BIM 技术在模板脚手架设计与施工中的应用

廖 飞 张 坤 周 文 张文强 丁 诚

中建-大成建筑有限责任公司 北京 100080

1 工程概况

某模板脚手架工程为高层城市综合体，涵盖了商业、写字楼、酒店、会议中心等功能建筑。建筑面积为3.15×105m2，高度为60m，结构层数19 层。工程拟用模板为长1830mm、宽915mm、高15mm 的覆膜胶合板，脚手架为φ48.3m×3.6m 的普通钢管脚手架。

该模板脚手架项目结构高度复杂，模板周转次数较多，现场割据作业强度较大，且场地狭窄，对模板脚手架进场控制造成较大困难。若采用传统模板脚手架，存在设计工序繁琐、材料统计误差因素多等问题，且无法确保外在视觉效果。

为此，根据模板脚手架设计需求，首先完成模板脚手架建模。在三维可视化平台上，将模板脚手架组成构件修改为插件格式，获得三维模板脚手架信息模型。借助BIM技术进行模板脚手架施工与配模，同时统计工程量，开始模板的集中加工，确保模板脚手架项目的精细化水平。

2 BIM技术在模板脚手架设计中的应用

2.1 建立模板脚手架族库

模板脚手架族库构建是BIM 技术在模板脚手架设计中应用的前提，可以大幅度提升模板脚手架设计效率及图像准确性。在模板脚手架构件族模型制作时，选择标准构件族中建筑族分组的常规模型。在模板脚手架构件族制作时，逐次进行杆类、顶托、可调底座及其他部件的制作[1]。

在杆件制作时，借助Revit 软件“构件”按钮下“内建模型”栏的常规模型拉伸功能，进行圆钢管基础族绘制。绘制后，设置壁厚（TH）、标高上长度（E）、内筒直径（DI）、相对标高下长度（S）、外壁直径（DO）等参数，载入构件族内（见表1），明确各构件族内基础圆钢管的直径、长度。

表1 模板脚手架族库 mm

在不同圆管参数设定的基础上，设定连接盘厚度为10mm，经Revit 软件拉伸做成基础族，载入待绘制构件族内，与钢管组合固定。一般焊接横杆插头应用于横杆，斜杆插头则应用于斜杆（水平/ 竖向）。根据相对位置，将基础构件组合成不同类别的杆件，并进行构件截面尺寸、重量、材质的一体化设置。比如，1500mm 横杆长度为1436.600mm，相对标高下长度为78.500mm，标高上长度为1421.500mm，重量为10.53/ 11.77kN，截面尺寸为φ60.3mm×3.2mm。

在顶托与可调底座制作时，选择普通8mm 厚钢板，借鉴杆件圆管参数设置标准，进行钢管长度与模型类型调整，或者进行可调螺母位置参数的单独设置。如450mm长的可调底座材质为Q235，长度为450.000mm，相对标高下长度为8.000mm，标高上长度为458.000mm。

在其他构件制作时，选择Revit 软件内标准尺寸构件，默认长度单位，进行多尺寸钢板组合。如龙骨长度默认1000mm 单位长度。

2.2 搭建模板脚手架模型

在族库搭建完毕后，将整个模板脚手架视为一个格构柱、格构间部分框架组合，恰当调整立杆布置方式、斜杆布置方式。一般需要先绘制轴网，在轴网内定义格构柱，确定模板脚手架结构体系的生成位置。在上边界、下边界一定的情况下，于Revit 软件内，经On Startup()方法重载，并在Tab 操作栏加载系统Panel 内族，自动搭配顶撑、立杆、底座、斜杆、垫块以及安全网、护栏、脚手板、龙骨等辅助结构，促使轴线位置生成模板脚手架整体框架。

2.3 设计模板脚手架方案

在模板脚手架模型构建完毕后，输入设计参数，点击Revit 软件内“配置确认”按钮，在参数设置窗口下弹出的提示字体内查看设计校核。并点击选择“设计校核”按钮，查看前期配置脚手架参数信息通过与否，包括布置参数（立杆纵距、横距、步距等）、荷载参数（基本风压、施工荷载、风荷载体型系数等）。若顺利通过，则开展下一步确认操作，获得模板脚手架设计成果。模板脚手架布置参数和荷载参数设计校核分别见表2 和表3。

表2 模板脚手架布置参数设计校核

表3 模板脚手架荷载参数设计校核

根据设计校核结果，经Revit 后台计算，可以确定大横杆的抗弯强度与最大挠度、小横杆的计算强度与最大挠度、单扣件康华承载力与不组合风荷载立杆稳定性、组合风荷载立杆稳定性和连墙件稳定性均满足要求。进而导出模板脚手架专项方案计算书，并在Revit 软件智能生成按钮的支持下，选择需要生成的模板脚手架层数，根据要求生成对应层数的模板脚手架三维可视化模型。

