BIM技术在超高层型钢混凝土梁柱节点深化中的应用研究

张亚超

（中铁十一局集团建筑安装工程有限公司，湖北武汉 430000）

BIM技术是在计算机辅助设计等相关技术不断普及的背景下发展起来的一种多维模型的信息集成技术，通过BIM 技术实现了建筑工程的功能特性和物理特征的可视化表达，对于建筑领域的生产而言，属于一项革命性的技术［1-2］。BIM技术能够借助各项建筑数据进行模型构建，通过模拟分析建筑结构确定建筑施工效果，在此基础上实施施工调整和完善。尤其是在型钢混凝土梁柱节点施工中，能够快速、准确分析节点施工中的问题，已经成为新时期建筑施工中不可或缺的关键部分［3-4］。

1 BIM在超高层型钢混凝土梁柱节点施工中的应用

1.1 工程概述

福清利嘉中心城市综合体项目包括12 栋超高层，总建筑面积约为105 万m2，总投资约38 亿元。其中8#写字楼为型钢-混凝土结构，主体均为框架-核心筒体系，建筑抗震等级一级（局部特一级），抗震设防烈度为7 度，地上33 层、地下4 层，建筑高度为178.85 m，最大型钢框柱截面为2.94 m2，含型钢框柱最大层高6.9 m，最大框架梁截面为1.375 m2，钢筋混凝土梁最大梁高为2.75 m，型钢柱采用焊接十字型钢，材质为Q345B。

1.2 工程技术难点

本项目工程结构体系大、纵筋配筋层数过密（最多为4 层）、与型钢柱连接、结构节点复杂，型钢梁柱节点区域钢筋与型钢易发生碰撞，梁柱节点（见图1）处钢筋密集穿插复杂、梁柱箍筋加密区交汇同时与型钢位置产生碰撞，型钢柱焊接套筒位置无法精准确定，型钢柱与混凝土梁焊接位置需要焊接贯通、架设连接板，节点处梁钢筋密集，配筋间距小，施工难度大，大截面混凝土梁与型钢柱的连接质量控制困难，不是工程中常规的混凝土梁柱节点问题，更难以提升连接质量［5］。型钢混凝土结构运用广泛，节点处连接质量难控制、梁柱节点问题的出现制约了型钢混凝土的应用。项目部决定采用BIM 技术辅助和优化施工，运用BIM 技术将复杂繁琐的节点构造图转化为三维可视模型，并且运用软件对钢筋节点施工过程进行模拟施工，做到先模拟后施工［6］。

图1 型钢混凝土梁柱节点

1.3 技术方案

1.3.1 利用BIM技术对梁柱节点钢筋密集部位合理优化

原设计图纸型钢梁柱节点中，梁截面主筋配筋为16 根直径25 mm 的三级钢钢筋，在BIM 三维模型中可发现梁主筋与型钢翼缘板有碰撞冲突，经与原设计单位沟通，在满足设计要求的前提下，对钢筋进行分层排布：6/6/4排布，调整最内侧主筋位置，将最内侧的2根钢筋下移重新调整钢筋间距，以方便梁主筋与型钢柱的连接，在型钢柱的翼缘板上焊接钢连接板，解决主筋无法穿过的问题，钢连接板平行于钢筋与型钢柱翼缘垂直放置，保证梁钢筋能正常绑扎锚固的同时确保型钢柱截面的完整性，不会降低型钢的强度和刚度。参照三维模型（见图2、图3），确定钢连接板焊接位置和构件尺寸，保证施工质量和施工进度。

图2 型钢柱、梁节点钢筋模型

图3 型钢柱、梁节点模型剖面图

1.3.2 利用BIM技术模拟箍筋安装过程，制定箍筋外形

根据BIM 模型可知，型钢柱箍筋与型钢柱腹板碰撞，无法穿过腹板完成绑扎，因为在型钢截面开孔过多会大大降低型钢的整体刚度，需进行加固补强处理，无法保证施工进度和质量。因此选取一种尽量少穿型钢柱的布置方式，即将箍筋改为拉筋外绕，将拉钩做成C 字形，两端弯钩135°，中间段绕到第三根柱筋外侧通过（见图4）。

型钢混凝土柱核心区拉钩遇牛腿腹板时，将拉钩改为两段，一段穿过牛腿腹板与另一段采用单面焊的形式连接（见图5），单面焊焊缝长度≥10倍焊接钢筋直径，接头错开。

图4 优化后箍筋与型钢连接三维图

图5 优化后箍筋与型钢焊接图

1.3.3 利用BIM技术对型钢套筒进行定位

利用BIM 技术对型钢混凝土梁柱节点部位的钢筋进行3D 建模、动画演示，确定钢筋与型钢柱的接触点，以确定型钢上部套筒的精确位置，并对套筒位置进行标识，定位标高位置、尺寸，在后期型钢柱加工过程中，对焊接套筒位置进行技术交底，并保证焊接质量（见图6、图7）。

