基于bim技術(shù)的混凝土曲面建筑模板設(shè)計(jì)與施工

基于bim技術(shù)的混凝土曲面建筑模板設(shè)計(jì)與施工

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展以及人民生活質(zhì)量的提高，豐富的建筑造型已成為城市建設(shè)的集中體現(xiàn)。其中，曲面建筑以其優(yōu)美的曲線、柔和的氣質(zhì)廣受大眾喜愛。但在施工過(guò)程中，不論是鋼結(jié)構(gòu)曲面還是混凝土曲面，都往往會(huì)遇到施工工藝復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)、施工條件多樣等情況。其中混凝土曲面的挑戰(zhàn)集中表現(xiàn)為模板模架工程的精細(xì)化管理。俞青等眾多工程實(shí)踐表明，要在較短的施工周期內(nèi)，使曲面混凝土建筑達(dá)到在安全完成高品質(zhì)工程的同時(shí)有效控制和降低成本的目標(biāo)，應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化具有明顯的成效。本文以西安市幸福林帶建設(shè)工程地下空間B1段籃球羽毛球館為例，采用BIM技術(shù)，探索智能化模架在曲面屋頂中的應(yīng)用方案。1應(yīng)用概念和理論依據(jù)1.1模架搭設(shè)優(yōu)化模架搭設(shè)與模板鋪設(shè)是以混凝土為主體結(jié)構(gòu)存在的曲面結(jié)構(gòu)的主要施工難點(diǎn)，而這兩個(gè)方面也是精細(xì)化管控的主要出發(fā)點(diǎn)。模板在材料方面主要可以通過(guò)降低損耗率、提升周轉(zhuǎn)率來(lái)降低成本，在人工方面主要通過(guò)簡(jiǎn)化模板拼接難度、縮短作業(yè)時(shí)間來(lái)提高工作效率。模架搭設(shè)優(yōu)化主要為人力優(yōu)化，基本的優(yōu)化思路是：利用模型提取模架立桿標(biāo)高，減少模架工人工作量；利用二次開發(fā)插件，提高提取模架立桿標(biāo)高的效率，減輕BIM工作人員的工作量。西安市幸福林帶建設(shè)工程地下空間B1段籃球羽毛球館屋面為三維雙曲異形混凝土結(jié)構(gòu)（見圖1）。屋面標(biāo)高差異巨大（最低點(diǎn)10.65m，最高點(diǎn)20.55m，最大坡度1.2），平面為不規(guī)則雙向曲面，且坡度隨高度不斷變化，涉及異形構(gòu)件數(shù)量多，采用傳統(tǒng)工法無(wú)法精確進(jìn)行雙曲屋面的模板展開面積、鋼筋及混凝土用量的統(tǒng)計(jì)，不利于成本管控?；贐IM技術(shù)，根據(jù)雙曲面構(gòu)件詳圖、BIM三維坐標(biāo)定位圖，科學(xué)合理地選擇模板架體支撐布置體系，可以使整個(gè)建造過(guò)程更加高效精準(zhǔn)。1.2復(fù)雜曲面立桿設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)途徑準(zhǔn)確搭設(shè)鋼管模板體系是整個(gè)屋面施工的重中之重。該項(xiàng)目雙曲屋面南北長(zhǎng)120m，寬約51.7m，為井字梁結(jié)構(gòu)，主梁均為超限梁，斷面尺寸主要為700mm×2200mm，且有700mm×1300mm加腋部位（見圖2）。隨著曲面屋面的連續(xù)變化，頂板立桿高程、主次梁底立桿高程也隨屋面進(jìn)行1.2m～10.5m的高度變換。若使用傳統(tǒng)施工方式，需要通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)高一一計(jì)算核對(duì)每根立桿標(biāo)高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也容易出錯(cuò)。而通過(guò)BIM三維模型及軟件二次開發(fā)，加入復(fù)雜曲面立桿設(shè)計(jì)功能，則可將立桿所在位置的板厚、梁高依次去除，一鍵生成施工現(xiàn)場(chǎng)全部立桿，并利用明細(xì)表提取各個(gè)立桿高程，以此作為依據(jù)，輔助現(xiàn)場(chǎng)施工。圖3～圖5分別給出了立桿模型生成、立桿模型和立桿高程點(diǎn)。2施工技術(shù)應(yīng)用混凝土雙曲屋面涉及異形構(gòu)件數(shù)量多，采用傳統(tǒng)工法無(wú)法精確進(jìn)行雙曲屋面的模架排布、模板展開面積、鋼筋及混凝土用量的統(tǒng)計(jì)，不利于成本管控。針對(duì)混凝土雙曲屋面的上述特點(diǎn)，通過(guò)應(yīng)用BIM技術(shù)解決雙曲屋面測(cè)量定位體系復(fù)雜、屋面各點(diǎn)標(biāo)高難以控制、各類材料用量計(jì)算難度大精度低等施工技術(shù)難點(diǎn)。整體應(yīng)用主要分為以下4個(gè)階段：方案初步設(shè)計(jì)、施工優(yōu)化、施工技術(shù)攻關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)施工（見圖6）。其中施工優(yōu)化、施工技術(shù)攻關(guān)為現(xiàn)場(chǎng)施工解決根本技術(shù)難題，保證方案初步設(shè)計(jì)的最優(yōu)表達(dá)。2.1有限元分析及提交優(yōu)化該階段主要通過(guò)模型的綜合應(yīng)用，完成雙曲屋面的曲面找形（見圖7）、結(jié)構(gòu)定位（見圖8、圖9）、凈高分析，形成文件后提交設(shè)計(jì)專業(yè)進(jìn)行有限元分析，同時(shí)提交施工單位進(jìn)行施工優(yōu)化。2.2散沖突模板段根據(jù)設(shè)計(jì)師的方案構(gòu)想，雙曲屋面為平滑線條的弧形梁板，造型非常優(yōu)美。