基于BIM 的装配式中空夹层柱脚节点深化设计

谢恩普，鲍依蓓

湖州职业技术学院 建筑工程学院，浙江 湖州 313000

1 引言

中空夹层钢管混凝土结构是在同心放置的两层钢管之间浇筑混凝土形成的组合结构，该结构承载力高、自重轻、抗弯强度大，具有良好的抗震性能［1］。将结构外部的钢管替换为不锈钢材料，形成一种不锈钢-混凝土-碳素钢组合结构，其造型美观、耐久性好，在建筑工程领域具有较好的应用前景［2］。

装配式建筑建设周期短、现场作业量少、产品质量高、环境污染小等特点，符合可持续发展的理念，是未来建筑业的发展方向［3］。为顺应装配式建筑发展趋势、更好地推广不锈钢-混凝土-碳素钢组合结构，对其加工生产方式进一步优化，采用工厂预制、现场吊装的方式进行施工，将建筑信息模型技术应用于构件的生产制作与安装过程。

2 构件基本信息

某拟建工程采用不锈钢-混凝土-碳素钢组合结构形式，为便于构件的生产和施工，现采用BIM 软件对该结构构件进行深化设计，构件的基本信息如下：构件采用方套方截面（如图1），外钢管采用316 奥氏不锈钢，截面边长Bo=800mm，厚度to=20mm；内钢管采用Q235B碳素钢，截面边长Bi=500mm，厚度ti=14mm；内外层钢管间采用C30 混凝土，基础采用C20 混凝土，柱底500mm 范围内采用C50 后浇混凝土。

鉴于耐久性要求，该组合结构基础采用常规的钢筋混凝土结构形式。为抵抗水平荷载，在钢筋混凝土基础中预埋抗剪键，抗剪键位于组合柱的中空部位，安装时将组合柱吊装至指定位置后在其中空部位浇筑一定高度的高强混凝土，保证组合结构与基础的连接，该柱脚节点暴露于外部的材料为不锈钢外钢管，耐久性能有较大程度的提高。

为保证柱脚节点安全可靠，在内钢管内侧和预埋的抗剪键表面均焊有一定数量的锚固件，通过高强混凝土与锚栓间的锚固作用传递竖向的抗拔力，以承受水平荷载在柱脚引起的应力，保证柱脚节点的安全性能。

图1 构件截面示意图

3 BIM 模型的建立

利用Tekla 软件对该构件及柱脚节点进行深化设计，其软件设置选择“完全”的配置，确保钢结构和混凝土部分均能顺利的建立模型。对于混凝土基础部分，首先用混凝土板的命令创建其基础主体，为了便于后期材料用量的统计，在创建基础时需要注意设置混凝土的强度等级。运用生成钢筋的命令在基础内部放置钢筋，其强度等级和直径依据基础的结构施工图进行设置［4-5］。在基础内部钢筋的上方放置抗剪键，并将抗剪键与基础内部钢筋相焊接，以确保结构的整体性与安全性，需要在抗剪键表明建立锚固件，锚固件的创建方式与普通的螺栓创建有所不同，需要将螺栓标准调整为STUD。

利用创建钢柱的命令来创建组合结构柱的内外钢管，此时截面型材采用RHS800×20 的形式；也可以采用四块钢板组合形成组合结构柱，其截面型材采用PL20×800 的形式，具体而言应依据采购的原材料类型选取建模方式。内外钢管均创建完成以后采用类似于创建混凝土基础的方法，建立组合结构的夹层混凝土和柱脚底部500mm 范围内的高强混凝土模型。为了加强构件与基础的连接，在内钢管内侧一定的高度范围内焊接锚固件，创建方法同上述抗剪键的锚固件。

三维可视化模型有利于施工技术员更好地理解柱脚节点，形象地展示出组合结构柱的整体构成和细部构造（如图2～图3），为现场的正确高效施工奠定基础。本文建立的组合结构柱脚节点构造与常规螺栓连接节点有所不同，预埋抗剪键的安装精度要求远远低于常规柱脚螺栓的预埋锚栓，只要不影响钢柱放置至基础顶面即可，可调节的幅度很大。待钢柱安装就位后灌注柱底500mm 范围的高强混凝土。

图2 组合柱柱脚三维模型

图3 柱脚节点内部构造

4 模型数据的应用

BIM 模型除了三维展示的作用外，更实用性的功能是为制作和加工零部件生成准确的图纸，并可以直接导入至数控机床，以完成组合结构柱中钢结构零部件的生产［6］。利用三维BIM 模型，可以准确统计出各组成部分材料的用量，如表1 所示。

表1 某单根组合柱材料报表

5 结语

中空夹层钢管混凝土结构承载力高、耐久性好、施工效率高，具有装配式建筑的一般优点，可在工程领域推广应用。利用BIM 软件对该类结构进行深化设计，可以为施工提供精确的图纸和可视化图形，有助于施工的顺利进行。利用三维BIM 模型自带的数据可以较准确地统计材料用量，以便更好地进行施工准备工作。