BIM技术在扣件式高支模架中的应用优势及高支模架稳定性影响因素分析

狄春锋

（中铁建设集团有限公司，北京 100043）

0 引言

扣件式钢管高支模架作为一种复杂的多层多跨空间框架体系，主要运用钢管和连接扣件组成，支撑体系中的钢管如水平、竖向、对角斜支撑通过连接扣件牢固连接，形成稳定支撑框架。由于目前复杂的建筑物建设需要，其中大跨度和大截面的模板工程日益增加，对高支模架的需求不断提高，但是存在设计、施工和安全监管方面的缺陷。比如会有安全监管不到位、未及时排除各种安全隐患等问题，导致坍塌事故屡次发生，凸显出该支撑体系在使用中亟待解决的问题。

目前多位学者分别对脚手架支撑体系遭到破坏的原因进行分析，主要从设计不合理、现场施工质量、管理和维护的缺乏或使用材料的低质量以及安全技术规范的不足等方面进行分析[1]。同时，也有学者通过有限元数据分析从施工材料、连接节点设置、立杆步距、立杆横纵距等方面提出了参考建议。然而，在高支模架体系，特别是扣件式高支模架体系的工程实例分析和三维模型应用方面的研究较为有限。鉴于这些原因，本文对某三层厂房施工中的扣件式高支模架体系稳定性展开研究，首先使用Revit建模，通过BIM模型的多角度应用，将模型导入有限元软件中进行计算分析，旨在为实际工程提供有益的参考，进一步规避潜在问题的发生。

1 工程概况

某三层厂房，层高为8.55m，结合高支模的需求，选择适用于大型框架高支模安装的门式钢管脚手架作为支撑基础。在此基础上，采用180mm的高支模板，最大截面为1200m×1200m。为确保支撑系统的稳定性，选择木质模板和木胶合板作为高支模的核心支撑材料，配备适当的高支模设施（见表1所示）。

表1 高支模安装材料选择

2 扣件式高支模架结构

在建筑工程中，高支模是指在特定条件下采用的外架式建筑模板系统，又被称为脚手架式模板。通常，当混凝土模板支撑系统的支模高度达到或超过5m、搭设跨度超过18m、集中线荷载达到或超过20kN∕m、施工总荷载达到或超过15kN∕m2时，或者工程规模较大、分部分项工程超高、超重、危险性较大时，需要使用高支模进行作业。

扣件式高支模架是一种为建筑施工而设计的临时支撑结构，其构件包括扣件和钢管等。扣件采用螺栓紧固的扣接连接件，主要结构组成见图1所示。这种结构主要用于支撑水平混凝土结构模板，并通过其组成扣件来提高整体稳定性。

图1 高支模架结构示意图（正视图）

3 BIM技术在扣件式高支模架中的应用优势

3.1 BIM模型提高项目施工效率

通过使用参数化的扣件式高支模架族，有效提高了建模效率。参数化族允许用户定义不同杆件相关属性，通过前期设置后，后期用户在查看BIM模型时能够直接获取各杆件基本信息，如生产厂家、成本、杆件编号等。同时，参数化族还通过建立公式，根据用户输入的长度和宽度尺寸类型定义边界条件，自动进行计算并获取其他尺寸，从而可以轻松地获得符合项目需求的扣件式高支模架BIM模型。

通过将参数化的族导入到项目模型中，并根据项目要求调整尺寸参数，BIM模型可以用于工程量的计算。在完成支撑体系的BIM模型后，填入并计算数据，就可以导出工程量清单，获得工程量的总数。这样可以在设计阶段提前获取项目的工程量清单，减少施工材料的浪费，简化材料的进场管理，有助于更好地控制施工进度，方便施工方案的技术交底。通过BIM模型，施工成本、施工管理、施工进度等方面的可控性得到有效提高，减少了施工返工次数，降低了施工资源的浪费[2]。

3.2 BIM模型应用于监控方案设计

通过提升扣件式模板支架材料的承载能力，并结合BIM技术进行实时监控，确保施工中的技术参数处于有效承载范围内。根据日常工作中重点关注对象，确定选择模板中跨度大和悬挑梁等重点部位进行关注。

通过BIM模型的可视化应用，可以在创建主体工程结构和架体工程结构模型后，将结构信息导入BIM安全监测系统。施工现场保持通信网络全面覆盖，引入结构施工安全预警机制，在关键监测点和结构薄弱环节安装传感器，实时监测架体结构的重要参数，确保数据的准确性。这些监测数据按照标准导入BIM安全监测终端，由监理人员和技术人员进行结构受力与变形的实时分析，能够及时获取结构状态的全面数据，为安全决策提供强有力的支持。

由图2可知，通过实时监测点位置信息的捕捉，将数据传输到现场监测终端，确保专项数据的实时获取和传输。在此过程中，设置了施工安全预警限值，当终端接收到超过限值的数据时，安全监测中心会立刻触发预警提示。预警提示生效时，现场报警器会亮红灯并发出警告，从而引起施工人员的重视，借助触发点信息，则可以让现场人员快速定位失稳点，根据实际情况进行及时调整，从而可以确保整个施工过程的安全与稳定性。

图2 BIM安全监测结构流程图

3.3 协助制定现场操作技术的安全管理措施

传统的安全管理模式存在一些不足。由于传统方法较难实现对施工过程的实时监测和模拟，限制了对潜在问题的及时发现和解决，容易出现沟通不畅、误差较大的问题。面对现代化建筑项目的复杂与独特化，传统模式的协同工作相对受限，难以实现多方面的紧密合作。因此，引入BIM技术对高支模项目进行安全管理有着非常重要的意义。

