BIM技术在复杂型钢混凝土结构中的关键应用★

丁传奇,屈 超,李 华,曹永祯

(北京建工集团有限责任公司,北京 100055)

随着BIM技术在建筑行业的广泛推广，BIM技术在型钢混凝土中的深度应用也得到进一步延伸[1]，尤其是复杂的型钢混凝土结构体系中，型钢混凝土中钢骨柱和钢骨交叉节点位置钢筋排布、模板定位和混凝土浇筑成型质量控制均存在技术难点。BIM技术以其三维可视、施工模拟、高协同和资源共享的特点，辅助实现复杂节点型钢混凝土结构施工。

1 工程概况

教学科研楼等4项(东南区综合楼(教学科研楼))、集体宿舍楼(留学生宿舍)工程,项目由中国人民大学投资建设，总建筑面积10.259万m2，地下3层贯通，为人防及车库区域以及各类重要机房，其中东南区综合楼(教学科研楼)的建筑面积为65 856 m2，地上18层，高度81 m，框架-核心筒剪力墙，3层～10层为各种智慧教室，11层～18层为大空间的实验室，其中东南区综合楼(教学科研楼)采用大量型钢混凝土结构形式满足设计要求。

2 施工技术重难点

2.1 设计特点

为解决教学科研楼框架-核心筒结构受力扭转不均衡，在结构上首层～5层核心筒东侧区域剪力墙暗柱与型钢框架柱之间布置了一种“剪刀”状钢骨斜梁，其中钢骨为Q345C，规格1 200 mm×1 200 mm的型钢混凝土柱，钢骨梁规格500 mm×800 mm，剪力墙800 mm厚，为型钢混凝土结构中最为复杂，也是施工质量控制的难点。

2.2 施工技术重难点

钢骨斜梁分别与型钢混凝土框架柱、暗柱形式之间相连接，其中BIM三维效果如图1所示。复杂型钢混凝土区域主要集中在核心筒剪力墙与型钢框架柱相连接区域，整体呈三角状连接。

1)型钢混凝土柱的箍筋加密，梁柱节点处钢筋密集，混凝土浇筑下落振捣困难，型钢混凝土质量控制是施工过程控制的重点[2]。2)每一层剪力墙暗柱形式包括L形、T形和弧形，多种转换形式复杂，要求更高的施工深化技术能力和组织协调能力。3)钢骨斜梁与型钢框架柱、暗柱相交，受力主筋为直径32三级钢，钢梁呈斜状且钢筋极其密集排布，定位技术水平要求高。4)型钢混凝土斜梁构件形成“两线一点”的多角度平面形状，圆心及曲线线段多，各点位高度关联，测控精度要求高。

3 BIM应用整体思路

3.1 BIM应用必要性

施工前，利用BIM技术对型钢混凝土结构复杂节点进行三维可视化模拟深化设计，优化出最优施工技术方案，为现场施工提供信息化技术支持，大幅度提升一次施工合格率，有效保证工序作业。

3.2 BIM应用可行性

基于BIM技术的可视化功能模拟型钢混凝土复杂节点的钢结构与钢筋的相对空间位置关系，通过浏览BIM三维模型统筹考虑复杂节点安排和方法，真正做到技术先行且可行，指导实际施工，辅助提升施工效率[3]。

4 BIM技术关键应用

复杂型钢混凝土节点施工整体施工顺序见图2。

4.1 型钢框架柱混凝土施工关键技术

以复杂型钢混凝土结构整体施工顺序为基础，总结形成型钢框架柱混凝土结构施工工艺流程[4]，如图3所示。

4.1.1 整体深化设计

为了解决型钢框架柱混凝土施工中振捣棒难以顺利插到底部的技术难题，基于BIM技术将型钢框架柱与钢筋进行三维空间深化并创新研发一种辅助振捣棒插入型钢框架柱的引导器，其中振捣引导器如图4所示。振捣器的应用，使得振捣棒顺着振捣器内上下振捣，有利于提升型钢混凝土结构内部混凝土的密实度。借助BIM技术，优化振捣器在型钢框架柱结构中的位置，见图5。

完成型钢框架柱与振捣器的深化后，通过借助BIM技术虚拟化模拟梁柱节点钢筋深化，形成复杂梁柱节点BIM三维深化图，如图6所示。

4.1.2 振捣棒引导器加工

通过BIM技术模拟引导器与振捣棒的相互关系，优化辅助引导器是由6根直径80 mm钢丝和直径为10 mm钢丝圆圈垂直点焊制作而成，圆环间距300 mm，振捣引导器实体图如图7所示。

4.1.3 钢筋绑扎及引导器安装

通过BIM技术对施工工艺分析，引导器与钢柱纵向受力钢筋和内圈箍筋不相邻，先绑扎钢柱内圈箍筋，完毕后，将引导器的上端部临时吊挂在邻近内圈箍筋上，然后绑扎外圈箍筋，待外圈箍筋每绑扎500 mm的高度将引导器拉至与外圈箍筋绑扎固定，安装效果如图8所示。

4.1.4 型钢框架柱模板施工工艺

型钢框架柱模板施工工艺流程：三维深化设计和加工→型钢框架柱测量放线及定位→模板吊装到位→合模→加固件咬合→安装楔形→水平检查及紧固→垂直检查→柱底砂浆封堵。BIM三维深化实施效果见图9。

