BIM技术在提高碗扣式高支模施工安全稳定性中的应用

倪鹏飞 蒋志恒 刘国红 安兴才

（中建七局安装工程有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

碗扣式高支模结构是建筑工程项目施工中一种较为常见的支撑结构，相比其他类型的支撑结构，该结构具有施工便捷、装卸操作方便、使用灵活、单次投资成本低等优势。为了加大对碗扣式高支模结构在市场中的推广使用，为建筑企业发展提供助力，应及时优化此种结构在使用中存在的缺陷与不足[1]。根据对建筑市场的不完全统计数据可知，碗扣式高支模结构引发的建筑市场安全问题依然存在。尽管施工方与监理单位已在工程建设中采取了有效的措施进行了优化处理，相关工作并未取得显著的成效，碗扣式高支模结构在市场中仍存在较大的安全隐患[2]。究其原因，施工方认为有三：一是模板支架用材不当综合承载性能不足；二是高支模支架结构设计不合理；三是工程建设中对碗扣式高支模存在操作不当。为了降低施工现场安全隐患，提高碗扣式高支模施工的安全性与稳定性，在本文此次的研究中，引进BIM技术，通过对碗扣式高支模建立三维可视化模型的方式，及时掌握工程施工中的隐患点，以此保证对施工全过程的监控，避免由于模板结构失稳造成施工现场安全事故。

1 影响碗扣式高支模施工稳定性的因素

1.1 原材料因素

《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011)和《建筑施工安全检查标准》(JGJ59-2011)中明确要求了脚手架施工钢管、连接件等所用材料的外观要求、规格尺寸和质量。然而，在材料的实际生产过程中，为降低生产成本增加利润，使用不合格原料、偷工减料现象时有发生，导致生产出来的钢管连接件等材料达不到施工要求。施工方从生产厂家购买的构件质量较差，加之施工过程的重复使用，建筑工程施工现场的钢管大多尺寸不符合要求，钢管表面凹凸不平、裂缝压痕等现象普遍存在；外径、壁厚等偏差较大，表面锈蚀严重；扣件变形严重、螺栓锈蚀等，缺乏生产、检测等证明材料，降低支撑体系的安全性能，而施工方的相关负责人在材料进场时也未对其进行抽样检测，给施工埋下了安全隐患。

1.2 方案设计因素

随着建筑项目的大型化和异型化，高支模工程的施工也越来越复杂，尤其对于大跨度、高耸、曲面、异面建筑等。当前很多施工单位认为高支模只是临时搭设的辅助性建筑结构，对其施工并不重视，施工前没有进行专项方案设计，或者只是为了应付检查而编制的设计方案，没有结合实际工程特点和国家相关规范进行，编制的方案往往不符合实际工程，设计计算、施工工艺等不满足规范要求，影响高支模工程的安全性。同时鉴于传统的设计方法，其设计成果是基于二维平面的，对于复杂节点处的施工难以细致表达设计思路和理念，因此在根据设计方案施工时很容易出现不安全事故。

1.3 现场操作技术因素

目前，高支模工程普遍存在不满足施工要求、不按照规范施工，由此酿成的安全事故数不胜数。普遍存在的现象主要有：（1）未对地基做任何处理，导致地基沉降，支撑体系局部失稳；（2）由于扫地杆离地面较近，工人不想弯下身子进行安装，往往忽视扫地杆的设置或扫地杆不按规范要求设置，导致架体底部受力不足；（3）未设置剪刀撑或剪刀撑设置太少，对于架体过高的高支模只设置竖向而没有设置横向剪刀撑，使架体缺乏整体稳定性；（4）已完成部分的支架体系未与建筑物进行可靠连接，工人在操作平台上和料堆载造成受力偏心；（5）没有按照规范要求搭设立杆横杆，存在间距过大的情况以致承载力不足；（6）防护措施缺乏，没有满铺挡脚板，搭接挡脚板长度不满足要求；（7）复杂节点处没有详细施工指导，工人凭借经验施工，未考虑受力要求等；（8）现场施工人员安全帽与安全带的使用不规范，随意系带。