但在施工過(guò)程中，要形成混凝土的平滑弧線，需要在模板支設(shè)過(guò)程中，將模板分為梁0.6m×梁寬（見圖10）、板0.6m×0.6m的散拼木模，切割與拼裝工程量巨大。經(jīng)與設(shè)計(jì)方的協(xié)調(diào)溝通，將整體的弧線梁根據(jù)井字梁的交點(diǎn)改為“逢梁必折”的折線梁，直接將梁模板的長(zhǎng)度從原有的0.6m提升至1.8m（見圖11），進(jìn)而縮短了模板切割時(shí)間與組裝拼接時(shí)間，減少了模板損耗率，加快了施工進(jìn)度，縮短了施工周期。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果調(diào)整及施工優(yōu)化結(jié)果，重構(gòu)屋面模型，驗(yàn)證屋面滿足原方案效果。2.3梁板模架一體化驗(yàn)算混凝土雙曲屋面的施工難點(diǎn)主要為模板模架的搭設(shè)。因各主梁、次梁均為折線梁，有別于傳統(tǒng)平梁平板的計(jì)算。南北向梁板（見圖12）上下行對(duì)稱弧線位置的混凝土澆筑時(shí)為對(duì)向受力，可相互折減，對(duì)滿堂架的側(cè)壓力較?。粬|西向弧線（見圖13）為西高東低，無(wú)對(duì)向受力，整個(gè)滿堂架整體具有單向側(cè)壓力，易發(fā)生傾覆。故選用具有斜向拉接功能的盤扣式腳手架，并增加水平剪刀撐密度，提高滿堂架的整體受力。同時(shí)使用Midas在梁板模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維梁板模架一體化驗(yàn)算。通過(guò)模架安全專項(xiàng)計(jì)算，立桿的橫縱向間距均不大于900mm，步距不得大于1500mm，頂部自由端長(zhǎng)度不大于650mm，部分大體積梁底需回頂1-2跟立桿。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，進(jìn)行模架排布。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中提供的平面輪廓邊界線與縱剖斷面的設(shè)計(jì)標(biāo)高輪廓線，將點(diǎn)位輸入至軟件中，獲得雙曲混凝土屋面的三維點(diǎn)陣，按三點(diǎn)成弧的原理，用模型線命令將三維點(diǎn)陣擬合成弧，最終生成雙曲屋面的實(shí)體載入到項(xiàng)目環(huán)境中（見圖14），通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的剖面提取相應(yīng)部位的剖面數(shù)據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。將模架排布圖導(dǎo)入Revit的項(xiàng)目環(huán)境中，采用《隧道與復(fù)雜曲面立桿設(shè)計(jì)軟件》插件創(chuàng)建BIM支模架模型，相關(guān)支模架的數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)先專家評(píng)審的專項(xiàng)施工方案進(jìn)行輸入，再細(xì)部調(diào)整。通過(guò)提取支模架的明細(xì)表，獲取支模架的高度，提取相關(guān)參數(shù)（見圖15）。2.4盤扣架搭設(shè)(1）水平投影放線。根據(jù)《模架排布圖》與《模架立桿標(biāo)高詳圖》的尺寸定位，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精細(xì)化放線，勞務(wù)工人嚴(yán)格按照放線進(jìn)行立桿位置確認(rèn)（見圖16）。(2）滿堂架搭設(shè)。因盤扣架立桿高度最高為2.5m，利用模型，可整理出不同屋面位置2.5m立桿層數(shù)。待工人分層架設(shè)至最后一層，利用BIM模型提取的立桿標(biāo)高圖（見圖17），一一核對(duì)并調(diào)整立桿高度，隨后進(jìn)行梁板模板支設(shè)。支設(shè)完畢后，根據(jù)《雙曲面構(gòu)件詳圖》《BIM三維坐標(biāo)定位圖》，校核弧形梁板模板底標(biāo)高，如有誤差及時(shí)調(diào)整，將坡面弧度調(diào)整至設(shè)計(jì)允許偏差范圍之內(nèi)。2.5模板切割協(xié)調(diào)優(yōu)化通過(guò)模架立桿標(biāo)高詳圖，輔助施工管理。使用軟件優(yōu)化，一鍵提取立桿高程，較傳統(tǒng)手工翻樣計(jì)算相比大大縮減了時(shí)間。通過(guò)模板切割協(xié)調(diào)優(yōu)化，將原0.6m散拼模板提升為整塊模板，減少了模板切割時(shí)間與組裝拼接時(shí)間，減少了模板損耗率，加快施工進(jìn)度，縮短施工周期。通過(guò)BIM技術(shù)智能化模架在雙曲屋面中的應(yīng)用，將傳統(tǒng)人工計(jì)算翻模進(jìn)行立桿排布的方式，利用BIM技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合插件進(jìn)行二次開發(fā)，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)施工效率，減小了施工誤差，縮短了施工工期。3構(gòu)建模板架體體系BIM技術(shù)在幸福林帶雙曲屋面施工的有效運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)雙曲屋面施工過(guò)程科學(xué)合理的安排。提前對(duì)模板及架體支撐布置體系進(jìn)行優(yōu)化，避免了因工程量大及工序復(fù)雜等因素導(dǎo)致的施工錯(cuò)誤而造成返工。采用BIM技術(shù)輔助設(shè)計(jì)和施工，進(jìn)行結(jié)構(gòu)曲面找型、三維模型結(jié)