BIM技術(shù)在提高碗扣式高支模施工安全穩(wěn)定性中的應(yīng)用

倪鵬飛 蔣志恒 劉國紅 安興才

（中建七局安裝工程有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

碗扣式高支模結(jié)構(gòu)是建筑工程項(xiàng)目施工中一種較為常見的支撐結(jié)構(gòu)，相比其他類型的支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有施工便捷、裝卸操作方便、使用靈活、單次投資成本低等優(yōu)勢。為了加大對碗扣式高支模結(jié)構(gòu)在市場中的推廣使用，為建筑企業(yè)發(fā)展提供助力，應(yīng)及時(shí)優(yōu)化此種結(jié)構(gòu)在使用中存在的缺陷與不足[1]。根據(jù)對建筑市場的不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，碗扣式高支模結(jié)構(gòu)引發(fā)的建筑市場安全問題依然存在。盡管施工方與監(jiān)理單位已在工程建設(shè)中采取了有效的措施進(jìn)行了優(yōu)化處理，相關(guān)工作并未取得顯著的成效，碗扣式高支模結(jié)構(gòu)在市場中仍存在較大的安全隱患[2]。究其原因，施工方認(rèn)為有三：一是模板支架用材不當(dāng)綜合承載性能不足；二是高支模支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理；三是工程建設(shè)中對碗扣式高支模存在操作不當(dāng)。為了降低施工現(xiàn)場安全隱患，提高碗扣式高支模施工的安全性與穩(wěn)定性，在本文此次的研究中，引進(jìn)BIM技術(shù)，通過對碗扣式高支模建立三維可視化模型的方式，及時(shí)掌握工程施工中的隱患點(diǎn)，以此保證對施工全過程的監(jiān)控，避免由于模板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成施工現(xiàn)場安全事故。

1 影響碗扣式高支模施工穩(wěn)定性的因素

1.1 原材料因素

《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)和《建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ59-2011)中明確要求了腳手架施工鋼管、連接件等所用材料的外觀要求、規(guī)格尺寸和質(zhì)量。然而，在材料的實(shí)際生產(chǎn)過程中，為降低生產(chǎn)成本增加利潤，使用不合格原料、偷工減料現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的鋼管連接件等材料達(dá)不到施工要求。施工方從生產(chǎn)廠家購買的構(gòu)件質(zhì)量較差，加之施工過程的重復(fù)使用，建筑工程施工現(xiàn)場的鋼管大多尺寸不符合要求，鋼管表面凹凸不平、裂縫壓痕等現(xiàn)象普遍存在；外徑、壁厚等偏差較大，表面銹蝕嚴(yán)重；扣件變形嚴(yán)重、螺栓銹蝕等，缺乏生產(chǎn)、檢測等證明材料，降低支撐體系的安全性能，而施工方的相關(guān)負(fù)責(zé)人在材料進(jìn)場時(shí)也未對其進(jìn)行抽樣檢測，給施工埋下了安全隱患。

1.2 方案設(shè)計(jì)因素

隨著建筑項(xiàng)目的大型化和異型化，高支模工程的施工也越來越復(fù)雜，尤其對于大跨度、高聳、曲面、異面建筑等。當(dāng)前很多施工單位認(rèn)為高支模只是臨時(shí)搭設(shè)的輔助性建筑結(jié)構(gòu)，對其施工并不重視，施工前沒有進(jìn)行專項(xiàng)方案設(shè)計(jì)，或者只是為了應(yīng)付檢查而編制的設(shè)計(jì)方案，沒有結(jié)合實(shí)際工程特點(diǎn)和國家相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，編制的方案往往不符合實(shí)際工程，設(shè)計(jì)計(jì)算、施工工藝等不滿足規(guī)范要求，影響高支模工程的安全性。同時(shí)鑒于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)成果是基于二維平面的，對于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處的施工難以細(xì)致表達(dá)設(shè)計(jì)思路和理念，因此在根據(jù)設(shè)計(jì)方案施工時(shí)很容易出現(xiàn)不安全事故。

