BIM 技术在钢管束结构体系装配式高层住宅工程中的应用

范全全

（广西建工第一建筑工程集团有限公司，广西 南宁 530001）

0 引言

随着我国装配式建筑业的高速发展，催生出了多种结构形式的装配式建筑，其中钢管混凝土束结构相对于传统结构具有很大的优势，施工工艺较为新颖[1]。因其结构特殊，在设计阶段就要对转换层、柱脚及钢防火等进行重点设计[2]。在施工阶段，钢结构定位安装、钢筋桁架楼承板安装等工序要重点策划[3]。钢管束剪力墙进行自密实外包混凝土的施工，针对其多种形状要精确定位、拼装及加固[4]。塔吊在钢管束体系中存在局限性和风险性，需对其进行附着锚固[5]。为克服钢管束结构施工中的困难，本文通过对该种结构高层住宅工程中所遇到的重难点结合BIM 技术进行描述，根据现场实际情况分析该结构体系与BIM 结合时的工艺流程改进。

1 BIM 与钢管束结构体系概述

钢管束结构体系主要是将多根标准化、模块化的钢管连接，形成一个钢管线的整体，再在其中浇筑混凝土形成管束，作为主要的抗侧力构件和主要承重构件。由于其特殊性，针对钢管束剪力墙、楼承板、阳台铝模等各种结构构件预先建立BIM 模型，通过模型模拟分析，从而优化施工工序、提高管理水平。

2 工程概况

轨道·壹号城3 号楼、5 号楼及地下室工程位于广西南宁市青秀区高坡岭佛子岭路口。本工程2 个单体工程，建筑高度99.8m，总建筑面积53 016.29m2，是广西首个采用钢管束体系的装配式建筑，主体结构装配的预制构件包括钢管束组合剪力墙、矩形钢柱、H 型钢梁、钢筋桁架楼承板，装配率为49%。

3 BIM 技术应用

3.1 深化设计阶段

本工程采用无外架体系，因此生活阳台与绿化阳台施工难度大，支模困难。项目利用BIM 技术建模研制出一种装拆快捷、浇筑一次成型的阳台异型现浇装饰线条成品铝模如图1 所示。阳台铝模由立杆、斜撑拉杆、横杆、支撑立杆、角腿等组成，通过1mm 厚不锈钢板、L3*3 角钢及L4*4 角钢、φ12 螺纹钢焊接而成。解决了支模困难问题，提高阳台结构施工效率，成型效果良好。

图1 阳台铝模模型

钢管混凝土束组合结构不具备外架施工及拉结条件，传统的临边防护不适用装配式钢管束建筑。项目部利用BIM 技术设计研制出一种适合钢管束建筑的新型防护栏杆，该新型防护栏杆根据不同的临边长度专门定制，实用性强，装拆方便，可在楼板未浇筑混凝土之前使用，且不影响其他工序施工，为项目安全保驾护航。钢管束构件（钢管束组合剪力墙/钢柱/钢梁）等构件吊装安装施工时，无须外立面安全防护，只需采用安全爬梯、生命线或安全带等作为施工人员的安全防护措施即可施工。本工程两栋主楼每层各有飘窗13 个，阳台8 个，为现浇混凝土构件，模板安装和混凝土浇筑施工时，外立面必须有安全防护构件才能保证施工安全。

本工程5 号楼，3 号楼标准层每层各有飘窗13 个，共26个。定型化防护及悬挑水平兜网无法为飘窗施工提供有效的外部防护。在厂家定制租用悬挑防护罩成本高，故项目部利用BIM 技术自行设计了一种悬挑施工防护罩如图2 所示，节省了防护成本。

图2 外防护罩模型

钢管束体系与传统结构不同，由于剪力墙尺寸较大、户型设计可能限制地下室的布局导致车位等空间较为狭小。机电管线及支吊架不能后期随意开洞，对施工造成影响，利用BIM 对机电管道进行优化排布精确指导现场如图3 所示，发现并解决了碰撞问题200 余处，对复杂节点建立了参数化组合支吊架模型并进行了受力分析，确保了安全性。

