基于BIM技術(shù)的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工優(yōu)化研究應(yīng)用

任澤民，呂超，喬金麗，孔令川

（河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津300401）

基于BIM技術(shù)的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工優(yōu)化研究應(yīng)用

任澤民，呂超，喬金麗，孔令川

（河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津300401）

分析了BIM技術(shù)相較型鋼混凝土傳統(tǒng)施工方法的優(yōu)點.提出了基于BIM技術(shù)的型鋼混凝土施工優(yōu)化流程，利用BIM技術(shù)建立直觀形象的三維模型，對結(jié)構(gòu)重要部位進(jìn)行鋼筋碰撞檢查，找出碰撞原因，給出解決方案.詳細(xì)描述了通過BIM技術(shù)解決型鋼混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點鋼筋布置具體過程及優(yōu)勢.解決了實際工程中型鋼混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點的鋼筋布置這一施工難點.

BIM技術(shù)；型鋼混凝土；鋼筋碰撞；3D建模；優(yōu)化施工

0 前言

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是近年來被廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比承載力大、剛度大、抗震性能好，又比鋼結(jié)構(gòu)具有更好的防火性和穩(wěn)定性．但型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在施工中經(jīng)常會遇到型鋼梁柱節(jié)點區(qū)域鋼筋與型鋼發(fā)生碰撞的問題，這一問題的存在，使得型鋼混凝土梁柱節(jié)點處的鋼筋綁扎和錨固變得十分困難，進(jìn)一步影響梁柱節(jié)點處的混凝土澆筑，進(jìn)而對整個型鋼混凝土梁柱節(jié)點安全性產(chǎn)生負(fù)面影響[1]．

在具體施工過程中，設(shè)計圖紙檢查工作量大，施工交底困難多．設(shè)計方出具的施工圖紙由于專業(yè)劃分不同，設(shè)計人員素質(zhì)參差不齊，存在大量各專業(yè)圖紙相互矛盾、匹配不上的問題．進(jìn)行人工圖紙校驗和碰撞檢查工作費(fèi)時費(fèi)力．同時隨著建筑造型和結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，期望施工周期越來越短，因此對于建筑施工的協(xié)調(diào)管理和技術(shù)交底要求越來越高．而一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工難度高，施工交底困難大，傳統(tǒng)形式的技術(shù)交底面臨諸多難題．這2個問題會導(dǎo)致施工進(jìn)度滯后，施工成本增加，也給工程質(zhì)量安全帶來巨大隱患，不利于工程項目的管理[2]．

基于BIM技術(shù)強(qiáng)大的三維設(shè)計功能和模擬功能，具有三維可視化、協(xié)同性和信息可提取性的特點．在型鋼混凝土施工中引入BIM技術(shù)，建立三維模型，運(yùn)用相關(guān)軟件進(jìn)行碰撞檢查，優(yōu)化施工方案[3]．三維環(huán)境下進(jìn)行碰撞檢查可以快捷明了的發(fā)現(xiàn)節(jié)點中的碰撞問題，提前全面的反應(yīng)出施工設(shè)計的問題，可以節(jié)省人工檢查圖紙時間并提高準(zhǔn)確率．施工人員不用再翻閱海量的施工圖紙，只要打開定時維護(hù)的三維模型就能進(jìn)行施工方案討論和優(yōu)化，同時在BIM模式下進(jìn)行虛擬施工指導(dǎo)，直接使用三維模型進(jìn)行交底，降低施工交底難度，直觀簡潔、省時省力[4]．本文分析型鋼混凝土施工中的難點，結(jié)合BIM技術(shù)的特點提出基于BIM的型鋼混凝土施工優(yōu)化流程．在工程實例中利用BIM三維建模軟件，對型鋼梁柱節(jié)點進(jìn)行三維建模及施工模擬，提前發(fā)現(xiàn)施工過程中會發(fā)生的鋼筋型鋼碰撞問題，對型鋼節(jié)點進(jìn)行深化設(shè)計和施工優(yōu)化，提出解決方案，方便施工.

