基于BIM的變截面厚重弧形拱板高大模板施工探討

晉兆豐 余江川 胥悅 張文宇 李長(zhǎng)江

國(guó)內(nèi)“BIM技術(shù)”施工工藝在土建施工及管線綜合碰撞檢查中的應(yīng)用較為廣泛，然而“BIM技術(shù)”施工工藝尚未在復(fù)雜弧形拱板施工及大跨越梁板結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，理論數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)方面都比較匱乏。對(duì)模板支模體系施工研究，確保了厚重頂板結(jié)構(gòu)施工安全，提高定型加工精確性，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)字化，在經(jīng)濟(jì)效益和工期控制等方面具有良好的效果。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約材料，降低工程總價(jià)，難點(diǎn)可視化展示，保證了施工質(zhì)量及工期。

BIM； 變截面； 大模板

TP317.4 B

［定稿日期］2023-01-05

［作者簡(jiǎn)介］晉兆豐（1991—），男，碩士，工程師，主要從事BIM相關(guān)工作；余江川（1991—），男，本科，助理工程師，主要從事BIM相關(guān)工作；胥悅（1985—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事技術(shù)、質(zhì)量、安全等管理工作；張文宇（1987—），男，本科，工程師，主要從事建筑施工管理工作；李長(zhǎng)江 （1994—），男，本科，主要從事BIM相關(guān)工作。

國(guó)內(nèi)“BIM技術(shù)”施工工藝在土建施工及管線綜合碰撞檢查中的應(yīng)用較為廣泛，成功案例較多，在土建中的應(yīng)用也較為成熟，然而“BIM技術(shù)”施工工藝尚未在復(fù)雜弧形拱板施工及大跨越梁板結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，理論數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)方面都比較匱乏。本文結(jié)合實(shí)際介紹復(fù)雜弧形拱板施工及大跨越梁板結(jié)構(gòu)的BIM技術(shù)。

1 施工重難點(diǎn)

新建鐵路成都至自貢線天府機(jī)場(chǎng)段天府機(jī)場(chǎng)站二標(biāo)段項(xiàng)目，施工范圍為站后咽喉區(qū)DK60+176～DK60+640［1］，共464 m，主體結(jié)構(gòu)為六線變雙線（其中到發(fā)線4條，正線2條）的拱形現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，大鐵工程在DK60+109.474～DK60+502.315段下穿T2航站樓。支護(hù)設(shè)計(jì)采用采用噴錨支護(hù)和綠色裝配式支護(hù)；土方開(kāi)挖量約66萬(wàn)m3，抗拔樁568根。主體結(jié)構(gòu)底板寬度由60.3 m變化至19.3 m，結(jié)構(gòu)形式由五洞變化成單洞拱形現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，側(cè)墻高度由8.5 m，底板厚度1.8 m，外側(cè)墻厚度2 m（局部3 m），中隔墻厚度1 m，頂板厚度有2.5 m、2.8 m和3 m 3種形式。作為航站樓的基礎(chǔ)，其頂板呈弧形，最薄處厚度達(dá)2.5～3 m，隧道頂板設(shè)計(jì)為拱板，多跨鋼筋混凝土拱形結(jié)構(gòu)，拱板矢高相同，但凈寬度不規(guī)則漸變，由五拱收縮為單拱，弦長(zhǎng)與曲率沿隧道縱向各不相同，無(wú)法使用隧道臺(tái)車施工或預(yù)制拱圈滿足經(jīng)濟(jì)要求。

作為上部航站樓大廳基礎(chǔ)，該頂板厚度大、曲率大、自重重，且隧道凈空高、凈跨大，沿隧道方向凈寬不規(guī)則漸變，采用常規(guī)滿堂架支模體系須定制弧形型鋼龍骨，主龍骨制作成弧形且尺寸各不相同。精度要求高，加工難度大，技術(shù)交底困難多且安全風(fēng)險(xiǎn)大。

本工程高大模板主要包含外側(cè)墻（2 m、3 m）、中隔墻（1 m），搭設(shè)高度8.5 m；頂板（2.5 m、2.8 m、3 m）搭設(shè)高度9.95 m、11.75 m、12.25 m；框架梁（梁高3.92 m、6.25 m），搭設(shè)高度8.5 m，均為需專家論證的高大模板（圖1、圖2）。

