基于BIM技術(shù)的建筑工程高支模監(jiān)測應(yīng)用與研究*

賽 菡，周冀偉，羅運(yùn)平，王 滔，劉 棟，田 芳，張佳媛

(中國建筑一局(集團(tuán))有限公司，北京 100073)

當(dāng)前，建筑工程體量、設(shè)計(jì)復(fù)雜性不斷提高，建筑平面布局和結(jié)構(gòu)類型多樣化、復(fù)雜化均對施工支撐體系提出更高要求，支撐體系的安全和穩(wěn)定顯得尤為重要。本文結(jié)合重慶中迪廣場高支模項(xiàng)目，研究基于BIM技術(shù)的建筑工程高支模監(jiān)測技術(shù)。

1 架體監(jiān)測概述

1.1 監(jiān)測基本原理

通過分析高大模板支撐體系在施工過程中的空間工作機(jī)理，施工前對高支模架體進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)方案驗(yàn)算結(jié)果確定支撐架體關(guān)鍵部位和薄弱部位，一般為跨度較大的梁板跨中、懸挑構(gòu)件端部及其他承受荷載較大或穩(wěn)定性較差的部位，施工中將其作為監(jiān)測的重點(diǎn)內(nèi)容。

施工前創(chuàng)建結(jié)構(gòu)工程、設(shè)計(jì)架體、監(jiān)測設(shè)備BIM模型，并將其導(dǎo)入BIM安全監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)中BIM模型與現(xiàn)場支撐體系、監(jiān)測報(bào)警器保持一致。在現(xiàn)場關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)安裝傳感器，實(shí)時(shí)采集支撐架體的立桿傾角、位移、軸壓力等數(shù)據(jù)，并及時(shí)將其導(dǎo)入BIM安全監(jiān)測系統(tǒng)。

施工中采用高精度傳感器和信息自動采集儀，實(shí)時(shí)捕捉監(jiān)測點(diǎn)位置信息，平臺實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析變形和受力情況，并與報(bào)警參數(shù)進(jìn)行即時(shí)對比。當(dāng)實(shí)測數(shù)值超過預(yù)警值時(shí)，BIM安全監(jiān)測平臺系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警提示，現(xiàn)場報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、超限預(yù)警、危險(xiǎn)報(bào)警等監(jiān)測目標(biāo)。專業(yè)監(jiān)測人員根據(jù)實(shí)際情況對架體進(jìn)行檢查、分析，采取處置措施，有利于保證工程施工安全。

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備布設(shè)

支撐架體搭設(shè)完成后安裝架體安全監(jiān)測系統(tǒng)，水平位移傳感器與水平位移扣件固定，保證傳感器彈性桿與墻柱保持垂直，預(yù)壓20mm。傾角傳感器與扣件固定后布設(shè)在架體立桿頂端，保證傾角傳感器處于水平狀態(tài)。軸壓傳感器安裝在立桿頂部U托與木方主楞之間，并適當(dāng)預(yù)壓。沉降監(jiān)測采用重錘式拉線位移計(jì)，通過頂部固定在模板次楞上的細(xì)鐵絲吊掛重錘，豎向位移傳感器布置在重錘正下方，傳感器彈性桿向上，調(diào)整重錘懸掛高度使彈性桿向下預(yù)拉 100mm 左右。在遠(yuǎn)離架體的安全地帶安裝數(shù)據(jù)采集基站，設(shè)置專用無線網(wǎng)絡(luò)。安裝完成后，將傳感器物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入BIM監(jiān)測系統(tǒng)，通過訪問BIM監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 智能監(jiān)測在高支模施工中的應(yīng)用

2.1 工程概況

重慶中迪廣場項(xiàng)目總占地面積4.5萬m2，總建筑面積80萬m2，是集大型購物中心、服務(wù)公寓、5A寫字樓和酒店于一體的城市綜合體，建成后將成為當(dāng)?shù)厣虡I(yè)新地標(biāo)，含5～8號樓及通道工程。本次監(jiān)測區(qū)域?yàn)?號樓宴會廳，支撐面積為33m×27m，高10.5m，支撐區(qū)域梁截面500mm×1 800mm，跨度為26.1m；板厚120mm；支撐體系材料主要為φ48mm×3mm扣件式鋼管架。其支撐設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 支撐設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

