位置，一般無法滿足機(jī)位安裝，機(jī)位布置又不能違反相應(yīng)安全規(guī)章要求，具有一定的結(jié)構(gòu)安全隱患。

(2)由于前期的爬架設(shè)計(jì)時(shí)，整體排布不當(dāng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)不當(dāng)，未考慮建筑的外立面造型寬度，設(shè)計(jì)圖紙與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝存在偏差，導(dǎo)致局部線條需要二次澆筑。

(3)設(shè)計(jì)時(shí)陽角部位剛度不足，塔吊附墻處爬升時(shí)需拆除該處桿件，在爬升的過程中各機(jī)位上升速度不一致，導(dǎo)致爬架局部變形，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)角處變形 圖4 飄窗處墊塊過長(zhǎng)

(4)爬架對(duì)附墻件的預(yù)埋精度要求比較高，最大可調(diào)范圍為20 mm?，F(xiàn)場(chǎng)預(yù)埋件采用PVC管暗埋，易偏位，導(dǎo)致個(gè)別導(dǎo)軌爬升時(shí)出現(xiàn)變形。

(5)墊塊附墻件及型鋼懸挑附墻件受力效果差，穩(wěn)定性存疑，如圖4所示。

(6)現(xiàn)場(chǎng)臨邊防護(hù)不及時(shí)，葫蘆鋼絲繩洞口過大，爬架離墻間距超過規(guī)范要求，具有較大的安全隱患。

3 基于BIM的附著式腳手架深化設(shè)計(jì)

3.1 基于BIM的爬架深化流程

(1)前期準(zhǔn)備：熟悉爬架專項(xiàng)施工方案及項(xiàng)目圖紙，分析爬架的注意事項(xiàng)與操作要求。

(2)項(xiàng)目土建BIM模型建立：建立項(xiàng)目的土建模型，特別注意外立面的線條與不規(guī)則區(qū)域。

(3)族建立與拼接：建立構(gòu)件族庫(圖5)，按照爬架操作規(guī)程與專項(xiàng)施工方案對(duì)每一個(gè)族進(jìn)行拼接。

圖5 爬架的BIM構(gòu)件族

(4)爬架施工可行性分析：結(jié)合專項(xiàng)方案與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，對(duì)爬架構(gòu)件的拼接進(jìn)行模擬，分析施工中可能出現(xiàn)的問題。

(5)模型調(diào)整與出圖：根據(jù)審查結(jié)果調(diào)整構(gòu)件尺寸與排布，對(duì)復(fù)雜的細(xì)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化與出圖，導(dǎo)出導(dǎo)軌布置圖、主次梁布置圖、節(jié)點(diǎn)詳圖等。

(6)檢查與驗(yàn)收：施工中結(jié)合BIM模型(圖6)，對(duì)每一區(qū)域的爬架進(jìn)行檢查與核對(duì)，保證爬架施工安全。

圖6 整體爬架的BIM模型展示

3.2 附著式腳手架的安裝要點(diǎn)

(1)安裝平臺(tái)的搭設(shè)

(2)附墻裝置的安裝

附墻支座預(yù)留孔位置模板拆除后，應(yīng)及時(shí)將附墻支座安裝固定到位。附墻支座完成后，依次安裝滾輪支座、滾輪、卸荷體及彈簧。待主框架安裝完成后，將卸荷體上部卡孔支撐在導(dǎo)軌圓管上。架體在每層必須設(shè)置附墻支座，固定狀態(tài)不少于3道附墻，升降過程中，應(yīng)當(dāng)保證至少兩道附墻支座附著到位。

(3)附著升降腳手架架體結(jié)構(gòu)安裝

主框架在地面上拼裝完成后，整體吊裝穿過附墻支座?？蚣艽怪倍绕畈怀^5‰，相鄰主框架高差不大于20 mm，上下節(jié)采用螺絲連接?？v向水平桿緊隨主框架安裝，通過螺栓與主框架連接在一起，形成空間結(jié)構(gòu)。而后在主框架間安裝次立桿，通過螺栓與水平桿側(cè)面連接鎖緊。次立桿間距不超過2.5 m。首節(jié)架體主框架、次立桿、水平桿搭設(shè)完畢，應(yīng)在首步架主次立桿之間沿縱向加設(shè)斜拉桿，使首步架體形成桁架受力體系，提高整個(gè)架體的穩(wěn)定性。最后安裝可調(diào)橫向水平桿，水平桿根據(jù)離墻間距調(diào)整懸挑長(zhǎng)度，通過連接板與縱向水平桿螺栓連接，如圖7所示。

