基于bim技術(shù)的混凝土曲面建筑模板設(shè)計與施工

基于bim技術(shù)的混凝土曲面建筑模板設(shè)計與施工

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(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。但在施工過程中，不論是鋼結(jié)構(gòu)曲面還是混凝土曲面，都往往會遇到施工工藝復(fù)雜、施工周期長、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)工程的同時有效控制和降低成本的目標(biāo)，應(yīng)用BIM技術(shù)對施工方案進(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，而這兩個方面也是精細(xì)化管控的主要出發(fā)點。模板在材料方面主要可以通過降低損耗率、提升周轉(zhuǎn)率來降低成本，在人工方面主要通過簡化模板拼接難度、縮短作業(yè)時間來提高工作效率。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10.65m，最高點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，不利于成本管控。基于BIM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，可以使整個建造過程更加高效精準(zhǔn)。1.2復(fù)雜曲面立桿設(shè)計功能的實現(xiàn)途徑準(zhǔn)確搭設(shè)鋼管模板體系是整個屋面施工的重中之重。該項目雙曲屋面南北長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，需要通過基準(zhǔn)點標(biāo)高一一計算核對每根立桿標(biāo)高，費時費力，也容易出錯。而通過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)場全部立桿，并利用明細(xì)表提取各個立桿高程，以此作為依據(jù)，輔助現(xiàn)場施工。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。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，不利于成本管控。針對混凝土雙曲屋面的上述特點，通過應(yīng)用BIM技術(shù)解決雙曲屋面測量定位體系復(fù)雜、屋面各點標(biāo)高難以控制、各類材料用量計算難度大精度低等施工技術(shù)難點。整體應(yīng)用主要分為以下4個階段：方案初步設(shè)計、施工優(yōu)化、施工技術(shù)攻關(guān)、現(xiàn)場施工（見圖6）。其中施工優(yōu)化、施工技術(shù)攻關(guān)為現(xiàn)場施工解決根本技術(shù)難題，保證方案初步設(shè)計的最優(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)計專業(yè)進(jìn)行有限元分析，同時提交施工單位進(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。但在施工過程中，要形成混凝土的平滑弧線，需要在模板支設(shè)過程中，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)計方的協(xié)調(diào)溝通，將整體的弧線梁根據(jù)井字梁的交點改為“逢梁必折”的折線梁，直接將梁模板的長度從原有的0.6m提升至1.8m（見圖11），進(jìn)而縮短了模板切割時間與組裝拼接時間，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)計計算結(jié)果調(diào)整及施工優(yōu)化結(jié)果，重構(gòu)屋面模型，驗證屋面滿足原方案效果。2.3梁板模架一體化驗算混凝土雙曲屋面的施工難點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)平梁平板的計算。南北向梁板（見圖12）上下行對稱弧線位置的混凝土澆筑時為對向受力，可相互折減，對滿堂架的側(cè)壓力較??；東西向弧線（見圖13）為西高東低，無對向受力，整個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算。通過模架安全專項計算，立桿的橫縱向間距均不大于900mm，步距不得大于1500mm，頂部自由端長度不大于650mm，部分大體積梁底需回頂1-2跟立桿。根據(jù)驗算結(jié)果，進(jìn)行模架排布。根據(jù)設(shè)計圖紙中提供的平面輪廓邊界線與縱剖斷面的設(shè)計標(biāo)高輪廓線，將點位輸入至軟件中，獲得雙曲混凝土屋面的三維點陣，按三點成弧的原理，用模型線命令將三維點陣擬合成弧，最終生成雙曲屋面的實體載入到項目環(huán)境中（見圖14），通過設(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)場施工。將模架排布圖導(dǎo)入Revit的項目環(huán)境中，采用《隧道與復(fù)雜曲面立桿設(shè)計軟件》插件創(chuàng)建BIM支模架模型，相關(guān)支模架的數(shù)據(jù)通過預(yù)先專家評審的專項施工方案進(jìn)行輸入，再細(xì)部調(diào)整。通過提取支模架的明細(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，對現(xiàn)場進(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，如有誤差及時調(diào)整，將坡面弧度調(diào)整至設(shè)計允許偏差范圍之內(nèi)。2.5模板切割協(xié)調(diào)優(yōu)化通過模架立桿標(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)手工翻樣計算相比大大縮減了時間。通過模板切割協(xié)調(diào)優(yōu)化，將原0.6m散拼模板提升為整塊模板，減少了模板切割時間與組裝拼接時間，減少了模板損耗率，加快施工進(jìn)度，縮短施工周期。通過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用，實現(xiàn)了對整個雙曲屋面施工過程科學(xué)合理的安排。提前對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)致的施工錯誤而造成返工。采用BIM技術(shù)輔助設(shè)計和施工，進(jìn)行結(jié)構(gòu)曲面找型、三維模型結(jié)