BIM技術(shù)下復雜節(jié)點施工的方案設(shè)計應用
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［摘要］某工程為帶上蓋開發(fā)的地鐵車輛段，其跨度大，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)多，型鋼柱、梁、剪力墻數(shù)量多，分布廣，且其型鋼與外包混凝土，鋼柱、鋼梁、鋼板剪力墻與鋼筋的避讓與連接是工程施工難點，鋼筋與型鋼的連接主要采用“繞”“穿”“焊”的方式。當空間條件允許的情況下，鋼筋繞過型鋼；在開孔率可控的范圍內(nèi)，鋼筋穿過型鋼；兩者均無法實現(xiàn)時，鋼筋通過預制的連接板與鋼結(jié)構(gòu)焊接。如何合理地設(shè)計“繞”“穿”“焊”的覆蓋范圍，是解決本工程施工難點的關(guān)鍵。通過三維模型，可直接反映出該節(jié)點的鋼筋與鋼筋之間，鋼構(gòu)與鋼筋之間的關(guān)系。型鋼剪力墻結(jié)構(gòu)鋼筋接頭形式與施工方法基本相同，但比型鋼框架結(jié)構(gòu)更為復雜。
［關(guān)鍵詞］bim；鋼筋；型鋼剪力墻
1基于BIM的方案設(shè)計要求
對于復雜的型鋼剪力墻節(jié)點，施工過程中的難點在于需要在施工開始前進行合理的施工方案設(shè)計，以便施工時各項環(huán)境要素滿足施工條件，避免出現(xiàn)因節(jié)點設(shè)計不合理導致的施工難度增加。正因為如此，這一環(huán)節(jié)需要耗費大量的工作且經(jīng)過交底后依然可能受限于施工工藝、施工順序等因素而無法順利施工。工程上通常的做法是利于BIM技術(shù)對施工節(jié)點進行提前模擬，利用BIM技術(shù)可視化的特點，提前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。通過工程中實際用為的BIM技術(shù)案例，來探討該項技術(shù)對工程的支撐。
2工程實例與BIM模型
2.1工程概況
本工程位于北京市北安河車輛段廠區(qū)，總用地面積約30萬m2，由地鐵維修庫及住宅開發(fā)等部分功能組成，地鐵維修庫由咽喉區(qū)、運用庫、聯(lián)合檢修庫3部分組成，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，無地下室。本工程結(jié)構(gòu)底標高–4.600m，頂標高14.150m，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)集中在咽喉區(qū)、運用庫以及聯(lián)合檢修庫，用鋼量約4萬t。工程采用型鋼混凝土，主要鋼構(gòu)件類型為組合柱、十字形、H形、圓管及鋼板墻組合結(jié)構(gòu)，最長鋼柱13.15m，最大截面尺寸為組合柱2900mm×800mm×30mm×50mm，單體最大重量約28t，鋼材型號均選用Q345B。
2.2關(guān)鍵技術(shù)難點與特點分析
本工程為帶上蓋開發(fā)的地鐵車輛段，跨度大，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)多，型鋼柱、梁、剪力墻數(shù)量多、分布廣，其中型鋼柱1311根，型鋼梁2235根，型鋼剪力墻132片，其規(guī)模較大且罕見。其施工難點有以下5方面。（1）型鋼斜撐與型鋼柱斜交形成K形節(jié)點，斜撐部位梁鋼筋與斜撐外露型鋼節(jié)點復雜，型鋼柱頭部位框架梁鋼筋與型鋼柱連接部位多，連接節(jié)點多。