2 BIM技术在提高碗扣式高支模施工安全稳定性中的应用

2.1 提高碗扣式模板支架材料承载力

为确保碗扣式高支模在施工中具有较高的稳定性与安全性，在施工前就应对其有效承载力进行分析，避免结构受力不均引起断裂等事故。在此过程中，需要引进BIM技术首先对立杆下部结构进行优化，选择碗扣式高支模结构中梁体分布较为密集的方向作为结构承载力主要分布方向。参照Revit模型，绘制碗扣式高支模承载力结构的切面图，在结构梁底位置，截取一个梁体最低点作为结构统一标高[3]。使用Revit模型中的Midas Civil工具，对主体结构进行建模，参照此种方式，对结构中的横杆部位、立杆部位、斜杆部位分别建立杆系结构模型，保留约40.0%的梁端位置，用于释放结构的约束作用力。将模型中的斜杆梁体作为铰支架，获取在此种状态下的支架梁体结构自身重力。考虑到碗扣式高支模在施工中的“底板杆体与主龙骨架”之间无法直接设置弹性压力，此种现象会导致水平约束力受到限制与影响，无法实现对负载力的有效传递，因此，可将结构水平约束作用力与有效传递的荷载作用力作为其承载力，根据结构中不同弹性部位之间的连接与受力传递对结构体可以进行正常的承载力受力分析。在受力分析过程中，将其承载力划分为自重荷载、混凝土负压荷载与活荷载，通过对荷载力向下传递，按照等效面积荷载法，即可计算得到碗扣式高支模的受力与荷载，综合两种作用力，得到结构的有效承载力。

2.2 完善高支模施工技术参数监控的方案设计

在提高碗扣式模板支架材料承载力的基础上，利用BIM技术对碗扣式高支模施工过程中技术参数的实时监控，以此种方式，保证结构负载不超出其有效承载。

根据工程项目的常规施工与空间作业机理，确定碗扣式高支模的关键部位与承载力薄弱部位[4]。一般条件下，将模板中跨度较大的部位、悬挑梁部位作为施工中重点监测的部位。利用BIM技术的可视化功能与三维建模功能，创建主体工程结构、架体工程结构模型，将结构信息导入BIM安全监测结构中。增设结构施工安全预警机制，确保施工作业现场中通信网络的全覆盖，在重点监测部位与薄弱部位集成传感器，用于实时监测、感知或传递架体结构的立杆倾斜角度、立杆位移、轴向传导压力等相关数值，并将获取的数据按照标准导入BIM安全监测终端内。

在碗扣式高支模实际施工作业时，安装高精度的传感仪器，并将其与信息自动化采集装置进行对接。通过此种方式，确保对监测点位置信息的实时捕捉，将捕捉的数据按图1所示的流程，传输到现场监测终端，由终端技术人员与监理人员负责结构的受力与变形分析，以此实现对数据的专项获取与实时传输。

当终端接收到碗扣式高支模施工数值后，为了确保对结构异常的及时预警，可在监测终端设定一个碗扣式高支模施工安全预警界线。当前端反馈的数值超出施工预警界限后，安全监测中心将主动触发施工现场安全稳定性预警[5]。此时，现场报警器将显示红灯并发出预警警告。施工现场人员在发现预警行为后，将根据反馈信息的触发点，进行失稳点的定位，并结合施工进度与实际情况，进行架体目标的综合调整与分析，结合工程施工实际需求，采取专项措施对碗扣式高支模施工进行调整，从而确保工程施工的安全性与稳定性。

2.3 协助制定现场操作技术的安全措施

传统的安全管理是以“经验型”作为主要的管理方式，只有在事故发生后，才会针对其事故类型采取相应的纠正措施，在给施工人员造成安全威胁的同时也给施工企业带来经济损失和声誉影响。而且其相应的措施也是依据管理者的个人经验以及相关的规范进行的，缺乏针对性，并不能适应于所有的高支模项目。随着现代建筑的复杂性和独特性，制定出符合实际高支模项目的安全管理系统是非常必要的。因此在高支模项目施工中引入BIM技术进行安全管理，通过三维形式展示施工中可能出现的操作安全隐患，并结合项目实际情况制定出对应的安全管理措施，实时动态地进行更新和调整，作为安全管理规则制定和安全措施的重要参考依据，对现场施工操作的安全性可以起到有效的保障作用。

3 实例应用分析

通过分析影响碗扣式高支模施工安全因素的材料、设计方案、操作技术这三个方面，完成了BIM技术在碗扣式高支模施工安全稳定性中的应用研究，为了检验BIM技术的应用设计是否可行，选择重庆地区中迪广场项目作为此次研究实例。