4.1.5 型钢框架柱混凝土浇筑

运用BIM可视化的三维模型，对型钢框架柱混凝土浇筑顺序进行模拟动态演示。利用振捣器进行浇筑时，按照每一步浇筑高度倾倒混凝土拌合物，同时把振动棒插入设置好的振捣引导器内，振捣位置正确，快插慢拔，振捣充分均匀。

4.2 剪力墙结构施工关键技术

剪力墙结构施工的难点在于弧形墙钢筋和弧形模板的深化设计、加工和安装。基于BIM技术应用，对型钢梁柱和钢筋结构进行模型分析，使项目技术人员更方便、更直观地把握结构性能，预先掌握方案的施工顺序对结构的影响情况，形成优化方案[5]。

1)弧形墙钢筋三维排布深化。

基于设计图纸明确弧形墙钢筋的弧度、与斜梁交叉的碰撞、伸入暗柱的复杂节点，使钢筋的空间位置和锚固、连接方式满足设计规范和施工图集要求，分析钢筋整体空间排布和节点钢筋交叉分层错开布置的情况，对钢筋三维模型进行虚拟化碰撞检查。

2)弧形模板预制深化。

通过BIM技术利用圆弧定点切线定位法，计算弧形墙模板节点的标高和弧半径，并以三维可视化虚拟建造模拟弧形梁模板整体外观效果，通过提前与设计单位沟通，采取技术深化优化措施提前解决安装技术难题。

3)弧形钢筋加工下料。

基于BIM技术的弧形钢筋三维深化和优化模型，自动分析弧形剪力墙每段的弧度、长度，导出钢筋下料清单明细，并进行场外精细化加工[6]。

4)弧形模板预制加工。

基于BIM技术形成预制模板加工图，自动分析和导出弧形模板的施工工程量清单明细，明确模板的尺寸和数量清单，直接工厂化加工模板，实现模板高精度加工，有效保证模板的制作质量，最后对预制的模板依次编号。

5)弧形墙放线安装。

基于BIM技术计算出模板弧度并导出弧形剪力墙大样和剖面图。依据BIM导出的大样和剖面图，精确定位弧形模板角点坐标，采用全站仪完成现场弧形就位，实现弧形剪力墙高精确定位。

6)弧形墙混凝土浇筑。

为保证弧形墙混凝土连续施工，按照BIM深化效果，在混凝土初凝时间内，从弧形墙端部分别对称依次浇筑混凝土，保证混凝土的施工质量。

4.3 钢骨斜梁结构施工关键技术

4.3.1 钢骨斜梁结构施工工艺流程

钢骨斜梁施工主要流程：钢骨斜梁和型钢框架柱节点深化→型钢框架柱、钢骨斜梁预制加工→现场吊装→钢骨斜梁对接→钢筋穿插→模板安装→混凝土浇筑。

4.3.2 型钢框架柱及钢骨斜梁节点深化

基于BIM技术建立型钢斜梁、框架柱结构模型并进行钢筋模型的构建，重点控制钢筋伸至型钢框架柱的锚固长度、与套筒连接及深入耳板长度，并优化保证型钢框架柱钢筋与斜梁钢筋交叉的碰撞、钢筋深入支座的节点位置。深化效果如图10所示。

4.3.3 型钢框架柱和钢骨斜梁预制加工

利用BIM三维动态演示，展示型钢框架柱和钢骨斜梁吊装技术要点，并借助BIM模型导出精细化的加工详图，通过严格控制型钢框架柱钢结构加工与厂内预拼装。

4.3.4 钢骨斜梁的现场安装

利用型钢钢骨梁“两线一点”形成三角平面即框架柱中心点和核心筒剪力墙中心线，多角度钢骨斜梁位置两线一点及现场加工效果图如图11所示。钢骨斜梁结构安装精度：以钢骨斜梁结构作为参照物，实现模板、钢筋安装位置、角度的控制精度。

4.3.5 钢骨斜梁混凝土施工

钢骨斜梁混凝土梁内钢骨多且密集，混凝土振捣棒可操作极其狭窄。按照BIM深化，事先明确振捣的位置和频次，避免钢骨梁内部出现孔洞，同时加强混凝土的保温、保湿养护。

4.4 复杂节点混凝土施工关键技术

运用BIM技术进行三维虚拟样板引路，对节点位置浇筑顺序进行模拟动态演示，特别是对框架钢柱、剪力墙暗柱和钢骨斜梁相交部位的浇筑顺序进行详细的模拟研究分析，保证从钢骨斜梁中心向两侧依次对称浇筑，确保支撑体系受力相对均衡。最终实现多角度钢骨斜梁和圆弧剪力墙安装及框架钢骨柱混凝土良好的成型质量。

5 结语

BIM技术在复杂型钢混凝土结构施工过程中的关键应用，具有明显的技术应用优势。

1)基于BIM技术对复杂节点进行策划，将安装工序步步分解，有利于施工时钢结构和钢筋各工序穿插紧密，使得复杂节点位置的钢筋绑扎满足设计要求，大幅度地有效提高一次安装合格率。2)基于BIM技术能够实现复杂型钢结构构件的精确分析和现场安装精度的辅助控制，借助BIM技术对复杂节点深化优化和精细化管理提供技术支持。3)基于BIM技术的钢骨斜梁区域施工，实现了弧形钢筋和预制模板的深化设计、加工和安装一体化，为复杂异型混凝土结构构件施工提供一种设计施工一体化协同管理模式。4)BIM技术在复杂型钢混凝土中的应用作为一项创新技术，先进可靠，技术应用效果明显，为新技术应用示范工程创新技术的攻关和应用提供一种很好的范例。