3.2 施工阶段

钢管束结构浇筑混凝土过程中，当使用塔吊料斗与第一代漏斗进行浇筑，由于料斗需要在钢管束剪力墙中来回移动，容易造成漏浆现象，浇筑一节钢管束约需要40h，进度缓慢。针对钢管束体系结构封闭式、浇筑混凝土时无法振捣，靠混凝土自己流平自己密实，对混凝土的骨料粒径及数量、和易性及流动性等工作性能要求很高的特点，项目自主研发了自密实混凝土。建立BIM 模型指导现场下料制作项目第二代混凝土浇筑斗，浇筑一个标准层的时间，比用常规料斗直接浇筑的方式缩短10h。建立BIM 模型指导现场下料制作项目第三代混凝土浇筑斗，浇筑一个标准层的时间，比用第一代料斗的浇筑方式缩短5h。

钢管束结构楼承板原来的施工方法包括铆钉间距20cm，高低侧缝是采用发泡胶封闭，边缝采用15mm 胶合板+竖向短方木支撑在钢梁下翼缘进行回顶等，在5 号楼四层楼板拆模后发现了部分问题。其中铆钉间距20cm，出现楼承板搭接缝处楼面混凝土高低错缝严重问题，约5～6mm，影响楼板的平整度。楼承板横向搭接拉铆钉间距调整为10cm 以内，加密铆钉，间距控制在70mm 左右（两个扣子之间三等分位置）。在楼承板跨中范围在回顶区域范围内，拆除一排卡扣，回顶在卡扣位置，回顶宽度由20cm 增加至30cm，该问题有了明显改善。高低侧缝采用发泡胶封闭，钢梁上因标高而存在的高低错缝采用泡沫胶堵塞，在浇筑时容易脱落并导致漏浆。根据BIM 模型计算出的洞口封堵材料尺寸进行精准下料，确保封堵严密。边缝采用6mm 五合板+方木+立杆顶托回顶，相关问题得到良好改善。为保证上层人员施工时的安全性并加快施工进度，宜使用从下至上的铺设方式。利用BIM 技术进行钢筋预排布，确定钢管束穿孔位置，工厂提前开孔，减少现场楼承板安装工序。同时将模型用于工艺交底，提高交底效率。

钢管束拥有T 形、L 形、U 形、Z 形等多种形式，模板通过内支撑钢筋及螺杆进行加固，模板应拼装准确，最后用串筒或溜槽引流分层浇筑。模板设置未考虑钢管束墙两侧混凝土施工，若按原方案对模板进行开孔定位会导致模板无法正确安装，最终安装模型重新对模板进行开孔定位。外包100mm 厚混凝土施工中使用的特制七字型螺杆原设计螺杆与钢筋为140mm 单面焊，过长的焊接长度会导致无法将混凝土厚度控制在100mm，使用BIM 技术建立模型经讨论后决定将螺杆与钢筋的焊接改为100mm 双面焊。通过模型提取钢筋、模板、螺栓、钢管、混凝土、钢管束等构件的工程量信息，形成未来一定时间内的材料需求计划表，并编制劳动力和机械设备使用计划，为项目施工准备提供依据；此外，施工过程中向系统录入实际人、机、材料用量与实际进度，进行大数据分析并与计划进行对比，辅助项目找到生产管理中出现问题的原因，并对未来可能出现的问题发出预警。

5 号楼，3 号楼标准层每层各有飘窗13 个，共26 个，由于飘窗为悬挑构件，并且作为二次构件进行混凝土浇筑，项目迫切需要一种能够在悬挑构件施工时提供有效外部防护的构件。经过BIM 建模及测算，外立面施工采用传统外架方案，搭设、拆除及租用成本较高，而采用新型悬挑构件施工外防护罩+吊篮施工方案仅需不到一半的成本，可节约一半的成本费用。原外墙做法为镀锌方通龙骨外安装采用轻钢龙骨+岩棉+CCA 板或岩棉薄抹灰的做法，达到防火、保温及装饰效果。经过模型+实体样板+实地考察的方法，认为此种工艺施工复杂，难度大，且存在质量隐患，故需寻求新型施工工艺，通过BIM 建模创新性研发10 道工艺组合而成的新工艺如图4 所示。

