以BIM 為載體的模板與外腳手架工程量統(tǒng)計(jì)與優(yōu)化

李 少 旭

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,河北 石家莊 050081)

模板工程與外腳手架工程多存在于混凝土結(jié)構(gòu)工程施工中.模板工程是一種利用支撐及模板現(xiàn)澆混凝土而成型的構(gòu)造體系,支撐及固定模板的桿件、桁架、金屬附件等構(gòu)成支撐體系[1].外腳手架作為施工操作平臺(tái),有助于確保施工人員在高處進(jìn)行安全操作,是房屋建筑工程中最重要的工具之一[2].傳統(tǒng)的模板工程主要靠施工人員根據(jù)圖紙分析模板的搭設(shè)情況,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤差,且極易出現(xiàn)切割模板不合理,搭接施工失誤等情況,造成材料的嚴(yán)重浪費(fèi)[3].傳統(tǒng)的外腳手架統(tǒng)計(jì)模式相對(duì)落后,外腳手架統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確會(huì)造成外腳手架的需用量與實(shí)際施工中的使用量不一致,施工中常因缺少外腳手架構(gòu)件而造成事故[4].近年來(lái),隨著建筑規(guī)模的逐漸擴(kuò)大,工程建設(shè)難度逐漸增加,傳統(tǒng)的模板及外腳手架工程用量統(tǒng)計(jì)方法已無(wú)法滿足實(shí)際施工的需求.

而在傳統(tǒng)模板與外腳手架工程量統(tǒng)計(jì)中引入BIM(Building Information Modeling,譯為建筑信息模型)技術(shù),可使統(tǒng)計(jì)工作更加系統(tǒng)化與信息化.通過(guò)BIM 可視化的施工模擬,能對(duì)施工中所需模板及外腳手架的工程量進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)與優(yōu)化,有利于節(jié)約耗材,實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確提取工程量及工程量?jī)?yōu)化的目的.

石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院與河北天奕建設(shè)工程有限公司為長(zhǎng)期校企合作單位,雙方以航企生活保障基地項(xiàng)目為依托,以BIM 技術(shù)為載體,利用品茗B(niǎo)IM模板工程設(shè)計(jì)軟件V 3.0和品茗B(niǎo)IM 腳手架工程設(shè)計(jì)軟件V 2.1,實(shí)現(xiàn)了模板與外腳手架的工程量統(tǒng)計(jì),減少了模板與外腳手架安裝過(guò)程中存在的諸多安全隱患;同時(shí)在精確統(tǒng)計(jì)工程量的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了工程量統(tǒng)計(jì)的優(yōu)化,通過(guò)人工調(diào)整,用更加合理化的人工計(jì)算結(jié)構(gòu)荷載替換軟件計(jì)算的部分荷載,可有效節(jié)約施工成本.本文即對(duì)在航企生活保障基地項(xiàng)目中如何利用BIM 軟件進(jìn)行模板與外腳手架工程量的計(jì)算與優(yōu)化進(jìn)行分析.

1 BIM 模型創(chuàng)建

在項(xiàng)目中導(dǎo)入建筑CAD 圖紙,定義樓層標(biāo)高后,利用品茗B(niǎo)IM 模板工程設(shè)計(jì)軟件V 3.0從F1層開(kāi)始轉(zhuǎn)化軸網(wǎng),轉(zhuǎn)化完成后,檢驗(yàn)軸網(wǎng)間距及標(biāo)號(hào)是否正確,軸號(hào)是否有遺漏.檢測(cè)無(wú)誤后,刪除導(dǎo)入的CAD圖紙.導(dǎo)入項(xiàng)目梁的CAD 圖紙,在軟件中的顯示情況見(jiàn)圖1.

導(dǎo)入梁的CAD圖紙后,利用工具欄里“轉(zhuǎn)化梁”命令對(duì)CAD 圖中的梁進(jìn)行識(shí)別,設(shè)置梁寬范圍為100 mm～1 200 mm,梁最大合并距離為1 000 mm,點(diǎn)選識(shí)別樓層框架梁、樓層懸挑梁、框架連梁等梁識(shí)別符號(hào),為無(wú)標(biāo)注的梁進(jìn)行缺省梁高設(shè)置,以便于后期校驗(yàn)和查改.轉(zhuǎn)化完的局部梁的截屏圖見(jiàn)圖2.