（2）框架柱鋼筋與型鋼柱連接主要采用焊接連接，盡量避免使用鋼筋連接器，以免因連接器將鋼筋位置固定死，導致鋼筋不能靈活調(diào)整。（3）柱頭部位鋼筋較密，且存在多根框架梁相交于同一柱頭的現(xiàn)象，導致多層鋼筋互相重疊，鋼筋與H形鋼柱連接及鋼筋標高的控制難度很大。（4）柱鋼筋盡量繞過型鋼梁，在柱底生根部分鋼筋無法避免與型鋼梁連接時可使用鋼筋連接器，并在鋼梁上下翼緣板之間設(shè)置連接板。（5）鋼筋直徑大，柱主筋一律采用直徑40mm的，構(gòu)造筋采用直徑16mm的，梁主筋采用直徑25mm,32mm的，導致鋼筋間距較小。梁柱、墻柱節(jié)點鋼筋根數(shù)較多，所有梁柱節(jié)點均存在抗剪托座及預應力筋，節(jié)點處最多時鋼筋根數(shù)達120根。預應力筋須滿足自身預應力束布置規(guī)范。
3.1問題分析
（1）在組合鋼柱或墻連柱中，型鋼截面較大，部分型鋼在水平方向突出墻柱豎向主筋界面，導致柱外側(cè)箍筋及內(nèi)圈箍筋與型鋼碰撞，須在型鋼上預留箍筋孔洞。（2）鋼梁上下翼緣板寬度范圍內(nèi)柱豎向主筋與翼緣板相撞，無法通過。鋼柱寬度范圍內(nèi)梁主筋與柱翼緣板或柱腹板相撞，無法通過或不滿足錨固長度。（3）鋼柱插入承臺內(nèi)部，承臺鋼筋籠水平鋼筋與鋼柱翼緣板及腹板相撞，利用開孔通過。（4）柱豎向鋼筋與地梁托座上翼緣板相撞，無法落地，利用鋼筋連接器連接。（5）地梁上下鐵主筋與鋼柱翼緣板或腹板相撞，利用連接板連接。（6）柱箍筋與斜撐腹板相撞，箍筋無法穿過，柱箍筋與（7）鋼柱外圈箍筋與鋼板墻腹板相撞無法通過箍筋利用穿孔穿過.（8）梁拉筋遇鋼梁腹板利用開孔通過.（9）預應力筋與對向鋼梁腹板或混凝土梁鋼托座腹板相撞，利用開孔通過。（10）勁性梁上下鐵主筋與斜撐加勁肋板相撞無法通過或錨固，梁端頭箍筋與斜撐腹板相撞利用連接板焊接.（11）斜撐節(jié)點內(nèi)部箍筋及拉筋與斜撐腹板相撞，利用開孔通過，（12）樓板內(nèi)預應力筋與鋼板墻腹板相撞，預應力筋利用開孔通過.BIM技術(shù)就是結(jié)合了Tekla及魯班鋼筋可視化的特點，對施工中的節(jié)點進行提前模擬，并根據(jù)模擬的情況對節(jié)點鋼筋排布，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)成進行優(yōu)化調(diào)整，以達到合理實現(xiàn)復雜節(jié)點施工的目的。
3.2施工方案設(shè)計
3.2.1型鋼框架結(jié)構(gòu)（1）型鋼柱與混凝土梁相交梁鋼筋連接方法。根據(jù)框架梁與軸線的角度及H形鋼柱的特點，框架梁鋼筋與型鋼柱連接方式主要采用兩種：當梁縱向鋼筋與H形鋼柱腹板垂直相交時，可采用直螺紋連接器與型鋼柱連接；此種情況梁水平鋼筋的位置被鋼筋連接器的位置固定牢固，柱鋼筋施工時應提前預留好梁鋼筋的位置，放置梁水平鋼筋施工時，被已施工的柱鋼筋阻擋而無法施工。當梁縱向鋼筋與H形鋼柱翼緣板板垂直相交或與H形鋼柱斜向相交時，采用與連接板焊接的方式與H形鋼柱連接。采用連接板連接時，當梁鋼筋上鐵或下鐵為上下兩排時，需為上下排鋼筋分別預留一塊連接板，其中上排鋼筋預留連接板長度為20mm+5d（d為鋼筋直徑），下排鋼筋預留連接板長度為20mm+5d+20mm+5d，以達到二排鋼筋也可直接與連接板焊接的目的。（2）梁鋼筋與型鋼柱采用連接板的連接方法。鋼筋混凝土柱存在大量箍筋需與鋼柱、鋼梁、型鋼剪力墻交叉的情況，通常采用穿孔和焊接連接板兩種方式施工。一般情況下采用穿孔的方式穿過型鋼梁腹板及型鋼剪力墻，但在箍筋加密區(qū)或會導致被開孔的構(gòu)件截面削弱過大時，可采用設(shè)置1塊與型鋼相垂直的焊接連接板進行連接。