基于BIM的异形柱工具式木模快速施工技术研究

邓恺坚

（广州珠江建设发展有限公司 广州510075）

0 前言

为满足室内使用功能及外观的多样性需求，异形截面的混凝土柱大量出现于高层住宅及大型公共配套建筑中［1-2］。一般方正的混凝土墙柱模板支撑体系中，可直接通过双钢管龙骨对拉体系来加紧固定，但对于异形截面柱而言，在出现截面对边不平行、截面边缘为弧形曲线等情况时，传统木模板对拉加固体系难于保障施工质量，且施工效率低［3］。另一方面，若异形混凝土柱采用钢模板、铝合金模板时，则需工厂特殊定制，重复利用次数有限，造成成本大幅增加。因此，异形柱如何实现低成本快速高质量施工，是工程的一大难题［4］，固对异形柱工具式木模快速施工技术进行研究十分必要。

1 工程概况

某体育中心PPP 项目工程位于开封市新区，本工程综合体育馆总建筑面积为87 323 m2，其中体育馆地上4层，建筑高度27.95 m，建筑面积共33 967 m2；游泳馆地上3层，建筑高度20.15 m，建筑面积共23 933 m2；训练馆地上3 层，建筑高度22.15 m，建筑面积共29 423 m2。各区场馆间在2 层通过连廊相连，方便人员疏散和场馆间联系。现场有大量的圆形、椭圆形等异形混凝土结构柱，给现场土建的支模分部分项工程带来挑战。

2 工艺原理

⑴通过对传统木模体系进行深化，研究出一种针对混凝土异形柱截面的工具式木模，便于传统双钢管外楞主龙骨对其进行对拉加固。工具式木模可实现快速安装固定的需求，如图1所示。

⑵研发基于BIM 技术创建参数化的混凝土异形柱的工具式木模基础族［5］。该基础族可根据异形柱的形状需要，进行各形状参数的调整。并且异形柱工具式木模基础族在三维建筑模型中，可进行工具式木模的预拼装［6-7］。

施工工艺流程如图2所示。

图1 企业工具式木模基础族的族库Fig.1 The Family Library of the Enterprise Tool Type Wooden Mold Base Family

图2 施工工艺流程Fig.2 Construction Process Flow Chart

3 施工工艺要点及操作要求

3.1 统计异形柱的类型数量

⑴按“截面形状及大小”、“与剪力墙相连的位置”对混凝土异形柱进行“一级分类”，如表1所示。

⑵按“楼层高度”、“与框架梁连接的位置”、“与楼板连接的位置”对混凝土异形柱进行“二级分类”如表2所示。

3.2 设计并创建工具式木模参数化基础族

根据所统计的异形柱结构类型，设计并创建Revit“工具式木模参数化基础族”。

⑴根据截面类型，设定工具式木模基础族的形状控制参数。例如，圆形半径参数、工具式木模单件高度、横断面加劲肋木模板两边长度及开口角度等形状控制参数［8］，如图3所示。

⑵在以形状控制参数为自变量参数的基础上，结合木枋背肋间距、横断面加劲肋模板间距等力学相关的构造参数，以及力学原理规律和木模板体系施工规程的相关要求，在基础族内设定受力复核验算的运算公式，使得“工具式木模参数化基础族”在项目使用的过程中，自动化完成木模体系的受力复核，如图4所示。模板支撑体系受力具体复核计算的示例如下，按最不利情况五跨连续梁的工况取值。

表1 异形柱的一级形状分类数量统计Tab.1 Statistical of First Class Shape Classification Quantity of Special Shaped Columns

①对于面板而言：

②对于水平加肋木模而言：

计算宽度范围内水平加肋木模的集中力：F加肋木模=（Qhk+Qdk）×10-3×bo×H×103/n水平加肋木模阵列个数=（42.24+2）×205.6×5/17=2 675.22 N；取水平加肋模板厚度h木模=20 mm，则有水平加肋木模应力：σ加肋木模=F加肋木模/b木枋背肋/h木模=2 675.22/50/20=2.675 N/mm2＜［f木模］=11.5 N/mm2，稳定系数φ=σ加肋木模/［f木模］=0.233，满足抗压稳定要求。

表2 异形柱的二级形状分类数量统计Tab.2 Statistical of Secondary Shape Classification Quantity of Special Shaped Columns