圖1 在BIM 軟件中導(dǎo)入梁的CAD 圖紙后的截圖

圖2 在BIM 軟件中完成轉(zhuǎn)化的局部梁的截圖

分別導(dǎo)入墻與柱的CAD 圖紙,利用“轉(zhuǎn)化墻”和“轉(zhuǎn)化柱”命令對(duì)CAD 圖中的墻與柱進(jìn)行識(shí)別,設(shè)置墻的糾偏角為0.5°.點(diǎn)選識(shí)別樓層框架柱、構(gòu)造柱、暗柱等柱識(shí)別符號(hào).轉(zhuǎn)化前,勾選門(mén)窗洞,便于一次性完成建筑開(kāi)洞.完成轉(zhuǎn)化的局部墻與柱的截圖見(jiàn)圖3.

圖3 在BIM 軟件中完成轉(zhuǎn)化的局部墻與柱的截圖

主體結(jié)構(gòu)完成后,為模板布置設(shè)計(jì)參照規(guī)范.本項(xiàng)目參照規(guī)范為《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ 130—2011[5],設(shè)置項(xiàng)目地區(qū)為河北省,項(xiàng)目風(fēng)壓為10年一遇,且位于有密集建筑群的市區(qū),定義基本風(fēng)壓為0.25 k N/m2.定義好的部分計(jì)算參數(shù)還需結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行修改.

2 模板工程量的統(tǒng)計(jì)與優(yōu)化

2.1 模板工程模型創(chuàng)建

首先,設(shè)置模板的構(gòu)造做法.對(duì)墻、柱、梁、板等不同構(gòu)件設(shè)置面板及方木,如設(shè)置方木高為80 mm、寬為60 mm 等,鋼管選取直徑為48 mm、壁厚為3.5 mm、材質(zhì)為Q235 的鋼材,面板為18 mm 覆面木膠合板,對(duì)拉螺栓選取M14螺栓,扣件為碗扣式.軟件自定義會(huì)給出材料的截面慣性矩、抵抗矩和彈性模量等屬性值,但仍需人為校核.設(shè)置完成的部分構(gòu)造做法的截圖見(jiàn)圖4.

其次,在模板布置參數(shù)設(shè)置中,設(shè)置梁底立桿的縱向、橫向間距及范圍,梁側(cè)對(duì)拉螺栓的縱向、豎向間距及范圍,墻對(duì)拉螺栓縱向、豎向間距及范圍,板底次楞/小梁間距及范圍,板底立桿的縱向間距及范圍,梁底附加支撐主楞間距及范圍等數(shù)值.

再次,對(duì)建筑物設(shè)置的計(jì)算參數(shù)、構(gòu)造做法、桿件材料進(jìn)行智能布置,并設(shè)置梁支架、連墻件,對(duì)局部位置采用手動(dòng)布置梁、水平剪刀撐及豎向剪刀撐.布置完成后,利用軟件進(jìn)行智能優(yōu)化和安全復(fù)核檢查.布置完成的局部模板布置圖的界面截圖見(jiàn)圖5.

圖4 在BIM 軟件中設(shè)置的部分模板構(gòu)造做法的顯示界面截圖

圖5 在BIM 軟件中布置完成的局部模板布置圖的界面截圖

2.2 工程量統(tǒng)計(jì)與優(yōu)化

模板布置完成后,利用軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出模板構(gòu)件中的需求混凝土(砼)用量,覆面木膠合板用量,立桿、橫桿、主梁、小梁、對(duì)拉螺栓、固定支撐、底板、墊板及扣件數(shù),材料統(tǒng)計(jì)完成后,列出材料統(tǒng)計(jì)表,并利用軟件材料反查報(bào)表,對(duì)模板支架缺項(xiàng)、漏項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)充.統(tǒng)計(jì)的部分?jǐn)?shù)據(jù)截圖見(jiàn)圖6.

圖6 在BIM 軟件中統(tǒng)計(jì)的部分模板工程量數(shù)據(jù)截圖

模板工程量數(shù)據(jù)完成后,結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目,調(diào)整模板工程量.如依據(jù)《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[6]《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》[7]等,對(duì)YXKZ15柱模板的模板布置進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整后工程第一至第六道主梁上支撐點(diǎn)距柱底距離分別為100 mm,700 mm,1 300 mm,1 900 mm 和2 500 mm.

確定該構(gòu)件工程屬性后,依據(jù)模板布置調(diào)整后支撐構(gòu)造,統(tǒng)計(jì)計(jì)算各項(xiàng)荷載,得出荷載概況及新澆混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值.

調(diào)整荷載后,采用新的覆面木膠合板,新面板抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f取15 N/mm2,面板厚度h為18 mm,面板彈性模量E為6 000 N/mm2,對(duì)面板進(jìn)行驗(yàn)算.根據(jù)規(guī)范,面板驗(yàn)算按簡(jiǎn)支梁計(jì)算.梁截面寬度取單位寬度即b=1 000 mm,可計(jì)算得出截面模量W=bh2/6=1000×182/6=54 000 mm3,凈距(慣性矩)I=bh3/12 = 1000 × 183/12 =486 000 mm4.