圖7 爬架局部BIM模型

(4)密布網(wǎng)與腳手板安裝

密目網(wǎng)封閉安裝，按照從兩端向中間順序布設(shè)，將非標(biāo)準(zhǔn)尺寸預(yù)留在架體中部進(jìn)行搭接封閉，底部腳手板采用整塊花紋板及翻板組合進(jìn)行封閉處理，在立桿位置采用小板封閉，保證底部封閉嚴(yán)實(shí)。通過自攻螺釘將花紋鋼板固定在縱向水平桿上。

(5)升降裝置安裝

整部架體安裝到位后，在頂部附墻支座位置主框架內(nèi)排立桿位置安裝上吊掛點(diǎn)。在首節(jié)主框架內(nèi)排立桿底部位置安裝下吊掛點(diǎn)。上下掛點(diǎn)間距8.6 m，在中間附墻支座位置安裝龍腰，為架體升降過程中主要受力點(diǎn)。提升系統(tǒng)組成如圖8所示。

圖8 提升系統(tǒng)主要構(gòu)件大樣圖

3.3 基于BIM的前期排版設(shè)計(jì)

先使用Revit軟件建立樓棟的結(jié)構(gòu)模型，特別注意外立面的線條、飄窗、陽臺(tái)、空調(diào)板的準(zhǔn)確性。

建立附著式爬架模型時(shí)，先創(chuàng)建主框架、立桿、水平桿、附墻支座、提升支座、連接件、倒掛葫蘆、安全網(wǎng)、走道板、鋼爬梯、卸料平臺(tái)等構(gòu)件參數(shù)化族，形成企業(yè)的爬架族庫便于不同項(xiàng)目調(diào)用。爬架預(yù)拼裝時(shí)，按照主框架→附墻件→次立桿(內(nèi)支架連接)→水平桿→斜拉桿→安全網(wǎng)→走道板→提升支座→電葫蘆(專用構(gòu)件連接)→鋼爬梯順序進(jìn)行。

排布時(shí)需滿足機(jī)位最大間距、線條造型可施工性(圖9)、離墻間距、安全防護(hù)等要求，通過Revit+fuzor進(jìn)行碰撞檢查與三維可視化瀏覽，逐塊檢查，逐一調(diào)整；通過構(gòu)件的參數(shù)化的特點(diǎn)，可快速調(diào)整構(gòu)件尺寸、導(dǎo)軌之間的間距，選擇最優(yōu)的排布方案。

圖9 線條避讓處理

通過BIM軟件，可以輸出爬架的平面布置圖(圖10)、立面圖、三維剖面圖，復(fù)雜部位的節(jié)點(diǎn)詳圖等，用于項(xiàng)目的施工與技術(shù)交底。此外，還可以導(dǎo)出爬架各構(gòu)件的明細(xì)表，確定爬架材料的使用量。

圖10 爬架布置圖

3.4 附墻支座的預(yù)埋精度控制

預(yù)埋位置的準(zhǔn)確度是保證爬架軌道爬升的關(guān)鍵。預(yù)埋孔從標(biāo)準(zhǔn)層開始預(yù)埋，按爬架平面預(yù)埋位置及立面預(yù)埋標(biāo)高進(jìn)行逐個(gè)預(yù)埋放線；根據(jù)預(yù)埋孔的定位在邊梁內(nèi)外模板上鉆孔(圖11)，將4根D40的PVC管插入到孔中(兩根用于附墻支座安裝，兩根用于提升吊點(diǎn)安裝)，精度要求±5 mm，利用直尺、卷尺及鉛吊錘吊線進(jìn)行預(yù)埋精確度檢測(cè)。嚴(yán)禁從模板邊直接測(cè)量或者以導(dǎo)軌及其上立桿作為預(yù)埋定位的依據(jù)。

圖11 附墻預(yù)埋控制

3.5 附著式腳手架細(xì)部處理優(yōu)化

基于以往項(xiàng)目實(shí)施中存在的問題，為進(jìn)一步完善爬架的體系，對(duì)局部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)陰陽角連接不可靠、剛度不足的問題，設(shè)計(jì)專用的連接件(60×40×3-250方鋼)輔以角部折彎件，用于縱橫向水平桿的連接(圖12)，在成本未增加的基礎(chǔ)上提高了連接的可靠性。在塔吊附墻處設(shè)計(jì)翻板，爬升時(shí)翻板打開，改善了之前每次爬升都需要拆除水平桿的問題，提高爬升時(shí)的安全性。

