BIM技术在群塔作业与脚手架安全验算分析中的应用——以广东某项目为例

刘一哲 张博方 于月轩 孙慧灵 谢丹凤 蒋立鑫

(1.山东理工大学建筑工程学院 山东淄博 255049；2.中建八局第一建设有限公司 山东济南 250100)

0 引言

随着大型项目中塔吊使用频率越来越高，塔吊布置越来越密集，但塔吊在施工过程中可能会剐蹭到建筑主体或其他塔吊，存在施工隐患。因此，群塔作业方案论证极为重要。用BIM技术可以高效、快捷解决群塔作业安全性和可靠性问题[1]。

另外，脚手架设计的经济、安全、效率是工程施工最主要的三大因素。传统的脚手架设计大多依赖于施工人员的个人经验，大量的手算公式，使脚手架验算的精度难以得到保证。若脚手架的施工搭接存在问题，其拆除和再搭接，降低了施工效率。基于BIM脚手架软件不仅可以形象直观地反映出脚手架和主体的搭接形式，更能清楚地定位每个节点的搭接情况，能够提前发现问题，并进行修正，而且可以精确验算出脚手架承载力、变形等安全指标，同时也能导出脚手架的材质明细表，提高了经济效益。

基于上述，本文以广东某工程项目为例，结合现场实际情况，探析BIM技术在群塔作业与脚手架安全验算分析中的应用。

1 案例项目分析

广东某项目6号园64号楼，地上总建筑面积64 200 m2，框架剪力墙结构。建筑总高度89.4 m，总层数为26层。该工程群塔作业与脚手架解决方案如图1所示。

图1 群塔与脚手架解决方案

1.1 BIM优化群塔作业

群塔作业容易存在碰撞问题，群塔作业合理布局是防碰撞的关键。倘若运用BIM技术进行塔吊施工模拟，则能在满足安全规范、工程实际条件和最优工作原则下，通过BIM施工场地布置软件和BIM虚拟施工系统可视化模拟，使塔吊位置以及高度最为合理、塔吊工作区域最大化[2]。而且，可以模拟塔吊的安装与拆除，有效解决群塔布置施工问题和安全问题。

(1)塔吊工作面最大化

利用BIM技术进行可视化处理场地布置，模型数据导入到BIM施工场地布置软件中，并使之符合图纸和规范要求(塔吊高于建筑物15 m)，在软件中可以清楚查询每一个塔吊的工作半径。如果塔吊半径不足，就无法满足正常施工需求。但在BIM施工场地布置软件中可以清晰地体现出来，解决该问题如图2所示。通过观察模架软件中群塔工作最大面积是否可以将建筑物全面覆盖，如若不能全部覆盖或出现重复区域，则可在BIM施工场地布置软件中修改塔吊的半径，使之满足要求。

图2 BIM施工场地布置群塔模拟

图3 塔吊布置参数

(2)选择合理的塔吊工作高度

减少塔吊本身对高层基坑边坡稳定性的影响，主要是根据拟建建筑物的楼层进行碰撞模拟分析，确定塔吊高度合理值，避免塔吊导致的碰撞影响相邻建筑物的施工。而通过对群塔的模拟分析，则能找到施工过程中的可能碰撞点，避免塔吊的碰撞对建筑物主体产生影响，从而提高可视化程度，保证工程施工的进度和效率如图3所示。

由于群塔作业的施工不是单独塔吊的作业，高度因素会导致相邻塔吊作业之间产生一系列施工和安装拆除问题，而BIM施工场地布置软件和BIM虚拟施工系统可以解决这一问题[3]。通过三维视图全方位浏览BIM施工场地布置的塔吊，发现每个塔吊满足规范要求，但是按照实际情况，不应该等高度布置。在软件模拟中发现，如果群塔等高布置，施工过程中必然会导致相邻塔吊碰撞，如图4所示。使用BIM模架软件选择塔吊合理工作高度，则可使之具有高度差，避免此类问题的发生。该项目建筑物高度为89.4 m，经过在软件中调整，塔吊高度平均为104.9 m，相近塔吊合适高度范围为102.9 m～106.9 m。