1.3 現(xiàn)場操作技術(shù)因素

目前，高支模工程普遍存在不滿足施工要求、不按照規(guī)范施工，由此釀成的安全事故數(shù)不勝數(shù)。普遍存在的現(xiàn)象主要有：（1）未對地基做任何處理，導(dǎo)致地基沉降，支撐體系局部失穩(wěn)；（2）由于掃地桿離地面較近，工人不想彎下身子進(jìn)行安裝，往往忽視掃地桿的設(shè)置或掃地桿不按規(guī)范要求設(shè)置，導(dǎo)致架體底部受力不足；（3）未設(shè)置剪刀撐或剪刀撐設(shè)置太少，對于架體過高的高支模只設(shè)置豎向而沒有設(shè)置橫向剪刀撐，使架體缺乏整體穩(wěn)定性；（4）已完成部分的支架體系未與建筑物進(jìn)行可靠連接，工人在操作平臺(tái)上和料堆載造成受力偏心；（5）沒有按照規(guī)范要求搭設(shè)立桿橫桿，存在間距過大的情況以致承載力不足；（6）防護(hù)措施缺乏，沒有滿鋪擋腳板，搭接擋腳板長度不滿足要求；（7）復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處沒有詳細(xì)施工指導(dǎo)，工人憑借經(jīng)驗(yàn)施工，未考慮受力要求等；（8）現(xiàn)場施工人員安全帽與安全帶的使用不規(guī)范，隨意系帶。

2 BIM技術(shù)在提高碗扣式高支模施工安全穩(wěn)定性中的應(yīng)用

2.1 提高碗扣式模板支架材料承載力

為確保碗扣式高支模在施工中具有較高的穩(wěn)定性與安全性，在施工前就應(yīng)對其有效承載力進(jìn)行分析，避免結(jié)構(gòu)受力不均引起斷裂等事故。在此過程中，需要引進(jìn)BIM技術(shù)首先對立桿下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，選擇碗扣式高支模結(jié)構(gòu)中梁體分布較為密集的方向作為結(jié)構(gòu)承載力主要分布方向。參照Revit模型，繪制碗扣式高支模承載力結(jié)構(gòu)的切面圖，在結(jié)構(gòu)梁底位置，截取一個(gè)梁體最低點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)統(tǒng)一標(biāo)高[3]。使用Revit模型中的Midas Civil工具，對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，參照此種方式，對結(jié)構(gòu)中的橫桿部位、立桿部位、斜桿部位分別建立桿系結(jié)構(gòu)模型，保留約40.0%的梁端位置，用于釋放結(jié)構(gòu)的約束作用力。將模型中的斜桿梁體作為鉸支架，獲取在此種狀態(tài)下的支架梁體結(jié)構(gòu)自身重力?？紤]到碗扣式高支模在施工中的“底板桿體與主龍骨架”之間無法直接設(shè)置彈性壓力，此種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致水平約束力受到限制與影響，無法實(shí)現(xiàn)對負(fù)載力的有效傳遞，因此，可將結(jié)構(gòu)水平約束作用力與有效傳遞的荷載作用力作為其承載力，根據(jù)結(jié)構(gòu)中不同彈性部位之間的連接與受力傳遞對結(jié)構(gòu)體可以進(jìn)行正常的承載力受力分析。在受力分析過程中，將其承載力劃分為自重荷載、混凝土負(fù)壓荷載與活荷載，通過對荷載力向下傳遞，按照等效面積荷載法，即可計(jì)算得到碗扣式高支模的受力與荷載，綜合兩種作用力，得到結(jié)構(gòu)的有效承載力。

2.2 完善高支模施工技術(shù)參數(shù)監(jiān)控的方案設(shè)計(jì)

在提高碗扣式模板支架材料承載力的基礎(chǔ)上，利用BIM技術(shù)對碗扣式高支模施工過程中技術(shù)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以此種方式，保證結(jié)構(gòu)負(fù)載不超出其有效承載。

根據(jù)工程項(xiàng)目的常規(guī)施工與空間作業(yè)機(jī)理，確定碗扣式高支模的關(guān)鍵部位與承載力薄弱部位[4]。一般條件下，將模板中跨度較大的部位、懸挑梁部位作為施工中重點(diǎn)監(jiān)測的部位。利用BIM技術(shù)的可視化功能與三維建模功能，創(chuàng)建主體工程結(jié)構(gòu)、架體工程結(jié)構(gòu)模型，將結(jié)構(gòu)信息導(dǎo)入BIM安全監(jiān)測結(jié)構(gòu)中。增設(shè)結(jié)構(gòu)施工安全預(yù)警機(jī)制，確保施工作業(yè)現(xiàn)場中通信網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，在重點(diǎn)監(jiān)測部位與薄弱部位集成傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知或傳遞架體結(jié)構(gòu)的立桿傾斜角度、立桿位移、軸向傳導(dǎo)壓力等相關(guān)數(shù)值，并將獲取的數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入BIM安全監(jiān)測終端內(nèi)。