3.2.2型鋼剪力墻結(jié)構(gòu)型鋼剪力墻結(jié)構(gòu)鋼筋接頭形式與施工方法基本相同，但比型鋼框架結(jié)構(gòu)更為復雜。由于鋼板剪力墻的連續(xù)性，導致鋼筋只能穿過鋼板剪力墻或與之焊接，無法繞過。本工程與鋼板剪力墻連接的鋼筋主要包括梁、柱、板及預應力鋼筋。其中梁鋼筋主要集中在柱身范圍內(nèi)，此部分鋼筋均采用開孔穿過方式與鋼結(jié)構(gòu)連接。柱與鋼板剪力墻連接的鋼柱主要為柱箍筋，因箍筋間距較密，通常情況下僅一肢箍筋穿過鋼板剪力墻時可在鋼板剪力墻上開箍筋孔解決連接問題；若數(shù)量較多，鋼板剪力墻斷面開孔率超過25%則須按設(shè)計要求進行補強。板鋼筋僅在設(shè)計方有特殊要求時按需求穿過鋼板剪力墻，其他情況可將鋼筋延伸至鋼板邊緣后斷開。本工程利用建筑信息模型技術(shù)，在施工開始之前就對型鋼、鋼筋混凝土、預應力混凝土進行建模，細化施工節(jié)點，將全部施工部位按1∶1的比例在模型中建立出來，將理論上的空間位置實現(xiàn)可視化，將復雜節(jié)點實現(xiàn)可視化，使施工管理人員可以輕而易舉的從實體模型中判斷施工節(jié)點的合理性及施工方法的可行性。對于車輛段這種復雜的系統(tǒng)工程，只保證單專業(yè)自身的合理性是遠不夠的，各系統(tǒng)之間的配合才是工程是否能順利實施的關(guān)鍵。目前國內(nèi)利用BIM技術(shù)進行直接設(shè)計的相對較少，但可以進行深化設(shè)計，利用BIM技術(shù)進行技術(shù)交底，讓現(xiàn)場人員更直觀地了解圖紙意圖，提前控制施工問題，也為各專業(yè)互相配合提供了一個低起點的條件，為工程順利施工提供保障。
4綜合效和優(yōu)勢分析
通過對勁性結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋、預應力整體深化，同時采用BIM技術(shù)建模，模擬復雜節(jié)點構(gòu)造，進而在施工上改進了施工方法及順序，節(jié)約了返修損失，同時節(jié)約了下料，加快了施工進度，節(jié)約成本。本工程因成功的采用整體深化及BIM技術(shù)，致使整個工程超過1萬個構(gòu)件不重不漏，制作廠預制了數(shù)百萬個鋼筋孔，避免了施工現(xiàn)場開洞。綜合統(tǒng)計，BIM技術(shù)的應用，減少了返工成本及工期成本約150萬。
5結(jié)束語
本文基于某市政車輛段的復雜節(jié)點進行了BIM應用分析，通過工程的應用，可以得到以下結(jié)論。（1）勁性鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析是工程施工時的重點，通過模擬分析，可以避免很多后期施工中無法協(xié)調(diào)的問題，主要體現(xiàn)在：避免鋼筋與鋼結(jié)構(gòu)碰撞、避免預應力鋼筋與鋼結(jié)構(gòu)碰撞、避免鋼結(jié)構(gòu)超出混凝土面。（2）提高工作效率，減小復審工作量。應用BIM技術(shù)一方面可以提高施工單位的效率，另一方面由于其可視化的特點，可以使其他相關(guān)單位人員快速檢測施工單位對施工方案的設(shè)計，以便及時溝通，并予以反饋。（3）提高項目綜合效益。運用BIM技術(shù)在計算機中模擬項目的建造，將所有的問題前置解決，從而達到縮短工期、節(jié)約成本的目的，取得較高的投資回報率，為項目的良性發(fā)展提供可能。
參考文獻
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作者:郎晴 劉新樂 魯廣 單位:中鐵電氣化局北京建筑工程有限公司 中建鋼構(gòu)有限公司