图4 钢管束外墙保温节点模型

建筑四周各建筑都在施工中，导致没有空闲的场地堆放材料；且建筑基础标高在负十几米，四周都存在断崖式护桩，现场只有唯一条进场路线，因此部分区域无法行车，项目处于两个项目的中间，施工场地狭小。项目利用三维场地布置模型判断出重型钢构件的材料堆场位置和大小，并以此为依据，搭设独立回顶支架模型，将浇筑地下室顶板后拆除的架体与回顶支架分开搭设，避免回顶支架误拆及回顶定位不准的问题，减少回顶施工工序，节约人工成本，提高拆模施工效率。

本工程梁为钢梁，塔吊附墙预埋件无法固定在钢梁位置，塔吊附墙需穿钢管束混凝土墙附着。在钢管束墙体留洞，若施工精度不足易偏位从而需要扩孔等问题，同时扩孔后封堵易发生渗漏现象，具有一定的隐患风险。由于钢管束剪力墙之间间距较小，4 根塔吊附墙排放位置十分有限。采用BIM 三维可视化模拟，反复调整塔吊放置角度和附墙安装位置，同时在高度方向避开钢梁位置。进一步对塔吊附墙穿钢管束混凝土墙深化，研究穿墙连接体系。经过多次模拟，决定在钢管束剪力墙上预留4 个孔径为φ28 的孔洞，将两块6mm 厚的穿墙螺栓垫板放置在墙体两侧，采用长360mm 的全牙穿墙螺栓配双螺母进行固定，深化完成后导出施工图指导施工。项目与其他标段多个塔吊施工范围有重叠，为避免碰撞影响作业安全，开工前项目部就通过BIM 技术模拟群塔作业。钢管柱数量300 根，最大构件重量为7.8t，材质Q345B，钢管束剪力墙800 片，最大构件重量为5.8t，H 型钢梁拥有7 800 根，根据吊装范围和最大起重量（要求塔吊40m 处吊装重量达3.5t）在BIM 软件中模拟确定塔吊型号。

根据钢柱分布及重量，通过BIM 模型测量可知最远钢柱大约有50m，重量为3.8t，再考虑吊钩1.2t 左右，50m 作业半径吊装重量为5t 经计算查询，使用100t 吊机可满足吊装需求，且为了减少吊车租赁费用，远距离钢柱吊装完成后，更换50t中型吊车进行中距离钢柱的吊装，最后的近距离吊装时采用25T 吊车进行吊装。钢管束构件体积大数量多，为合理利用空间及时间，对吊点及吊装顺序在软件中进行模拟，以确保吊装安全及在施工过程中加快进度。

针对该工程的特殊性及结构新颖性，采用多种BIM 智慧建造技术进行全方位把控。其中每月通过平台对于项目发生问题进行统计分析，累计形成质量问题157 项，及时整改率达92.99%。对工地环境PM2.5、PM10、温度、湿度、风速、雨量、噪声等进行监测。当相应参数达到预警值时，平台可以向管理人员推送报警信息，提醒扬尘治理。通过工人佩戴装载智能芯片的安全帽，实现实名登记、无感考勤、作业面人员分布、人员定位、人员轨迹、语音警示、滞留提醒等。并与高校合作开发，共同研究指南安全帽在项目上的应用。识别现场不规范的行为，通过信息化的手段实时进行现场监管。利用AI 技术进行钢筋材料的自动点验，减轻工人清点钢筋数的工作量。当有异常人员出入时，现场声光报警，同时将报警数据推送至智慧工地系统。智能临边防护网检测系统，实时检测施工现场临边防护网状态，当防护网遭到破坏时可实时报警通过智慧工地系统显示临边破坏位置，快速定位追溯相关责任人。管理人员通过设备监控，实现远程在线实时视频监控，实时、直观地掌握项目现场动态情况。通过烟感探测器实时检测施工区的日常消防安全情况，一旦工人违规行为产生大量烟雾，探测器立即报警，避免引发火灾。

4 结论

本文通过BIM 技术与钢管束结构体系有效结合，明确了自密实钢管束混凝土浇筑方式、钢管束外包自密实混凝土、新型钢管束定型化栏杆、阳台异型现浇装饰线条成品铝模等施工工艺流程的控制要点，应用结果表明该类技术可节约材料使用量，提高了构件施工精度，缩短了施工时间，避免了不确定性造成的质量及安全隐患，为钢管束结构体系装配式住宅施工积累了经验。