(a)轉(zhuǎn)角優(yōu)化后BIM效果圖

3.6 減少非標(biāo)構(gòu)件尺寸的措施

(1)密布網(wǎng)

當(dāng)爬架應(yīng)用于商品住宅時(shí)，由于住宅造型多樣，在建筑拐角處密布網(wǎng)往往存在較多尺寸。為提高安裝的效率，以及材料的管理，統(tǒng)一使995 mm×1990 mm×20 mm尺寸的密布網(wǎng)。通過在水平桿上間隔打孔，密布網(wǎng)使用專用連接件與水平桿靈活連接，在邊角安裝時(shí)采用雙層疊加的方式處理，避免不規(guī)則尺寸,如圖13所示。

(a)邊角安裝處理方式

(2)腳手板

現(xiàn)市場(chǎng)上常見的腳手板為鋼板與水平桿組成的整體式的腳手板，長(zhǎng)度規(guī)格尺寸較多。為減少非標(biāo)構(gòu)件，水平橫桿與腳手板分開安裝。水平橫桿采用1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m六種規(guī)格，兩根縱向水平桿之間通過0.5 m、1 m的水平桿套管連接。采用可調(diào)水平挑桿來解決施工中立桿離墻間距過大的問題，挑桿與水平橫桿通過螺栓連接(圖14)。腳手板采用鋼板(3 mm厚)鋪設(shè)，與縱向水平桿用自攻釘連接，在轉(zhuǎn)角處尺寸非標(biāo)時(shí)可以采用疊加的方式(鋼板較薄疊加后不會(huì)有高低差)，且鋼板易于開口，有助于封閉一些較小的洞口。底部腳手板采用翻板設(shè)計(jì)可對(duì)多變的建筑外立面進(jìn)行全封閉(圖15)，防止物體墜落，保障人員安全。

圖14 挑桿與主梁連接

圖15 底部腳手板全封閉效果

4 效益分析

本公司福州華潤(rùn)萬象城三期、長(zhǎng)樂融信長(zhǎng)島花園C地塊、福晟印江南、廈門翔安華潤(rùn)前海灣項(xiàng)目，均使用該體系的爬架。前兩個(gè)項(xiàng)目使用BIM技術(shù)進(jìn)行爬架的深化，后兩個(gè)項(xiàng)目采用傳統(tǒng)二維深化模式，通過橫向?qū)Ρ?，得出使用BIM技術(shù)對(duì)附著式升降腳手架進(jìn)行深化，有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)在爬架排版設(shè)計(jì)時(shí)，利用BIM技術(shù)將方案模型化，將土建模型與爬架模型進(jìn)行結(jié)合，驗(yàn)證爬架機(jī)位、主次龍骨排布的位置、間距的合理性，選出最優(yōu)的排布方案。在爬架施工前發(fā)現(xiàn)36處碰撞點(diǎn)，減少返工量，節(jié)約人工、材料、機(jī)械費(fèi)費(fèi)用3.5%，節(jié)省工期4.5%。

(2)對(duì)于復(fù)雜細(xì)部節(jié)點(diǎn)，可通過BIM技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化與出圖，提高了現(xiàn)場(chǎng)施工效率與質(zhì)量。通過變更修正，可節(jié)約費(fèi)用1.73%。

(3)對(duì)爬架的安裝、爬升和拆卸過程進(jìn)行BIM演示，發(fā)現(xiàn)15處安裝工序不合理之處，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，避免后期返工，統(tǒng)計(jì)節(jié)約工期2.9%。

(4)通過BIM軟件導(dǎo)出爬架各構(gòu)件的明細(xì)表，確定爬架材料的使用量，用于材料的進(jìn)出場(chǎng)管理。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，可節(jié)約因材料管理不當(dāng)造成的費(fèi)用達(dá)總費(fèi)用的0.9%。

(5)借助BIM三維可視化的特點(diǎn)，對(duì)工人進(jìn)行工藝交底，解決傳統(tǒng)書面交底不清晰的問題。合計(jì)完成交底12次，避免因交底不清造成返工，節(jié)約返工費(fèi)用1.85%，節(jié)約工期2.5%。

5 結(jié)論

通過本文分析得出，使用BIM技術(shù)對(duì)附著式升降腳手架進(jìn)行深化可從排版設(shè)計(jì)、細(xì)部深化、工序模擬、工程量統(tǒng)計(jì)、三維交底等多個(gè)方面入手，有效提高爬架的施工質(zhì)量與安裝效率，保障爬架的施工安全。通過效益分析得出，使用BIM技術(shù)深化可解決爬架80%圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的問題，提高安裝效率約10%，節(jié)約材料成本約8%。