2 對(duì)策

2.1 架體選型及技術(shù)參數(shù)

為確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量，保證混凝土的外型尺寸、外觀質(zhì)量都達(dá)到設(shè)計(jì)及業(yè)主要求，同時(shí)節(jié)約工期，選用最合理的模板及支撐體系和施工方法。模板體系的選擇遵循支拆方便、牢固可靠的原則，根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的構(gòu)件尺寸及工程實(shí)際情況，模板選用厚15 mm竹膠板。

大鐵頂板分為2次澆筑，滿堂架設(shè)計(jì)僅考慮承受第一次混凝土澆筑過(guò)程中的自重荷載和施工荷載，第二次混凝土澆筑過(guò)程中的自重荷載和施工荷載可由第一次混凝土結(jié)構(gòu)承受（第二次混凝土澆筑在第一次混凝土澆筑完成7天后進(jìn)行）。外側(cè)墻內(nèi)側(cè)模架采用單側(cè)支架，外側(cè)采用外桁架。支架由埋件系統(tǒng)和架體（包含移動(dòng)裝置）2部分組成，其中埋件系統(tǒng)部分包括：地腳螺栓、連接螺母、外連桿、碟形螺母、墊片和壓梁。支架每單元2.44 m，每個(gè)架體間距為800 mm（表1）。

邊側(cè)墻底板及腋角底板外側(cè)回填50 cm混凝土后，搭設(shè)支撐架。底板內(nèi)側(cè)腋角模采用定型模板，定型模板下部采用拉筋與底板鋼筋焊接，上部采用對(duì)拉螺桿與外側(cè)支撐體系相連。中隔墻采用定型模板，定型模板下部采用拉筋與底板鋼筋焊接，上部采用對(duì)拉螺桿相連。

2.2 模板設(shè)計(jì)

面板采用15 mm厚竹膠板，豎肋為200 mm×80 mm×40 mm木工字梁，橫肋采用雙12#槽鋼；木工字梁豎向間距為300 mm，第一道橫背楞距模板下端300 mm，其余間距為1 000 mm；在單塊模板中，多層板與豎肋（木工字梁）采用釘子連接，豎肋與橫肋（雙槽鋼背楞）采用連接爪連接，在豎肋上兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置吊鉤。2塊模板之間采用芯帶連接，用芯帶銷插緊，保證模板的整體性，使模板受力合理、可靠。

模板拼裝流程：放置背楞—木梁組裝—多層板上彈線下料—鋪面板—彈線鋪木梁豎肋上槽鋼背楞和吊鉤—釘端頭木方—模板吊升靠在堆放架上。

因設(shè)計(jì)圖紙要求，外側(cè)墻不能采用對(duì)拉螺桿，故外側(cè)墻模板采用桁架模板體系?；炷翝仓俣炔怀^(guò)0.6 m/h。

中隔墻采用對(duì)拉，對(duì)拉螺栓選用M14 mm型號(hào)，間距為500 mm×500 mm（計(jì)算按500 mm×500 mm進(jìn)行計(jì)算）。側(cè)模采用15 mm厚竹膠板面板。豎向主楞采用48×3.2 mm雙鋼管，間距500 mm，水平次楞采用100 mm×50 mm方木，間距250 mm（圖3）。

頂板支撐體系采用盤(pán)扣式腳手架，間距600 mm×600 mm，在靠近側(cè)墻部位加強(qiáng)為300 mm×600 mm。主楞采用100 mm×100 mm木枋，縱向布置，間距600 mm，次楞采用50 mm×100 mm木枋間距100 mm，面板采用15 mm厚的木模竹膠板。布置效果圖見(jiàn)圖4。