③对于竖向背肋木枋而言：

⑶“工具式木模参数化基础族”创建过程中，把重点参数定义为“共享参数”，以便后期导出参数统计清单，指导现场工具式模板的加工生产。

3.3 工具式木模参数化基础族模拟预拼装

图3 工具式木模基础族的形状控制参数Fig.3 The Shape Control Parameters of the Tool-type Wooden Mold Base Family

图4 木模体系自动化受力复核Fig.4 Automatic Force Review of Wood Model System

⑴根据施工图纸，创建混凝土异形柱及其节点的Revit 模型（在各大项目中，BIM 模型竣工验收已成潮流，逐渐取代施工竣工图）。

⑵在混凝土异形柱及其节点的Revit 模型中，插入各个型号的经参数化定义后的工具式木模构件，进行工具式木模的三维预拼装，检查拟定的工具式模板加工类型及尺寸是否满足各类型异形柱支模浇筑需要，如图5、图6所示。

⑶可视化预拼装过程中，模数化调整异形柱工具式木模基础族的圆形半径参数、工具式木模单件高度、横断面加劲肋木模板两边长度及开口角度等形状控制参数。模数化异形柱工具式木模的形状参数后，可减少异形柱工具式木模的类型总数，工具式木模的提高周转次数，提高施工效率。

⑷根据异形柱工具式木模的安装位置及用途，输入支模侧压力数值，并通过调整各类型工具式木模构件的木枋背肋间距、横断面加劲肋模板间距等力学相关的构造参数，自动化进行异形柱工具式木模的安全性、可靠性复核，使工具式模板满足受力使用的要求。

图5 工具式异形柱模的可视化预拼装Fig.5 Visualized Pre-assembly of Tool-type Special-shaped Column Mold

图6 工具式异形柱模复杂构造节点的可视化预拼装Fig.6 Visual Pre-assembly of Complex Structure Nodes of Tool-type Special-shaped Column Mold

3.4 导出BIM加工图纸及轻量化三维交底

⑴在预拼装的Revit 项目模型中，基于软件的信息统计功能，统计出异形柱工具式木模的类型个数，以及各型号工具式木模的使用数量，以便形成现场工具式木模的加工计划［9］。

⑵摘取各型号工具式木模的BIM 模型，导出二维加工深化图纸，并基于信息统计功能导出木模构件组成清单，实现快速加工交底。

⑶通过BIMFACE 平台对三维模型图元形状信息与构件数字信息进行数模解析分离，实现模型轻量化［10］。轻量化后的工具式木模模型可直接通用手机、平板电脑等智能便携终端在网络环境下进行快速浏览。用于对工人进行施工交底，提高施工质量，如图7所示。

图7 异形柱工具式木模轻量化模型Fig.7 Light Weight Model of Special-shaped Column Tool Type Wooden Mold

3.5 现场工具式木模的加工成型

3.5.1 工具式木模的构造要求

⑴工具式木模主要由内侧竖向木模板、横断面双层加肋木模板、外侧竖向木枋背肋龙骨构成，如图8所示。

图8 异形柱工具式木模安装实物Fig.8 Shape Column Tool Type Wooden Mold Installation

⑵内侧竖向木模板为混凝土异形柱的浇筑面模板。对于圆弧形的异形柱截面而言，可通过木模板厂家购买带弧度的光滑面模板；而对于多边形异形柱截面而言，则可通过多块平直的光滑面模板拼接而成。

⑶横断面双层加肋木模板的主要作用是将浇筑时内侧竖向木模板承受的侧压力，传递至外侧竖向木枋背肋龙骨。其内边缘可根据异形柱截面的形状进行调整（与异形柱截面形状一致）；其外边缘成规则的矩形状，便于双钢管主龙骨的对拉固定。这是一个相当于由“异形柱截面”转换成“矩形柱截面”的受力转换装置。

⑷每块横断面双层加肋木模板的阴阳角处、外边缘每间隔150～300 mm处布设1根通长的竖向木枋背肋龙骨。并在横断面双层加肋木模板的预设竖向背肋龙骨处凹口。凹口大小与竖向背肋龙骨大小一致。竖向背肋龙骨安装时，与横断面双层加肋木模板平齐。这样可增大竖向背肋龙骨与横断面双层加肋木模板的接触面积，分散横断面双层加肋木模板传来的集中应力，不易变形，整体性好，有利于工具式木模的周转利用，如图9所示。