高支模樓層施工順序?yàn)椋轰摻罨炷脸辛χ┕ね戤叢⑦_(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再進(jìn)行水平構(gòu)件施工，在支撐體系施工時(shí)，采取足夠的結(jié)構(gòu)措施，確保架體與結(jié)構(gòu)柱連接牢固。監(jiān)測內(nèi)容包括模板沉降、立桿壓力、立桿傾角，其中豎向壓力監(jiān)測點(diǎn)(F)24個(gè)，立桿傾角監(jiān)測點(diǎn)(A)5個(gè)，豎向位移監(jiān)測點(diǎn)(D)7個(gè)。根據(jù)點(diǎn)位布置，將監(jiān)測點(diǎn)位分為12個(gè)區(qū)域，分別覆蓋主梁跨中、主梁1/4處、樓板中部等位置。監(jiān)測點(diǎn)位如圖1所示。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)位布置示意

2.3 監(jiān)測參數(shù)設(shè)置

按架體承載力設(shè)計(jì)值、材料規(guī)格和GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求確定監(jiān)測參數(shù)，通過對累計(jì)變化量和變化速率進(jìn)行控制，預(yù)警值及報(bào)警值如表2所示。

表2 監(jiān)測預(yù)警值及報(bào)警值

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)

施工前建立結(jié)構(gòu)和架體BIM模型，并導(dǎo)入基于BIM技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。通過監(jiān)測設(shè)備采集傳輸腳手架搭設(shè)、使用、維護(hù)階段的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)架體BIM施工安全動態(tài)實(shí)時(shí)更新，確保施工安全預(yù)警即時(shí)管理。

本項(xiàng)目分析數(shù)據(jù)來自BIM模型上掛接的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，利用BIM系統(tǒng)對各采集點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析(見圖2)。

圖2 數(shù)據(jù)采集示意

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、分析與研究

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

監(jiān)測部位梁板結(jié)構(gòu)施工采用1臺18m臂長布料機(jī)進(jìn)行澆筑作業(yè)，布料機(jī)在澆筑過程中移動2次覆蓋全部樓面，澆筑順序如圖3所示?；炷翝仓皢觾x器開始進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)，監(jiān)測部位的混凝土自2020年5月14日9：30開始正式澆筑，截至5月15日9：00澆筑施工完畢，在5月15日19：30監(jiān)測結(jié)束。監(jiān)測時(shí)傳感器采用1次/s的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在BIM安全系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理時(shí)，采用1次/min的數(shù)據(jù)頻率對數(shù)據(jù)整合后進(jìn)行分析。

圖3 澆筑順序

3.1.1梁下典型測點(diǎn)數(shù)據(jù)曲線(見圖4)。

注：編號F為豎向壓力(kN)，A為傾角(°)，D為沉降(mm)圖4 典型測點(diǎn)數(shù)據(jù)曲線

3.1.2梁下各測點(diǎn)數(shù)據(jù)對比

梁下測點(diǎn)壓力最大值與初始壓力值對比如表3所示，測點(diǎn)壓力最大值與穩(wěn)定壓力值對比如表4所示。

表3 梁下測點(diǎn)壓力最大值與初始壓力值 kN

表4 梁下測點(diǎn)壓力最大值與穩(wěn)定壓力值 kN

測點(diǎn)最大值與穩(wěn)定值(終凝時(shí)，澆筑后6～9h)之間的差值反映出模板支架在混凝土澆筑過程中受活荷載影響的大小。由表4可看出，測點(diǎn)變化值為0.1～0.9kN。按最大值換算出施工活荷載為：1.9/(0.5×0.45)=8.44kN/m2。