1 BIM技術(shù)概述

BIM英文全稱Building Information Model，意為建筑信息模型，其含義為利用創(chuàng)建的數(shù)字化模型對建設(shè)項目從設(shè)計到建造再到運(yùn)營的全生命周期進(jìn)行管理的理念、方法、技術(shù)和過程．BIM技術(shù)應(yīng)用于施工優(yōu)化的優(yōu)勢主要在于以下3點：1）可視化．BIM的可視化優(yōu)勢體現(xiàn)在能夠?qū)鹘y(tǒng)抽象的二維圖紙及工程信息轉(zhuǎn)化為形象具體的三維模型、視頻、圖表、圖像等形式形象直觀的展現(xiàn)在人們面前．從而達(dá)到由抽象到直觀、深入淺出的目的．2）風(fēng)險預(yù)警．二維設(shè)計中由于其本身設(shè)計手段的局限，錯漏碰缺在所難免．通過BIM技術(shù)在計算機(jī)上完成碰撞檢查、4D模擬施工等工作，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題和今后施工中可能遇到的問題，以便主動采取措施規(guī)避風(fēng)險，將問題和風(fēng)險盡量控制在項目前期，減少對后面的影響[5]．3）可模擬性和可出圖性．BIM不僅可以模擬設(shè)計出建筑物模型，更重要是可以進(jìn)行4D模擬施工，根據(jù)施工組織設(shè)計來模擬實際施工，確定合理施工方案．還可以自動生成常用的建筑設(shè)圖紙及構(gòu)件加工圖紙，碰撞檢查、檢測報告和改進(jìn)方案等文件．

2 基于BIM的型鋼混凝土施工優(yōu)化

由于結(jié)構(gòu)的形態(tài)日趨復(fù)雜，越來越多的工程鋼筋節(jié)點處非常密集，施工有比較大的難度，同時不少設(shè)計采用型鋼混凝土的結(jié)構(gòu)形式，在本已密集的鋼筋工程中加入了尺寸比較大的型鋼，帶來了新的矛盾[6]．通常表現(xiàn)如下：1）型鋼與箍筋之間的矛盾，大量的箍筋需要在型鋼上留孔或焊接；2）型鋼柱與混凝土梁接頭部位鋼筋的連接形式較為復(fù)雜，需要通過焊接、架設(shè)連接板或者貫通等方式來完成連接[7]；3）多個構(gòu)件相交之處鋼筋較為密集，多層鋼筋重疊，鋼筋本身的標(biāo)高控制及施工有著很大的難度．

利用BIM技術(shù)可以給施工單位一種很好的手段來與項目其他參與方進(jìn)行交流，共同解決以上問題．采用BIM技術(shù)對型鋼混凝土復(fù)雜節(jié)點進(jìn)行施工優(yōu)化設(shè)計，提前對重要部位的安裝進(jìn)行動態(tài)演示、施工方案預(yù)演和比選，實現(xiàn)三維指導(dǎo)施工，從而更加直觀化地傳達(dá)施工意圖，避免二次返工．

1）運(yùn)用Revit、Tekla等軟件根據(jù)圖紙進(jìn)行三維實體建模，直觀表達(dá)構(gòu)件尺寸、位置、配筋情況等施工信息．

2）用Naviswork等工具進(jìn)行碰撞檢測，根據(jù)檢測報告，在模型中調(diào)整鋼筋和型鋼，做出優(yōu)化方案．還應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場情況和規(guī)范進(jìn)行施工方案比選，選出最優(yōu)解決方案．

3）運(yùn)用模擬施工功能進(jìn)行工序模擬和施工交底，可制作三維施工模擬和技術(shù)交底動畫在技術(shù)交底會議上演示，最后可生成圖紙指導(dǎo)施工．

基于BIM技術(shù)型鋼混凝土施工優(yōu)化的流程如圖1.

圖1 基于BIM技術(shù)型鋼混凝土施工優(yōu)化流程圖Fig.1 The flow chart of construction optimization of steel reinforced concrete based on BIM

3 工程實例

3.1 工程概況

某大學(xué)機(jī)械、材料學(xué)院教學(xué)實驗樓，總建筑面積34 970.2 m2，地下1層，地上5層，為框架剪力墻結(jié)構(gòu)．建筑高度最高處23.75 m，首層層高5.7 m，2～5層層高4.2 m，型鋼設(shè)置范圍為1～5層，其中標(biāo)高18.25 m以上設(shè)置為鋼桁架．鋼梁采用焊接H型鋼，材質(zhì)為Q235B．根據(jù)原設(shè)計圖紙，利用BIM三維建模軟件對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模分析，尤其對型鋼梁柱節(jié)點施工進(jìn)行必要的施工優(yōu)化，確保施工可行性．

3.2 工程實例技術(shù)難點

工程結(jié)構(gòu)體系大，結(jié)構(gòu)節(jié)點復(fù)雜，尤其是型鋼混凝土節(jié)點處鋼筋密集，鋼筋與型鋼之間的碰撞問題，框架柱箍筋的就位及梁受力筋與型鋼的連接是型鋼混凝土施工的技術(shù)難點．為了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點能夠順利施工，項目部決定采用BIM技術(shù)輔助和優(yōu)化施工．運(yùn)用BIM技術(shù)將復(fù)雜繁瑣的節(jié)點構(gòu)造圖轉(zhuǎn)化為三維可視模型，并且運(yùn)用軟件對鋼筋節(jié)點施工過程進(jìn)行模擬施工，做到先模擬后施工（圖2為工程整體建模效果）.