图9 竖向木枋背肋龙骨布设示意图Fig.9 Layout Diagram of Vertical Timber Beam Back Rib Keel

⑸墙体模板、框架梁模板与异形柱工具式木模交接处，相互设置竖向企口，使两者连接紧密，混凝土交接处成型效果好。

3.5.2 竖向木芯塑料钢化木枋及模板制作原理

竖向木芯塑料钢化木枋及模板可由回收的旧模板加工制成：把旧模板的每层夹板分解出来➝把每层夹板切成1.5 cm宽的长条形状（制成木芯）➝把各1.5 cm宽的木芯从原来的横向分布变成竖向布置➝把各竖向木芯整齐排列并粘胶压缩成型➝外敷高分子无水性纤维面皮。如图10、11所示。

图10 竖向木芯塑料钢化木枋及模板的制成原理示意图Fig.10 Schematic Diagram of the Fabrication Principle of the Vertical Wooden Core Plastic-tempered Wooden Beam and Formwork

图11 竖向木芯塑料钢化木枋及模板实物Fig.11 Vertical Wood Core Plastic Tempered Wood Beam and Formwork

3.5.3 竖向木芯塑料钢化木枋提高工具式模板的周转率

竖向木芯塑料钢化木枋及模板具有平整度好、表面光滑、刚度性能良好不易变形的特点。异形柱工具式木模中的竖向背肋木枋及横断面加肋模板分别采用竖向木芯塑料钢化木枋、竖向木芯塑料钢化模板，可提升工具式木模整体刚度，从而实现工具式木模的多次周转，提高施工工效，如图12所示。

图12 异形柱工具式木模脱模后效果Fig.12 Effect of Special-shaped Pillar Tool Wooden Mold after Demoulding

3.5.4 工具式木模现快速安装

⑴项目技术人员可通过网页端的项目轻量化模型，以及BIM 三维模型导出的“各型号异形柱工具式木模的平面安装示意图”对现场作业人员进行交底。

⑵异形柱工具式木模现场初步拼接固定后，即安装双钢管外楞对拉加固构造，实现混凝土异形柱支模体系的快速安装加固。如图13所示。

图13 双钢管外楞对拉加固Fig.13 Reinforcement of Double Steel Tubes with External Side

3.5.5 工具式木模与其他支模方式成本比较

现浇混凝土异形柱结构主要出现于多层的大型公共建筑，更多地仅作为首层、低层且有特殊使用要求的竖向结构，可周转次数较少。若按模具最多仅周转5 次、柱高度约为7 m、清水混凝土质量要求的工况进行考虑，如表3所示。

表3 异形柱模板的成本比较分析 （元/10 m2）Tab.3 Cost Comparison Analysis of Special-shaped Column Formwork

可见，铝合金模板在人工费方面最为经济，但因为周转次数少，铝合金模板的摊销量难以降下来，导致该做法的基价始终处于较高水平。相对而言，传统木模做法和工具式木模做法需要施工人员的工艺水平较高、工作量大，导致其人工费也较高，但材料成本却大幅下降，使得基价更为经济。

其次，传统木模与工具式木模做法的成本水平虽然较为接近，但产出的经济效益却有所不同。传统木模需要现场制安模板，对拉紧固的施工难度大，施工质量水平较难保证，施工周期变长。相反，工具式木模可在现场车间提前进行加工，模具的质量检测得到较好的保证之余，还可压缩工期。同时，模具的刚度及整体性比传统木模的做法要好，浇筑的质量也更佳。

4 结语

⑴“内异外方”的工具式木模体系。工具式木模由内侧竖向木模板、横断面双层加肋木模板、外侧竖向木枋次龙骨构成。加肋木模板的内边缘形状可根据异形柱截面的形状进行调整，外边缘则成规则的矩形状，便于双钢管主龙骨的对拉固定，从而构成异形柱支模体系，解决常规木模系统难以进行对拉加固、而特殊定制的钢模板周转次数少，均摊成本高等难题。

⑵基于BIM 技术进行异形柱的信息化配模。在可视化优势下对异形柱的各种梁墙连接情况进行工具式木模的模数化深化设计，减少工具式模板的类型，提高工具式木模的周转利用率。并基于BIM 技术的信息化统计功能，导出各异形柱工具式木模所需构配件的类型表单，进行工具式木模的可视化加工交底，实现混凝土柱的快速施工。

⑶异形柱工具式木模采用竖向木芯塑料钢化木枋及竖向木芯塑料钢化模板等绿色建材加工而成。该木枋或模板内芯为回收的废旧模板，外包钢化塑料镀膜层，其表面平整光滑，整体刚度大，可周转次数高，使得异形柱工具式木模可在类似的标准层间循环利用，实现快速施工之余，也符合国家绿色环保型经济发展的理念。