考慮工程實(shí)際和驗(yàn)算簡(jiǎn)便,在驗(yàn)算時(shí)不考慮有效壓頭高度對(duì)面板的影響.

(1)強(qiáng)度σ驗(yàn)算

計(jì)算強(qiáng)度σ的驗(yàn)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖7.梁的均布荷載q=bSmax=1.0×44.87=44.87 k N/m.

圖7 模板調(diào)整荷載后的強(qiáng)度驗(yàn)算簡(jiǎn)圖

彎矩Mmax在l為200 mm 即0.2 m 時(shí)為:

Mmax=ql2/8=44.87×0.22/8=0.22 k N·m.

計(jì)算強(qiáng)度值σ=Mmax/W=0.22×106/54000=4.074 N/mm2,小于規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=15.000 N/mm2,因此,強(qiáng)度滿足要求.

(2)撓度γ驗(yàn)算

驗(yàn)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖8.梁的均布荷載q′=bS′max=1.0×35.48=35.48 k N/m.

圖8 模板調(diào)整荷載后的撓度驗(yàn)算簡(jiǎn)圖

撓度驗(yàn)算,γmax=5ql4/(384EI)=5×35.48×2004/(384×6000×486000)=0.25 mm,小于規(guī)范規(guī)定的撓度設(shè)計(jì)值0.80 mm.

經(jīng)驗(yàn)算,撓度滿足要求.

對(duì)主梁、小梁、對(duì)拉螺栓分別驗(yàn)算,結(jié)果均滿足規(guī)范要求.

優(yōu)化后,本工程模板支架的傳力體系為:樓板上部荷載傳遞給樓板底模,樓板底模通過(guò)木楞分別傳遞給橫向水平鋼管與豎向鋼管立桿,最后傳遞至結(jié)構(gòu)層樓板.優(yōu)化設(shè)計(jì)確保了模板支撐體系的安全性,模板支撐體系的搭設(shè)通過(guò)三維模擬施工一目了然,便于施工方掌握各種施工工況及荷載作用下的模板實(shí)際變形量.

為確保模板搭設(shè)允許偏差及監(jiān)測(cè)變形允許值、預(yù)警值在規(guī)范范圍內(nèi),分別選取受力最大的立桿,支架周邊穩(wěn)定性薄弱的立桿及受力最大或地基承載力低的立桿設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn),并設(shè)變形監(jiān)測(cè)報(bào)警值.監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,模板搭設(shè)允許偏差及監(jiān)測(cè)變形允許值、預(yù)警值均符合規(guī)范要求.

模板優(yōu)化布置后,利用軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出模板構(gòu)件的需求混凝土(砼)用量,覆面木膠合板用量,立桿、橫桿、主梁、小梁、對(duì)拉螺栓、固定支撐、底板墊板及扣件數(shù).更新的局部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9.

3 外腳手架工程量的統(tǒng)計(jì)與優(yōu)化

3.1 外腳手架工程模型創(chuàng)建

本工程中外腳手架主要包括立桿、橫桿、縱/橫向掃地桿、工字鋼、連墻件、剪刀撐、安全網(wǎng)、腳手板等構(gòu)件.要做到準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)外腳手架用量,解決施工安全問(wèn)題,需要首先進(jìn)行外腳手架工程模型的創(chuàng)建.

在軟件的“構(gòu)造做法”菜單中,為腳手架布置參照公共做法.架體構(gòu)造步距為1 500 mm,掃地桿高度為200 mm,底座用木墊板,立桿伸出頂層水平桿中心線至支撐點(diǎn)的距離為200 mm,立桿到梁邊的距離為500 mm,到墻邊的距離為400 mm,到柱邊的距離為400 mm.

對(duì)附加水平桿間距范圍、懸挑主梁縱向間距范圍、立桿縱向間距范圍、立桿橫向間距范圍及縱橫向水平桿布置方式進(jìn)行定義.

此外,還需定義本工程項(xiàng)目所用鋼管的型號(hào)、規(guī)格、尺寸及重量,以便后續(xù)進(jìn)行用量統(tǒng)計(jì).型鋼均采用工字鋼,同樣需要定義其型號(hào)、規(guī)格、尺寸等參數(shù).定義好的部分外腳手架材料數(shù)據(jù)截圖見(jiàn)圖10.