使用BIM技术协助高支模项目进行安全管理具有较大优势。首先，通过实时可视化的支模三维模型（见图3所示），实现空间协调和布置的最佳化，有助于施工人员清晰理解结构并提高操作效率。其次，BIM技术的碰撞检测功能能够及时发现并解决支模与其他构件之间的冲突，减少施工误差。此外，通过模拟施工、优化材料和协同工作，显著提升了施工效率，削减了成本，并优化了资源利用。数字化管理支模数据和文档确保了信息一致性，促进了更紧密的协同合作。

图3 三维高支模架结构示意图

4 扣件式高支模架稳定性影响因素分析

扣件式钢管高支模架由横（纵）向水平杆、立杆、竖向（水平）剪刀撑、顶托、底座以及各种扣件组合而成，是一种复杂的多层多跨的特殊空间框架。为深入研究扣件式钢管高支模的稳定性影响因素，本文运用BIM技术建立有限元模型，着重模拟和分析扣件型钢管脚手架高支模架体的具体构件对整体稳定性的影响。在研究过程中，特别关注横纵向剪刀撑的搭设方式以及使用的材料对高支模架的稳定性产生的影响。通过模拟与分析，旨在全面了解这些因素如何相互作用，进而提出优化方案，以提高扣件式钢管高支模架的整体稳定性。这项研究不仅有助于加深对高支模结构特性的理解，还能够为实际施工提供有力的技术支持和指导。

4.1 搭设横纵向剪刀撑对高支模架稳定性的影响

剪刀撑在高支模中的施工工艺对稳定性影响巨大。在立杆纵横间距为0.9～1.2m的条件下，沿架体外侧周边和内部纵横间隔4跨，由底至顶连续设置剪刀撑，宽度通常为3～5m。水平剪刀撑要与架体底面保持小于6m的距离，同时控制剪刀撑之间的距离。斜杆和地面保持45°～60°的倾斜角，水平剪刀撑与支架纵横的夹角为45°～60°。斜杆通过搭接方式连接，长度≥1m，通过4个旋转扣件连接，保持端部扣件和杆端距离≥100mm。剪刀撑设置在相交的横向水平杆或立杆上，确保旋转扣件中心线和主节点距离＜150mm。在架体宽度＞3m时，采用抛撑加强支撑体系抗倾覆能力，在脚手架转角处和端部设置竖向斜杆，斜杆间隔小于4跨；架体高度＞24m时，斜杆间隔小于3跨。

剪刀撑的布置对高支模架的稳定性有着不同程度影响，该剪刀撑通过铰接与立杆相连，高支模架体四周无约束；以架步数20步的架体作为分析对象，X向16跨，Y向8跨进行分析，考虑节点的半刚性特性，通过改变其参数的设置情况来进行架体屈曲承载力分析，如图4所示。

图4 剪刀撑布置对架体屈曲承载力的变化情况

如图4所示，在同时横纵布置剪刀撑的情况下，通过图形观察发现架体的临界力一直呈上升趋势。与不设置剪刀撑的情况进行对比，设置剪刀撑时的临界力明显提升，约为不设置时的4倍。这直观地展示了剪刀撑对于架体临界力的重要性。在施工阶段，需加强对剪刀撑设置的监督，特别是在架体刚度相对较弱的部位。横纵同时设置剪刀撑可以有效增加整体刚度，从而进一步提升架体的临界力。

4.2 使用材料对高支模架承载力的影响

常见的问题之一是脚手架工程中普遍存在的钢管直径不符合标准。为了深入研究钢管直径对架体整体屈曲承载力的影响，本研究通过构建多个模型，在保持立杆、水平杆等构件设计不变、钢管壁厚不变的基础上，仅改变钢管直径。本文分别取直径46.8mm，47.1mm，47.4mm，47.7mm，48.0mm，48.3mm，见图5所示。

图5 架体屈曲承载力随钢管直径的变化情况

钢管厚度同样也有不同程度的影响，建立不同钢管管壁厚度的模型方案。钢管管壁厚分别取3.0mm，3.1mm，3.2mm，3.3mm，3.4mm，3.5mm，3.6mm，方案模型分别取4种不同的管壁厚（立杆横向间距×立杆纵向间距×水平杆）方案，见图6所示。

图6 架体屈曲承载力随钢管壁厚的变化情况

通过比较钢管直径减小和钢管壁厚减小对承载力的影响，发现钢管壁厚减小对整体屈曲承载力的影响更显著。在实际工程中，选择和检验钢管时应特别注重钢管的壁厚，以防止使用不符合规范的钢管，同时需对钢管及其他脚手架重要部件的质量进行严格控制。通过这些举措，可以最大程度地降低初始缺陷对架体整体稳定性的负面影响，确保脚手架在使用中的安全可靠性。在实际工程操作中，需要持续关注并改进这些方面，以进一步提升脚手架工程的施工质量和安全水平。

5 结束语

为提高扣件式高支模架施工的安全性和稳定性，以减少施工现场的安全隐患，本文引入BIM技术，并在多个方面通过建立BIM模型，运用可视化功能，及时发现施工中的潜在问题，确保全程监控，避免由于模板结构不稳导致的安全事故。同时，通过有限元软件进行分析，可以确定合适的横纵向剪力支撑，并强调对钢管和其他脚手架关键部件质量的严格控制，这是提高高支模架稳定性的重要条件。BIM技术在扣件式高支模施工安全稳定性方面表现出显著的可行性，能够有效保障和优化施工现场的安全操作，以解决潜在的多种安全隐患。