通過三維實體建模發(fā)現(xiàn)，節(jié)點處鋼筋密集，穿插復(fù)雜，具體施工難點主要包括：

1）型鋼箍筋施工：型鋼混凝土柱采用四肢箍，型鋼截面為700×300，中間的箍筋均與型鋼相碰撞．型鋼與箍筋之間的矛盾，大量的箍筋要在型鋼上留孔或焊接．

2）梁柱節(jié)點處鋼筋施工：梁柱節(jié)點處鋼筋密集穿插復(fù)雜，梁柱箍筋加密區(qū)交匯同時與型鋼位置產(chǎn)生碰撞．型鋼柱與混凝土梁接頭部位鋼筋的連接形式較為復(fù)雜，需要通過焊接、架設(shè)連接板或者貫通的方法來連接．

3）多個構(gòu)件相交之處鋼筋密集，多層鋼筋重疊，鋼筋本身的標(biāo)高控制及施工有很大難處．

圖2 建模效果Fig.2 Modeling effect

3.3 BIM三維實體建模

利用BIM三維實體建模軟件，建立型鋼混凝土關(guān)鍵節(jié)點的三維實體模型．可以實現(xiàn)：1）三維多角度直觀顯示節(jié)點情況；2）準(zhǔn)確顯示鋼筋型號及位置，方便現(xiàn)場施工；3）進(jìn)行多層次鋼筋碰撞檢查；4）直接給出鋼筋用量，一目了然，方便快捷；5）可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工對接．

3.4 施工優(yōu)化方案

3.4.1 梁上下主筋優(yōu)化

原設(shè)計圖紙型鋼梁柱節(jié)點中，梁截面主筋配筋為6Φ25，在BIM三維模型中可發(fā)現(xiàn)梁主筋與型鋼柱翼緣板有碰撞沖突（如圖4），經(jīng)與設(shè)計單位進(jìn)行溝通，在滿足設(shè)計要求的前提下，調(diào)整最內(nèi)側(cè)主筋位置，將最內(nèi)側(cè)的兩根鋼筋位置下移，重新調(diào)整鋼筋間距，以方便梁主筋與型鋼柱的連接（如圖5、圖6）．在型鋼柱的翼緣上焊接鋼連接板，解決主筋無法穿過的問題．鋼連接板平行于鋼筋與型鋼柱翼緣垂直放置．保證梁鋼筋能正常綁扎錨固的同時確保了型鋼柱截面的完整性，不會降低型鋼的強(qiáng)度和剛度．參照三維模型，確定連接板焊接位置和構(gòu)件尺寸，保證施工質(zhì)量和施工進(jìn)度．

3.4.2 型鋼柱箍筋配筋優(yōu)化

圖3 鋼桁架模型Fig.3 Steel truss modeling

圖4 碰撞顯示Fig.4 Collision display

根據(jù)BIM三維模型可知，型鋼柱箍筋與型鋼柱腹板碰撞（如圖7），無法穿過腹板完成綁扎．因箍筋數(shù)量眾多，無法在型鋼腹板開孔讓鋼筋穿過，因為在型鋼截面開孔過多會大大降低型鋼的整體剛度，需進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處理無法保證施工進(jìn)度和質(zhì)量[8-10]．因此選取一種盡量少穿型鋼柱的布置方式，即在柱型鋼上設(shè)置加勁板（如圖8），將對稱箍筋改為插口箍筋，再將箍筋焊接在加勁板上．該方式既能滿足設(shè)計對于配箍率的要求，又能方便指導(dǎo)施工．

圖5 梁原配筋圖Fig.5 Former beam reinforcing bars

圖6 優(yōu)化后梁配筋圖Fig.6 Optimized beam reinforcing bars

圖7 柱箍筋與型鋼碰撞Fig.7 Collision display

圖8 加勁板優(yōu)化Fig.8 Optimized stiffening plate

3.4.3 梁柱節(jié)點位置鋼筋優(yōu)化

型鋼柱豎向鋼筋與梁型鋼碰撞（如圖9、圖10），將鋼筋在碰撞位置斷開，在型鋼上下翼緣板上焊接一個垂直于翼緣板的連接鋼板，再將鋼筋與鋼板焊接．對于梁柱節(jié)點區(qū)，由于箍筋的凈間距不足，需增大梁柱節(jié)點區(qū)域的箍筋設(shè)計間距．適當(dāng)減少箍筋數(shù)量，以柱箍筋為主，減少梁箍筋；梁和細(xì)柱中的拉筋不進(jìn)入節(jié)點處．箍筋多做成90°彎鉤焊成封閉箍筋．與翼緣板相遇的梁筋，梁受力筋與連接鋼板相焊．根據(jù)梁筋的排布位置，確定連接鋼板的標(biāo)高方向和尺寸，從而確定梁筋的焊接位置．