图4 塔吊细部碰撞节点

(3)群塔的安装、拆除

在BIM虚拟施工系统中，通过模拟一个塔吊的安装与拆除，检验在安装拆除过程中是否会受到相邻塔吊的影响，造成施工不便。在BIM虚拟施工系统调整临近塔吊的高度和位置，重新模拟施工直到修正后的塔吊可以正常安装、拆除如图5所示。从BIM场地布置软件到BIM虚拟施工系统，对群塔作业进行可视化分析与修正，提前预测现场施工群塔作业可能发生的问题，对实地作业有实践基础[4]。

图5 塔吊拆除模拟

(4)塔吊安全模拟

除上述安全问题以外，因人员操作不当，造成拆卸过程中塔件掉落，造成人员伤亡[5]。BIM虚拟施工软件不仅可以模拟塔吊的拆除，而且可以模拟事故场景。BIM虚拟施工风力影响，在该系统中调整风力的级数，模拟塔吊作业其他因素导致的安全事故的发生,如图6所示。

图6 塔吊安全事故

1.2 项目脚手架安全分析

(1)基于BIM的脚手架优化思路

将该项目BIM模型导入到BIM模架软件中，根据拟建建筑物的条件，建立外围脚手架模型，并且放大脚手架细部节点，通过验算导出不符合承载力、挠度、稳定性的节点，基此在模型中调整节点位置与参数(表1)，进行修正优化，得到符合规范的计算书；然后，再一次导入BIM模架软件进行二次验算，使模架可靠性、安全性得到提升。

结合规范，对脚手架纵向水平杆、荷载标准值、搭设高度以及连墙承载力等安全系数进行验算并修正(表2),使修正的架体参数满足要求或者调整节点构造[6]。选取外墙1层脚手架以及与脚手架横向搭接的连杆和盖板进行验算。架体基本参数如表1所示，荷载统计参数如表2所示，验算脚手架立面图如图7所示。

表1 架体搭设基本参数

图7 落地式脚手架立面图

表2 荷载参数

(2)纵向水平杆验算

脚手架布置参数为脚手板自重标准值Gk2为0.1 kN/m2,横杆上纵杆根数n为2根。根据规范《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011)中5.2.4条，纵向水平杆宜按三跨连续梁计算，如图8所示。

其中，本文在荷载统计时，将钢管自重统计入永久荷载，这样计算更为精确，钢管自重标准值g=3.33/100=0.033 kN/m。由于横向水平杆上的纵向水平杆均等放置，故纵向水平杆的距离为S=lb/(n+1)，纵向水平杆承受脚手板及施工活荷载。

根据分析，脚手架的纵向水平杆抗弯强度按承载能力极限状态下计算，荷载基本组合值为：

=1.2[0.033+0.11.05/(2+1)]+1.4[(2+0)1.05/(2+1)]

=1.062 kN/m

纵向水平杆挠度按正常使用极限状态下计算，荷载的标准组合值为：

=0.083 kN/m

(3)抗弯验算

根据荷载基本组合结果，计算简图如图8所示。

图8 强度计算受力简图

图9 弯矩图

根据结构力学求解器求得弯矩(图9)：

Mmax=0.239kN·m

σ=Υ0×Mmax/W=10.239×106/4490

=53.216N/mm2≤[f]=205 N/mm2

此处简化验算脚手架纵向荷载的抗弯能力结构的承载力，虽然满足要求，但由于材料的富余，经济性得不到满足，所以，适量减少材料的截面面积不仅能满足强度要求，材料的用量也会减少，经济性和安全性得到最大优化。