在碗扣式高支模實(shí)際施工作業(yè)時(shí)，安裝高精度的傳感儀器，并將其與信息自動(dòng)化采集裝置進(jìn)行對接。通過此種方式，確保對監(jiān)測點(diǎn)位置信息的實(shí)時(shí)捕捉，將捕捉的數(shù)據(jù)按圖1所示的流程，傳輸?shù)浆F(xiàn)場監(jiān)測終端，由終端技術(shù)人員與監(jiān)理人員負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)的受力與變形分析，以此實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的專項(xiàng)獲取與實(shí)時(shí)傳輸。

當(dāng)終端接收到碗扣式高支模施工數(shù)值后，為了確保對結(jié)構(gòu)異常的及時(shí)預(yù)警，可在監(jiān)測終端設(shè)定一個(gè)碗扣式高支模施工安全預(yù)警界線。當(dāng)前端反饋的數(shù)值超出施工預(yù)警界限后，安全監(jiān)測中心將主動(dòng)觸發(fā)施工現(xiàn)場安全穩(wěn)定性預(yù)警[5]。此時(shí)，現(xiàn)場報(bào)警器將顯示紅燈并發(fā)出預(yù)警警告。施工現(xiàn)場人員在發(fā)現(xiàn)預(yù)警行為后，將根據(jù)反饋信息的觸發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行失穩(wěn)點(diǎn)的定位，并結(jié)合施工進(jìn)度與實(shí)際情況，進(jìn)行架體目標(biāo)的綜合調(diào)整與分析，結(jié)合工程施工實(shí)際需求，采取專項(xiàng)措施對碗扣式高支模施工進(jìn)行調(diào)整，從而確保工程施工的安全性與穩(wěn)定性。

2.3 協(xié)助制定現(xiàn)場操作技術(shù)的安全措施

傳統(tǒng)的安全管理是以“經(jīng)驗(yàn)型”作為主要的管理方式，只有在事故發(fā)生后，才會(huì)針對其事故類型采取相應(yīng)的糾正措施，在給施工人員造成安全威脅的同時(shí)也給施工企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失和聲譽(yù)影響。而且其相應(yīng)的措施也是依據(jù)管理者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行的，缺乏針對性，并不能適應(yīng)于所有的高支模項(xiàng)目。隨著現(xiàn)代建筑的復(fù)雜性和獨(dú)特性，制定出符合實(shí)際高支模項(xiàng)目的安全管理系統(tǒng)是非常必要的。因此在高支模項(xiàng)目施工中引入BIM技術(shù)進(jìn)行安全管理，通過三維形式展示施工中可能出現(xiàn)的操作安全隱患，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況制定出對應(yīng)的安全管理措施，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行更新和調(diào)整，作為安全管理規(guī)則制定和安全措施的重要參考依據(jù)，對現(xiàn)場施工操作的安全性可以起到有效的保障作用。

3 實(shí)例應(yīng)用分析

通過分析影響碗扣式高支模施工安全因素的材料、設(shè)計(jì)方案、操作技術(shù)這三個(gè)方面，完成了BIM技術(shù)在碗扣式高支模施工安全穩(wěn)定性中的應(yīng)用研究，為了檢驗(yàn)BIM技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)是否可行，選擇重慶地區(qū)中迪廣場項(xiàng)目作為此次研究實(shí)例。

該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)施工占地面積為4.75萬m2，建筑總面積>85.0萬m2，屬于重慶地區(qū)內(nèi)大型綜合建筑，建筑內(nèi)集成了購物中心、住宅公寓、辦公寫字樓等建筑體。預(yù)期完成該項(xiàng)目的施工后，此建筑將成為重慶地區(qū)的地標(biāo)性建筑物，施工的覆蓋范圍為5~8號樓主體建筑與一個(gè)通道工程?？紤]到工程覆蓋區(qū)域較大，因此，此次只選擇項(xiàng)目中的6號樓作為研究對象，所選的建筑屬于項(xiàng)目中的宴會(huì)樓。

3.1 模板支架材料壁厚和綜合承載性能

此建筑的有效支撐面積為32.8m×26.9m，預(yù)設(shè)支撐高度為10.8m。支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域的橫梁截面面積為1800.0mm×4500.0mm，最大跨度為26.2m，支模板的厚度為115.0mm。為了確保支撐結(jié)構(gòu)具有較高的支撐作用力，引入BIM 技術(shù)對支撐體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)選Ф3.0mm×48.0mm的碗扣式鋼管架，支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 碗扣式高支模支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定性監(jiān)測方案