拱形頂板為多跨鋼筋混凝土拱形結(jié)構(gòu)，頂板超厚、跨度大、曲率大，沿隧道方向凈寬不規(guī)則漸變［2］，主龍骨制作成弧形且尺寸各不相同，利用BIM技術(shù)建成模型，直觀反映成形質(zhì)量。主龍骨采用3根弧形鋼管捆綁組合而成，沿隧道環(huán)向布置，在加工棚中利用BIM模型彎曲數(shù)字加工后運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，由立桿端部的頂托將其支撐。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙資料、加工方式、材料的不同對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行深化，確保模型中造型尺寸、線型曲線的正確，及時(shí)發(fā)現(xiàn)支模體系施工中不合理之處并做相應(yīng)的深化設(shè)計(jì)，并在軟件內(nèi)調(diào)整空間系坐標(biāo)，確定每段步距主要位置的定位點(diǎn)數(shù)據(jù)方便后期測(cè)量定位使用。根據(jù)通過(guò)BIM技術(shù)建立變截面厚重弧形拱板支撐體系模型，做到腳手架材料的精細(xì)化統(tǒng)計(jì)管理，自動(dòng)生成明細(xì)表，包含立桿高度、間距等參數(shù)。對(duì)腳手架安全系統(tǒng)進(jìn)行高度模擬保障，最大程度的降低施工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約施工成本，提高施工質(zhì)量。利用三維可視化手段輔助進(jìn)行零件深化，保證了零件加工精度，降低了次品率和材料損耗率，而且基于三維技術(shù)輔助更便于控制構(gòu)件表面曲度和整體精度，提高了構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)安裝精度，同時(shí)通過(guò)虛擬預(yù)拼裝提高了現(xiàn)場(chǎng)管理效率，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，減少了質(zhì)量和安全事故（圖5）。

3 效益分析

應(yīng)用BIM技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)為動(dòng)態(tài)監(jiān)管和主動(dòng)獲取信息，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行工程分解，拓展三維部件模型制作工序，獲取部件的規(guī)格尺寸、體積重量、材質(zhì)質(zhì)量等信息，在整個(gè)建造過(guò)程中提高工作效率和質(zhì)量。

3.1 成本分析

應(yīng)用BIM深化設(shè)計(jì)解決變截面厚重弧形拱板高大模板施工重難點(diǎn)，極大降低了腳手架搭設(shè)工人的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，本工法避免了采用重型龍骨，人工操作即可，無(wú)需起重機(jī)械輔助，使模架體系成本節(jié)約約30%。通過(guò)精細(xì)化模型，準(zhǔn)確控制周轉(zhuǎn)材料使用量，杜絕浪費(fèi)現(xiàn)象，最大程度地降低材料成本。

3.2 工期分析

由于利用BIM模型模擬施工過(guò)程，將工程施工中可能遇見(jiàn)的問(wèn)題一一通過(guò)模型進(jìn)行反映，減少安裝拆除返工，使高大模板體系在安裝時(shí)節(jié)約工期約30天，拆除時(shí)節(jié)約工期約30天。

3.3 協(xié)同分析

本項(xiàng)目高大模板及支撐體系施工的主要風(fēng)險(xiǎn)有：支架坍塌、失穩(wěn)、暴雨及洪災(zāi)、模板變形過(guò)大、火災(zāi)事故、觸電事故、有毒、有害環(huán)境、高處墜落或物體打擊、起重吊裝作業(yè)等。BIM模型可視化將高大模板體系中的各個(gè)環(huán)節(jié)及諸多施工難點(diǎn)展現(xiàn)，加強(qiáng)危險(xiǎn)源管控，有針對(duì)性地提升安全保證措施，利用BIM協(xié)調(diào)平臺(tái)便于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)。最大程度減小腳手架施工的風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率與安全質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文提供了一種基于BIM技術(shù)的高大模板體系施工方法，確保了厚重頂板結(jié)構(gòu)施工安全，提高定型加工精確性，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)字化，在經(jīng)濟(jì)效益和工期控制等方面具有良好的效果。

利用三維可視化手段輔助進(jìn)行零件深化，保證了零件加工精度，降低了次品率和材料損耗率，而且基于三維技術(shù)輔助更便于控制構(gòu)件表面曲度和整體精度，提高了構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)安裝精度，同時(shí)通過(guò)虛擬預(yù)拼裝提高了現(xiàn)場(chǎng)管理效率，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，減少了質(zhì)量和安全事故。

參考文獻(xiàn)

［1］ 莊棱凱.天府機(jī)場(chǎng)大鐵車站咽喉區(qū)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工方案研究［D］.重慶： 重慶大學(xué)，2018：5.

［2］ 王東冬.變截面厚重拱板的支模體系的探討［J］.磚瓦世界，2020（10）：91.