(4)脚手架荷载标准值

①立杆承受的结构自重标准值Ng1k

经查规范《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011)中附表A.0.1[7]得：

gk=0.13 kN/m

Ng1k=H×gk=89.04×0.13=11.575 kN

②构配件自重标准值Ng2k

由于实际脚手板铺设层数m=3，下式构配件计算中，分别对脚手板自重、栏杆挡脚板自重、安全密目网自重进行统计计算：

Ng1k=m×lb×la×gk1/2+m×gk2×la+la×H×gk3

=3×1.05×1.5×0.1/2+3×0.35×1.5+1.5×89.04×0.01

=3.147 kN

③施工活荷载标准值NQKN

脚手架上其他可变荷载QK2如冲击荷、震动荷载，非偶发事件仅取一层脚手板上作用，该荷载即可满足实际情况。

NQKN=(nzx×QK1+QK2)×lb×la/2

=(1×2+0)×1.05×1.5/2=1.575 kN

(5)立杆稳定验算

根据《建筑施工脚手架安全技术统一标准》(GB51210)6.2.6条规定，取风荷载组合值系数Ψw=0.6，根据连墙件的步距，可确定ξ1=0.6，连墙件竖向间距H1=3.6。

脚手架立杆由风荷载产生的弯矩标准值：

脚手架立杆由风荷载产生的弯矩设计值：

Mwd=Ψw×γQ×MWK=0.6×1.4×0.114=0.096 kN·m

立杆荷载组合：

根据《建筑施工脚手架安全技术统一标准》(GB51210)6.2.5条规定进行计算[8]：

Nd=1.2×(NG1K+NG2K)+1.4×NQK=1.2×(11.575+3.147)+1.4×1.575=19.871 kN

l0=kμh=1.155×1.5×1.8=3.119 m

λ=l0/i=3.119×1000/15.95=195.517

根据l值查规范JGJ130-2011附录A.O.6得到φ=0.188

则立杆稳定的验算式为：

不组合风荷载：

γ0×Nd/φA=1×(19.871×1000)/(0.188×424)=249.28N/mm2≥f=205 N/mm2

组合风荷载：

γ0×Nd/φA+γ0×Mwd/W=1×(19.651×1000)/(0.188×424)+1×0.076×106/4490=263.45 N/mm2≥205 N/mm2

通过验算立杆的稳定性发现不满足要求，荷载的影像下，立杆的稳定性得不到满足，安全性得不到保障。由于影响稳定性的因素是长细比，因此，减少立杆的高度，增大截面的宽度，可有效地提高立杆的稳定性，使安全性得到满足。

(6)连墙件承载力验算

表3是连墙构件参数。

表3 连墙件参数

计算连墙件的计算长度：

a0=a=0.2×1000=200mm,a0/i=200/15.95=12.539

根据l值查规范JGJ130-2011附录A.O.6得到φ=0.967

风荷载标准值：

ωk=μzμsω0=1.423×1×0.3=0.427 kN

风荷载产生的连墙件轴向力设计值：

Nwld=γQwkL1H1=1.4×0.427×16.2=9.682 kN

连墙件的轴向力设计值：

Nld=Nwld+N0=9.682+3=12.682 kN

其中N0由根据《建筑施工脚手架安全技术统一标准》(GB51210)6.2.7条规定进行取值(表3)。

将Nl、φ代入下式：

强度：σ=Nl/Ac=12.682×1000/424

=29.911 N/mm2≤0.85f=0.85×205

=174.25 N/mm2

经过验算，并对不满足规范的节点，比如承载力不足，挠度过大等问题进行验算。一是要满足脚手架的强度要求，二是强度的保障不能过于考虑材料的富余性，经济性也要考虑，所以要综合修正BIM脚手架软件参数使得满足安全性和经济性的要求。大大提高了精确度，从而使脚手架的可靠度大大提高，减少了不必要的时间、人力资源和材料的浪费。

2 结语

利用BIM技术，对脚手架和群塔作业安全管控进行论证分析，有效解决了传统施工的安全性、经济性、效率性问题。在群塔作业方面，通过BIM技术，对塔吊进行了合理的布局，提高了群塔施工方案的论证效率；在脚手架的安全分析中，BIM技术改变了传统计算方式的冗杂，提高了精度和效率，方便施工人员对不合理值进行修正，降低了工程成本和安全风险问题，对施工有重大的利用价值。