3 BIM技术在模板脚手架施工中的应用

3.1 虚拟仿真施工

在模板脚手架三维立体模型建立的基础上，根据表1、表2、表3，进行模板脚手架模型参数设置。在模型参数设置完毕后，关联模板脚手架工艺参数、施工因素，开展虚拟仿真施工，预先协调模板脚手架设计施工问题，提高模板脚手架施工期间资源匹配度，确保施工效率。

根据模板脚手架施工实践情况，区域支撑架体为φ48.3m×3.6m 普通钢管脚手架。基于此，可在BIM 模板脚手架设计模型中，进行计算依据、结构类型、材料安全参数、构造要求的复核。确认无误后，利用在Revit 软件自带智能计算模块、布置引擎，在短时间内完成立杆、横杆、连墙件、支撑架的虚拟布置，并实时展示每一部分的安全计算结果，满足模板脚手架工程流水段施工安全开展需求[2]。同时，根据高支模特点，后台生成危险性分析计算书。并在对模板脚手架施工关键节点进行局部放大处理的基础上，自动验算局部失稳风险、返工概率与外在整体美观性。根据验算结果，自动调整或指导施工者调整模板脚手架构件位置，避免返工问题。通过虚拟修正模板脚手架三维模型中楼梯间部位、阳角部位，可在确保高大模板支撑体系施工安全性的同时，降低施工期间模板脚手架配件材料无价值损耗率。在支撑架虚拟仿真施工的基础上，根据1830mm×915mm×15mm 的覆膜胶合板特点，选择适宜规格的原材料，智能设置梁下模板切割方式、切割损耗率、模板拼接最小块数、墙柱模板拼接方向、裁切缺口边最大值、水平模板配莫模方式等参数，一键快速配模，降低高大支模施工中配件无价值损耗或固体废物大量产生概率。一般需要先提取BIM 配模立体模型，再确定模板位置关系，最后分析模板切割情况并输出配模图与配模详细列表。通过虚拟方针施工成果输出，可以为模板脚手架现场实体施工提供充足支持，实现源头材料的精准化应用，确保工期内高质量施工任务顺利完成。

3.2 精细化施工管理

借助BIM 算量软件，搭建三维与二维结合的模板脚手架施工模型，快速读取模板脚手架各个施工工序的信息，奠定精细化管理基础。进而从模板脚手架工程中无法把握的施工细节着手，进行针对性管理。在全面平衡模板脚手架施工期间人力资源、材料资源、设备资源的基础上，可以借助Revit 软件建立模板脚手架识别区域，对构件深化加工、运输检查、安装验收整个过程进行追踪定位。比如，爬梯是模板脚手架体系的重要组成部分，常用的爬梯为结构形式固定且构造方法简单的外部爬梯。在外部爬梯施工期间，施工人员可以借助BIM 技术全程监控管理施工过程。并从前期构建的模板脚手架构件族库内导入底座、布置、护栏等信息，由后台自动判定施工期间底标高、顶标高偏差，在后台报错后，及时提醒施工人员修正。进而以底标高、下生根间距与可调底座下限为控制节点，在三维软件内判定爬梯下生根位置，根据后台报错结果提醒人员修改，反之则生成单元模型，为后续验收提供依据。

3.3 三维可视化交底

传统施工中，因图纸均为二维平面视图，模板脚手架专项施工方案编制需要时间较长。加之有的操作者基础知识水平不高，无法有效理解设计图纸，操作人员技术交底难度较大、耗时较长。同时在实体施工中，杆件尺寸选择、横杆步距确定、立杆间距确定、剪刀支撑布置等问题长期存在于阴阳角施工环节，交底难度较大，对工效工质造成了较大的负面影响，甚至引发复杂节点搭设错误返工、局部失稳、机械窝工等系列问题[3]。基于此，可以在Revit软件内一键生成模板脚手架三维施工软件，自动智能验算计算书、材料清单与模板脚手架专项施工方案，多视角展示模板脚手架三维立体图纸。同时利用虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）技术与BIM 技术，对操作者进行交底。在技术交底期间直观显示相邻立杆之间距离、各个复杂阴阳角杆件尺寸、剪刀支撑位置、横杆布局，有效指导操作者按图施工，降低技术交底难度。

4 结语

综上所述，在模板脚手架设计与施工中应用BIM 技术，返工率有效下降，工期有效缩短，可以确保工程效益，应用推广可行性较高。因此，在模板脚手架工程开展过程中，设计人员应借助BIM 技术，构建模板脚手架三维模型。而施工人员则可以根据模板脚手架三维模型，进行虚拟仿真施工与精细化施工管理，同时开展三维可视化交底，预先确定模板脚手架实体施工期间与预埋管线或设备碰撞问题，及时交底，确保模板脚手架实体施工高效高质开展。