平均活荷載值：(1.3+1.4+0.6+1.9+1.8+1.2)/6/(0.5×0.45)=6kN/m2。

其中，布料機(jī)所在的5，8號測點(diǎn)并未明顯表現(xiàn)出活荷載差值大于其他位置。

3.1.3板下各測點(diǎn)數(shù)據(jù)對比

1)板下測點(diǎn)壓力最大值與初始壓力值對比如表5所示。此項(xiàng)差值的大小，代表在混凝土澆筑過程中支架所受到壓力大小。

表5 板下測點(diǎn)壓力最大值與初始壓力值對比 kN

2)板下測點(diǎn)壓力穩(wěn)定值與初始壓力值對比如表6所示。測點(diǎn)穩(wěn)定值取混凝土終凝時(shí)(6～9h)的傳感器壓力值，差值的大小代表鋼筋混凝土自重、模板自重等恒荷載對支架影響大小。由表6可知，測區(qū)11(F21)的位置，桿件所承受的恒荷載豎向壓力較大。測區(qū)3(F07)和測區(qū)6(F12)桿件所承受的恒荷載豎向壓力較小，與桿件初始壓力較大有關(guān)。

表6 板下測點(diǎn)壓力穩(wěn)定值與初始壓力值對比 kN

3)板下測點(diǎn)壓力最大值與穩(wěn)定值對比如表7所示。

表7 板下測點(diǎn)壓力最大值與穩(wěn)定值對比

此項(xiàng)差值的大小，代表活荷載影響的大小。由表7可知，測區(qū)4(F08)的位置，活荷載影響最大；測區(qū)10(F20)的位置，活荷載影響最小。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

1)架體安全性分析

將各測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與材料額定承載力、允許變形值進(jìn)行對比分析，實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)均小于額定值，架體的整體安全性很高(見表8)。

表8 重慶中迪廣場高支模監(jiān)測結(jié)果

2)立桿壓力數(shù)據(jù)分析

對比24個(gè)壓力傳感器數(shù)據(jù)，梁下立柱壓力2.1～6.5kN，平均值3.76kN；板下立柱支撐壓力3.7～5.6kN，平均值4.75kN。測得的板下立柱壓力值相對均勻，梁下各立柱荷載相差較大。在實(shí)際施工中，因立桿間距排布直接影響梁板受力，因此梁下和板下立柱的穩(wěn)定性考慮同等重要。

梁和板的壓力值分布并不均勻。在實(shí)際混凝土澆筑過程中，受人員、布料機(jī)、振搗因素等影響較大，活荷載直接影響桿件的豎向受力，活荷載影響支架的受力百分比為29.1%～7.1%，普遍在20%左右，并對架體的安全性產(chǎn)生直接影響。因此，在施工中應(yīng)適當(dāng)控制活荷載。

3)預(yù)應(yīng)力梁張拉完成后梁沉降變形監(jiān)測

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后對預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行張拉，在拆除梁底支撐體系時(shí)對梁底變形進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)梁底支撐體系拆除24h后，梁底沉降變形量<0.1mm(選用監(jiān)測儀器精度未達(dá)到0.1mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)未測出)。

由此可見，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的梁底沉降變形并不會隨著支撐體系的拆除而快速出現(xiàn)，其沉降是一個(gè)長期、緩慢的變化過程。

4 結(jié)語

基于BIM技術(shù)的智能監(jiān)測系統(tǒng)可對高支模施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和安全預(yù)警，大大提高高支模施工的安全保障。通過分析壓力、位移、傾角等監(jiān)測數(shù)據(jù)，可更加清晰地了解高支模施工過程中不同支撐桿件的受力、應(yīng)力分布及位移變化和穩(wěn)定過程，可進(jìn)一步直觀地了解活荷載的分布對高支模的安全影響，可定量分析施工過程中產(chǎn)生的活荷載和永久荷載在高支模施工中的分布及影響，對架體搭設(shè)、構(gòu)造加固、施工過程荷載控制等直接關(guān)系架體施工安全的因素有更深刻的認(rèn)識，為未來高支?？茖W(xué)施工、安全管理提供參考。