圖9 經(jīng)BIM 軟件優(yōu)化后的部分模板工程量數(shù)據(jù)截圖

圖10 在BIM 軟件中定義好的部分外腳手架材料數(shù)據(jù)截圖

設(shè)置外腳手架其他附加件.圍護(hù)桿件中腳手板鋪設(shè)采取兩步一設(shè);擋腳板采取兩步一設(shè);高度設(shè)置為200 mm;防護(hù)欄桿布置采取兩步一設(shè),欄桿設(shè)置為兩道,高度依次為600 mm 和1 200 mm;安全網(wǎng)采取全封閉設(shè)置;底部懸挑架不設(shè)置硬質(zhì)防護(hù).

所有參數(shù)設(shè)置完成后,利用軟件智能識(shí)別建筑輪廓線,對(duì)架體進(jìn)行分段生成,智能布置架體、連墻件、圍護(hù)構(gòu)件、剪刀撐.對(duì)局部進(jìn)行手動(dòng)布置架體、手動(dòng)繪制剪刀撐,并進(jìn)行架體安全復(fù)核檢查.創(chuàng)建完成的局部外腳手架工程模型截圖見(jiàn)圖11.

圖11 在BIM 軟件中創(chuàng)建完成的局部外腳手架工程模型截圖

3.2 工程量統(tǒng)計(jì)與優(yōu)化

外腳手架布置完成后,利用軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出外腳手架構(gòu)件中需要的立桿、水平桿、剪刀撐、連墻件、墊板、單扣件、旋轉(zhuǎn)扣件的用量等數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)完成后,列出材料統(tǒng)計(jì)表,并利用軟件材料反查報(bào)表,對(duì)缺項(xiàng)、漏項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)充.統(tǒng)計(jì)的部分?jǐn)?shù)據(jù)截圖見(jiàn)圖12.

圖12 在BIM 軟件中統(tǒng)計(jì)的部分外腳手架工程量數(shù)據(jù)截圖

外腳手架工程量數(shù)據(jù)完成后,需人為結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目,調(diào)整外腳手架的工程量.如1LD1-30多排腳手架,依據(jù)《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[8]《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》[5]對(duì)外腳手架布置進(jìn)行調(diào)整,參數(shù)為外腳手架搭設(shè)兩排,架體離地高度為0.45 m,立桿縱距或跨距為1.5 m,立桿步距為1.8 m,構(gòu)造簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖13.

對(duì)外腳手架參數(shù)調(diào)整后的各項(xiàng)荷載進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,得出荷載情況.

同時(shí),對(duì)縱向水平桿調(diào)整,縱、橫向水平桿布置方式為縱向水平桿在上,橫向水平桿上縱向水平桿根數(shù)n=1,橫桿抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205 N/mm2,橫桿截面慣性矩I=127 100 mm4,橫桿彈性模量E=206 000 N/mm2,橫桿截面抵抗矩W為5 260 mm3,并驗(yàn)算.驗(yàn)算時(shí),取多排腳手架中最大橫距段作為最不利計(jì)算,驗(yàn)算其抗彎、撓度及支座反力.對(duì)橫向水平桿、扣件抗滑承載力、立桿穩(wěn)定性、連墻件承載力、立桿地基承載力分別驗(yàn)算,結(jié)果均滿足規(guī)范要求.

圖13 外腳手架參數(shù)調(diào)整后的構(gòu)造簡(jiǎn)圖

外腳手架優(yōu)化布置后,利用軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出外腳手架構(gòu)件中立桿、水平桿、剪刀撐、連墻件、墊板、單扣件、旋轉(zhuǎn)扣件的用量等,更新后的局部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖14.

圖14 在BIM 軟件中優(yōu)化完成后的部分外腳手架工程量數(shù)據(jù)截圖

4 結(jié)語(yǔ)

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展,模板和外腳手架的使用越來(lái)越多.利用BIM 技術(shù),可將傳統(tǒng)模板與外腳手架的統(tǒng)計(jì)工作轉(zhuǎn)化為三維可視化的施工模擬統(tǒng)計(jì)工作.航企生活保障基地工程通過(guò)利用品茗B(niǎo)IM 模板工程設(shè)計(jì)軟件V 3.0和品茗B(niǎo)IM 腳手架工程設(shè)計(jì)軟件V 2.1進(jìn)行構(gòu)件三維可視化統(tǒng)計(jì)與優(yōu)化,準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)了外腳手架和模板的工程量,并進(jìn)行了工程量?jī)?yōu)化.在模板覆面木膠合板用量中,將異形膠合板整合為普通膠合板,提升了工作效率.在腳手架優(yōu)化中,合理布置了立桿、橫桿、主梁、小梁的位置關(guān)系,刪減了冗余連墻件、墊板和扣件量,使結(jié)構(gòu)布置更為合理.通過(guò)軟件的布置、調(diào)整及后期的人為優(yōu)化,節(jié)約了建筑耗材,減少了建設(shè)成本,贏得了企業(yè)的好評(píng).