2 施工优化

梁柱节点钢筋节点图（见图8）包括节点平面图、剖面图（若此面无梁则不存在剖面图）节点说明、牛腿位置平面图。

图6 BIM建模型钢柱上部套筒定位图

图7 型钢套筒定位现场

梁柱节点优化节点平面图的确定首先以柱为基础，确定梁的位置，与图纸相符。确定梁的配筋并标注在图上，需注意梁的集中标注和原位标注。画出牛腿的相应位置，牛腿的长度为翼缘板的宽度，牛腿的宽度一般取15 cm，根据规范要求双面焊接的长度为5 倍的焊接钢筋直径。在平面图上还需标明柱主筋的分配位置，原则上标明每根角筋外，其余主筋需均匀分布。

型钢混凝土梁柱节点三维建模效果图（见图9）需表示的钢筋有3 种形式：焊接钢筋；直锚、弯锚钢筋；贯通钢筋。备注：（1）不同颜色线条不同部位分别建立不同图层；（2） 梁、柱、墙外轮廓线为白色；（3）型钢柱（梁）轮廓线为黄色，剖面显示板厚部分也进行黄色填充；（4）墙、柱主筋为红色；（5）焊接牛腿梁筋为蓝色；（6）贯通或直锚梁筋为红色；（7）套筒对接梁筋为绿色；（8）弯锚梁筋为青色；（9）箍筋、拉筋为洋红色。

图9 型钢混凝土梁柱节点三维建模效果图

焊接钢筋：当上部第一排钢筋排列好后，图纸上表示钢筋在牛腿板上时，全部采用二氧化碳气体保护电弧焊焊接钢筋。现场施工时要注意焊接质量，不能点焊和露焊，焊接需饱满。焊接长度最少保证5倍的焊接钢筋直径。

直锚、弯锚钢筋：根据钢筋锚固相关规范要求，考虑混凝土强度、钢筋型号、抗震等级等，计算钢筋的锚固长度。能否达到直锚要求，需要计算钢筋锚固长度a和柱边到型钢腹板的距离b，若b>a，则具备要求；若b

贯通钢筋：贯通钢筋为穿越型钢腹板的钢筋，需排列好钢筋后在腹板上面开孔。开孔需注意孔洞的位置、大小及数量。一般为确保现场施工方便，钢板处贯通直径25 mm钢筋开32 mm的洞口，贯通直径28 mm钢筋开36 mm 的洞口，需注意的是钢筋排布不是所有钢筋都需穿过腹板。当原位钢筋和集中标注钢筋在一起时，要注意集中标注钢筋穿过腹板时的钢筋排布，尽量考虑现场施工简单和工效。型钢腹板开孔的数量是有严格要求的，若整块腹板的长度为L，开孔直径的总长度不能大于0.25L。当一根钢筋同时可以弯锚和贯通时，优先考虑贯通。当2个方向垂直的钢筋都需要贯通时，需将某一边的开孔洞口上调一根钢筋的直径，避免钢筋与钢筋之间产生冲突。

深化原则：

（1）若梁两侧贯通，上部一排钢筋保证1/3 以上穿腹板贯通连接，其余焊接在牛腿上，二排以上采用套筒对接及穿腹板贯通，尽量少采用套筒对接；下部一排钢筋采取焊接及直锚，若直锚长度不够则采取弯锚，二排及以上采取套筒对接及直锚，若直锚长度不够则采取弯锚。

（2）若两侧梁不贯通或为斜梁，上部一排钢筋采用牛腿焊接及直锚，若直锚长度不够则采取弯锚，二排以上采用套筒对接及直锚，若直锚长度不够则采取弯锚；下部钢筋同上部钢筋排布原则［7-8］。

（3）梁中两端采用套筒连接的纵筋中间采用焊接进行连接，单面焊焊接长度≥10倍焊接钢筋直径，双面焊焊接长度≥5倍焊接钢筋直径。

（4）主楼梁牛腿高度L=h-95（h为梁高，mm）。因型钢柱翼缘板柱外边为200 mm 或250 mm，柱钢筋为28 mm，箍筋18 mm，焊缝为5d（d为梁筋尺寸，多为25 mm），牛腿翼缘板与钢柱翼缘板焊脚为25 mm，柱保护层为25 mm，以上尺寸合计28+18+5×25+25+25=221 mm。如按照6d进行牛腿翼缘设计，无法保证柱筋贯通。为保证柱筋贯通，将型钢柱翼缘板至柱外边为200 mm，梁牛腿翼缘板改为7d，在牛腿翼缘板上开孔，保证柱筋上下贯通。型钢柱翼缘板至柱外边为250 mm，梁牛腿翼缘板为6d。

（5）因两侧梁高不一致或两侧梁面标高不一致，导致牛腿翼缘板高度不一致，加劲肋板取牛腿上翼缘较高和下翼缘较低处。

3 结束语

福清利嘉中心二期项目中的超高层型钢混凝土梁柱节点连接施工较为复杂，质量把控难度大，需通过BIM 技术建模、模拟确定连接过程中各项数据的合理性、有效性和准确性，采用BIM 模拟分析施工过程、直观把握梁柱节点连接状况，在节点处主筋与型钢柱深化设计、满足设计要求的基础上，实施相应的调整。尤其是在主筋结构数量、间距、箍筋外形、梁柱结构套筒连接定位调整等方面，控制重要数据参数，建模、安装过程模拟分析，确定型钢混凝土梁柱节点连接优化效果，才能真正实现BIM 技术指导施工，从根本上提高建筑施工经济效益和社会效益。