该项目的设计施工占地面积为4.75万m2，建筑总面积>85.0万m2，属于重庆地区内大型综合建筑，建筑内集成了购物中心、住宅公寓、办公写字楼等建筑体。预期完成该项目的施工后，此建筑将成为重庆地区的地标性建筑物，施工的覆盖范围为5~8号楼主体建筑与一个通道工程。考虑到工程覆盖区域较大，因此，此次只选择项目中的6号楼作为研究对象，所选的建筑属于项目中的宴会楼。

3.1 模板支架材料壁厚和综合承载性能

此建筑的有效支撑面积为32.8m×26.9m，预设支撑高度为10.8m。支撑结构区域的横梁截面面积为1800.0mm×4500.0mm，最大跨度为26.2m，支模板的厚度为115.0mm。为了确保支撑结构具有较高的支撑作用力，引入BIM 技术对支撑体系进行设计，优选Ф3.0mm×48.0mm的碗扣式钢管架，支撑结构设计参数如表1所示。

表1 碗扣式高支模支撑结构设计参数

3.2 设计安全稳定性监测方案

根据工程中的具体施工规范，对6号楼碗扣式高支模施工进行安全稳定性监测。监测过程中，按照本文设计的方法，先分析碗扣式高支模的综合承载力与最大允许受力。同时，在施工现场综合部署传感器设备，获取高支模施工技术参数。在监控终端，设计碗扣式高支模结构的预警值与发生报警的数值。此次设计的数值结合业主方需求与工程施工质量需求，设计碗扣式高支模位移预警值为17.5mm，报警值为>21.8mm；主体结构倾斜角度预警值为0.75°，报警值>1.0°；立杆轴向压力的预警值为16.545kN，报警值>30.0kN。结合工程施工实际情况，在终端设置不同项目的预警值与报警值。在施工过程中，根据传感器反馈的数值，利用BIM技术对结构不同部位进行监测，一旦发现监测结果触发预警，需要根据预警结果进行异常结构节点的定位，并根据工程项目实施进度，进行项目施工稳定性与安全性调整。通过此种方式，实现对碗扣式高支模施工的稳定性与安全性控制。在具体操作过程中，在监控终端设备上统计施工中不同项目预警次数与报警次数，将其作为此次对比实验的指标。实验结果如表2所示。

表2 碗扣式高支模施工预警次数与报警次数

从表2所示的实验结果中可以看出，终端在进行碗扣式高支模施工监控时，共触发了2次高支模位移预警、1次主体结构倾斜角度预警、1次立杆轴向压力预警与1次其他项目预警，但施工方在发现预警后，及时采取了措施进行施工处理，实现了将后续报警次数控制在0次。根据竣工后项目施工方反馈，此次施工未发生任何由于碗扣式高支模施工不规范造成的安全失稳问题。由此可以说明，BIM技术在碗扣式高支模施工安全稳定性中的这种应用具有一定可行性。

3.3 现场操作技术

BIM技术的提出与引进给高支模施工现场操作安全管理带来新的思路和方向。首先在施工前期，利用BIM技术建立三维效果图，可对现场施工人员进行三维技术交底，使工人能全面学习并掌握关键点和重点部位的施工工艺和步骤，避免在施工过程中出现技术错误造成隐患；施工过程中可将模型与隐患部位相链接,可快速准确查找危险部位，大大提高施工现场安全检查的效率；同时可改善传统的手工填写检查资料，通过手持终端将各个检查结果上传到模型中，使管理人员实时掌握现场施工情况，针对存在的危险情况及时做出调整和纠正。将BIM技术引入高支模安全管理与传统安全管理相比如表3所示。

表3 基于BIM技术高支模安全管理优势

4 结束语

为了降低施工现场安全隐患，提高碗扣式高支模施工的安全性与稳定性，本文研究中，引进BIM技术，通过对碗扣式高支模建立三维可视化模型的方式，及时掌握工程施工中的隐患点，以此保证对施工全过程的监控，避免由于模板结构失稳造成施工现场安全事故。实践证明，BIM技术在碗扣式高支模施工安全稳定性中的应用具有较高可行性，可以实现对施工现场安全的全面保障与优化，彻底解决现场潜在的多种安全隐患。