3.4.4 混凝土澆筑

在型鋼柱的混凝土施工中，整體鋼筋數(shù)量多且密集，混凝土澆筑不能一次成型，所以分為3次澆筑，第1次澆筑下層梁及下平板，第2次澆筑立柱及斜撐，第3次澆筑上層梁和上平板．由于型鋼混凝土梁柱節(jié)點位置鋼筋密集，內(nèi)部鋼筋情況復(fù)雜，澆搗混凝土前要提前確定振搗位置，保證振搗棒能夠抵達(dá)有效部位充分振搗．注意澆筑順序，在先澆的柱混凝土初凝前澆搗梁板混凝土，梁板混凝土要在初凝前再振搗一次．采用了此種方式進(jìn)行了普通混凝土的澆筑及振搗，效果良好．

圖9 梁柱節(jié)點處箍筋碰撞Fig.9 Collision display

圖10 柱縱筋與梁型鋼碰撞Fig.10 Collision display

4 結(jié)論

1）介紹分析BIM技術(shù)特點和應(yīng)用于型鋼混凝土施工優(yōu)化的適用性，提出了基于BIM技術(shù)的型鋼混凝土施工優(yōu)化方法和流程．

2）利用此方法在工程實例中成功運(yùn)用，對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點優(yōu)化鋼筋布置，并采用合理的連接處理方法，解決型鋼與鋼筋碰撞問題，減少型鋼梁柱節(jié)點鋼筋綁扎的工作難度；同時增加梁柱節(jié)點間混凝土澆筑空間，優(yōu)化混凝土澆注方式，提高混凝土澆筑質(zhì)量，節(jié)約工期，保證工程質(zhì)量和施工進(jìn)度．

3）工程實踐證明BIM技術(shù)能提高型鋼混凝土等復(fù)雜工程的施工效率和施工質(zhì)量，BIM技術(shù)將大大推動數(shù)字化施工、精細(xì)化施工的發(fā)展進(jìn)程，在工程建設(shè)中應(yīng)該加以推廣．

[1]崔偉鋒.基于BIM對型鋼混凝土梁柱節(jié)點施工優(yōu)化[J].廣東土木與建筑，2016（1）：32-33.

[2]劉占省，趙雪鋒.BIM技術(shù)與施工項目管理[M].北京：中國電力出版社，2015：100-103.

[3]丁烈云.BIM應(yīng)用·施工[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2015：70-75.

[4]江宇冠.BIM技術(shù)在某工程復(fù)雜節(jié)點鋼筋設(shè)計中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2013，42（24）：93-95.

[5]吳子昊.BIM技術(shù)在建筑施工進(jìn)程中的碰撞研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2013：19-20.

[6]楊震卿.BIM技術(shù)在超高層建筑工程深化設(shè)計中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2014，45（2）：115-118.

[7]陳麗華，李愛群.型鋼混凝土梁柱節(jié)點的研究現(xiàn)狀[J].工業(yè)建筑，2005，35（1）：56-57.

[8]陳洋，劉玉彬，趙培霞.型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2007，38（4）：280-282.

[9]混凝土結(jié)構(gòu)施工鋼筋排布規(guī)則與構(gòu)造詳圖：12G901-1[S].中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.

[10]混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖：11G101-1[S].中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.

[責(zé)任編輯 楊屹]

Application Research of Construction Optimization of Steel Reinforced Concrete Based on BIM

Ren Zemin,Lü Chao,Qiao Jinli,Kong Lingchuan
（College of Civil and Transportation,Hebei University of Technology,Tianjin,300401,China）

The advantages of BIM technology compared with the traditional construction method of steel reinforced concrete are analyzed.The optimization process of steel concrete construction based on BIM technology is put forward．The three-dimensional model of intuitive image is established by using BIM technology and the collision of steel bars is carried out to identify the causes of the collision and give the solution.The process and advantages of solving the layout of the complex steel joint of steel reinforced concrete by BIM technology are described in detail．Thus,the construction difficulties of the layout of complex steel joints of steel reinforced concrete in practical projects are solved．

BIM technology;steel reinforced concrete;steel clash;3D modeling;construction optimization

TU398.9

A

1007-2373（2017）04-0080-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.014

2017-02-28

任澤民（1964-），男，正高級工程師．通訊作者：喬金麗（1978-），女，副教授，40237614@qq.com.