根據(jù)工程中的具體施工規(guī)范，對6號樓碗扣式高支模施工進(jìn)行安全穩(wěn)定性監(jiān)測。監(jiān)測過程中，按照本文設(shè)計(jì)的方法，先分析碗扣式高支模的綜合承載力與最大允許受力。同時(shí)，在施工現(xiàn)場綜合部署傳感器設(shè)備，獲取高支模施工技術(shù)參數(shù)。在監(jiān)控終端，設(shè)計(jì)碗扣式高支模結(jié)構(gòu)的預(yù)警值與發(fā)生報(bào)警的數(shù)值。此次設(shè)計(jì)的數(shù)值結(jié)合業(yè)主方需求與工程施工質(zhì)量需求，設(shè)計(jì)碗扣式高支模位移預(yù)警值為17.5mm，報(bào)警值為>21.8mm；主體結(jié)構(gòu)傾斜角度預(yù)警值為0.75°，報(bào)警值>1.0°；立桿軸向壓力的預(yù)警值為16.545kN，報(bào)警值>30.0kN。結(jié)合工程施工實(shí)際情況，在終端設(shè)置不同項(xiàng)目的預(yù)警值與報(bào)警值。在施工過程中，根據(jù)傳感器反饋的數(shù)值，利用BIM技術(shù)對結(jié)構(gòu)不同部位進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果觸發(fā)預(yù)警，需要根據(jù)預(yù)警結(jié)果進(jìn)行異常結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的定位，并根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度，進(jìn)行項(xiàng)目施工穩(wěn)定性與安全性調(diào)整。通過此種方式，實(shí)現(xiàn)對碗扣式高支模施工的穩(wěn)定性與安全性控制。在具體操作過程中，在監(jiān)控終端設(shè)備上統(tǒng)計(jì)施工中不同項(xiàng)目預(yù)警次數(shù)與報(bào)警次數(shù)，將其作為此次對比實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 碗扣式高支模施工預(yù)警次數(shù)與報(bào)警次數(shù)

從表2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，終端在進(jìn)行碗扣式高支模施工監(jiān)控時(shí)，共觸發(fā)了2次高支模位移預(yù)警、1次主體結(jié)構(gòu)傾斜角度預(yù)警、1次立桿軸向壓力預(yù)警與1次其他項(xiàng)目預(yù)警，但施工方在發(fā)現(xiàn)預(yù)警后，及時(shí)采取了措施進(jìn)行施工處理，實(shí)現(xiàn)了將后續(xù)報(bào)警次數(shù)控制在0次。根據(jù)竣工后項(xiàng)目施工方反饋，此次施工未發(fā)生任何由于碗扣式高支模施工不規(guī)范造成的安全失穩(wěn)問題。由此可以說明，BIM技術(shù)在碗扣式高支模施工安全穩(wěn)定性中的這種應(yīng)用具有一定可行性。

3.3 現(xiàn)場操作技術(shù)

BIM技術(shù)的提出與引進(jìn)給高支模施工現(xiàn)場操作安全管理帶來新的思路和方向。首先在施工前期，利用BIM技術(shù)建立三維效果圖，可對現(xiàn)場施工人員進(jìn)行三維技術(shù)交底，使工人能全面學(xué)習(xí)并掌握關(guān)鍵點(diǎn)和重點(diǎn)部位的施工工藝和步驟，避免在施工過程中出現(xiàn)技術(shù)錯(cuò)誤造成隱患；施工過程中可將模型與隱患部位相鏈接,可快速準(zhǔn)確查找危險(xiǎn)部位，大大提高施工現(xiàn)場安全檢查的效率；同時(shí)可改善傳統(tǒng)的手工填寫檢查資料，通過手持終端將各個(gè)檢查結(jié)果上傳到模型中，使管理人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場施工情況，針對存在的危險(xiǎn)情況及時(shí)做出調(diào)整和糾正。將BIM技術(shù)引入高支模安全管理與傳統(tǒng)安全管理相比如表3所示。

表3 基于BIM技術(shù)高支模安全管理優(yōu)勢

4 結(jié)束語

為了降低施工現(xiàn)場安全隱患，提高碗扣式高支模施工的安全性與穩(wěn)定性，本文研究中，引進(jìn)BIM技術(shù)，通過對碗扣式高支模建立三維可視化模型的方式，及時(shí)掌握工程施工中的隱患點(diǎn)，以此保證對施工全過程的監(jiān)控，避免由于模板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成施工現(xiàn)場安全事故。實(shí)踐證明，BIM技術(shù)在碗扣式高支模施工安全穩(wěn)定性中的應(yīng)用具有較高可行性，可以實(shí)現(xiàn)對施工現(xiàn)場安全的全面保障與優(yōu)化，徹底解決現(xiàn)場潛在的多種安全隱患。