基于bim技術的混凝土曲面建筑模板設計與施工

基于bim技術的混凝土曲面建筑模板設計與施工

隨著經濟和社會的發展以及人民生活質量的提高，豐富的建筑造型已成為城市建設的集中體現。其中，曲面建筑以其優美的曲線、柔和的氣質廣受大眾喜愛。但在施工過程中，不論是鋼結構曲面還是混凝土曲面，都往往會遇到施工工藝復雜、施工周期長、施工條件多樣等情況。其中混凝土曲面的挑戰集中表現為模板模架工程的精細化管理。俞青等眾多工程實踐表明，要在較短的施工周期內，使曲面混凝土建筑達到在安全完成高品質工程的同時有效控制和降低成本的目標，應用BIM技術對施工方案進行優化具有明顯的成效。本文以西安市幸福林帶建設工程地下空間B1段籃球羽毛球館為例，采用BIM技術，探索智能化模架在曲面屋頂中的應用方案。1應用概念和理論依據1.1模架搭設優化模架搭設與模板鋪設是以混凝土為主體結構存在的曲面結構的主要施工難點，而這兩個方面也是精細化管控的主要出發點。模板在材料方面主要可以通過降低損耗率、提升周轉率來降低成本，在人工方面主要通過簡化模板拼接難度、縮短作業時間來提高工作效率。模架搭設優化主要為人力優化，基本的優化思路是：利用模型提取模架立桿標高，減少模架工人工作量；利用二次開發插件，提高提取模架立桿標高的效率，減輕BIM工作人員的工作量。西安市幸福林帶建設工程地下空間B1段籃球羽毛球館屋面為三維雙曲異形混凝土結構（見圖1）。屋面標高差異巨大（最低點10.65m，最高點20.55m，最大坡度1.2），平面為不規則雙向曲面，且坡度隨高度不斷變化，涉及異形構件數量多，采用傳統工法無法精確進行雙曲屋面的模板展開面積、鋼筋及混凝土用量的統計，不利于成本管控?；贐IM技術，根據雙曲面構件詳圖、BIM三維坐標定位圖，科學合理地選擇模板架體支撐布置體系，可以使整個建造過程更加高效精準。1.2復雜曲面立桿設計功能的實現途徑準確搭設鋼管模板體系是整個屋面施工的重中之重。該項目雙曲屋面南北長120m，寬約51.7m，為井字梁結構，主梁均為超限梁，斷面尺寸主要為700mm×2200mm，且有700mm×1300mm加腋部位（見圖2）。隨著曲面屋面的連續變化，頂板立桿高程、主次梁底立桿高程也隨屋面進行1.2m～10.5m的高度變換。若使用傳統施工方式，需要通過基準點標高一一計算核對每根立桿標高，費時費力，也容易出錯。而通過BIM三維模型及軟件二次開發，加入復雜曲面立桿設計功能，則可將立桿所在位置的板厚、梁高依次去除，一鍵生成施工現場全部立桿，并利用明細表提取各個立桿高程，以此作為依據，輔助現場施工。圖3～圖5分別給出了立桿模型生成、立桿模型和立桿高程點。2施工技術應用混凝土雙曲屋面涉及異形構件數量多，采用傳統工法無法精確進行雙曲屋面的模架排布、模板展開面積、鋼筋及混凝土用量的統計，不利于成本管控。針對混凝土雙曲屋面的上述特點，通過應用BIM技術解決雙曲屋面測量定位體系復雜、屋面各點標高難以控制、各類材料用量計算難度大精度低等施工技術難點。整體應用主要分為以下4個階段：方案初步設計、施工優化、施工技術攻關、現場施工（見圖6）。其中施工優化、施工技術攻關為現場施工解決根本技術難題，保證方案初步設計的最優表達。2.1有限元分析及提交優化該階段主要通過模型的綜合應用，完成雙曲屋面的曲面找形（見圖7）、結構定位（見圖8、圖9）、凈高分析，形成文件后提交設計專業進行有限元分析，同時提交施工單位進行施工優化。2.2散沖突模板段根據設計師的方案構想，雙曲屋面為平滑線條的弧形梁板，造型非常優美。但在施工過程中，要形成混凝土的平滑弧線，需要在模板支設過程中，將模板分為梁0.6m×梁寬（見圖10）、板0.6m×0.6m的散拼木模，切割與拼裝工程量巨大。經與設計方的協調溝通，將整體的弧線梁根據井字梁的交點改為“逢梁必折”的折線梁，直接將梁模板的長度從原有的0.6m提升至1.8m（見圖11），進而縮短了模板切割時間與組裝拼接時間，減少了模板損耗率，加快了施工進度，縮短了施工周期。根據設計計算結果調整及施工優化結果，重構屋面模型，驗證屋面滿足原方案效果。2.3梁板模架一體化驗算混凝土雙曲屋面的施工難點主要為模板模架的搭設。因各主梁、次梁均為折線梁，有別于傳統平梁平板的計算。南北向梁板（見圖12）上下行對稱弧線位置的混凝土澆筑時為對向受力，可相互折減，對滿堂架的側壓力較小；東西向弧線（見圖13）為西高東低，無對向受力，整個滿堂架整體具有單向側壓力，易發生傾覆。故選用具有斜向拉接功能的盤扣式腳手架，并增加水平剪刀撐密度，提高滿堂架的整體受力。同時使用Midas在梁板模型的基礎上進行三維梁板模架一體化驗算。通過模架安全專項計算，立桿的橫縱向間距均不大于900mm，步距不得大于1500mm，頂部自由端長度不大于650mm，部分大體積梁底需回頂1-2跟立桿。根據驗算結果，進行模架排布。根據設計圖紙中提供的平面輪廓邊界線與縱剖斷面的設計標高輪廓線，將點位輸入至軟件中，獲得雙曲混凝土屋面的三維點陣，按三點成弧的原理，用模型線命令將三維點陣擬合成弧，最終生成雙曲屋面的實體載入到項目環境中（見圖14），通過設置相應的剖面提取相應部位的剖面數據，指導現場施工。將模架排布圖導入Revit的項目環境中，采用《隧道與復雜曲面立桿設計軟件》插件創建BIM支模架模型，相關支模架的數據通過預先專家評審的專項施工方案進行輸入，再細部調整。通過提取支模架的明細表，獲取支模架的高度，提取相關參數（見圖15）。2.4盤扣架搭設(1）水平投影放線。根據《模架排布圖》與《模架立桿標高詳圖》的尺寸定位，對現場進行精細化放線，勞務工人嚴格按照放線進行立桿位置確認（見圖16）。(2）滿堂架搭設。因盤扣架立桿高度最高為2.5m，利用模型，可整理出不同屋面位置2.5m立桿層數。待工人分層架設至最后一層，利用BIM模型提取的立桿標高圖（見圖17），一一核對并調整立桿高度，隨后進行梁板模板支設。支設完畢后，根據《雙曲面構件詳圖》《BIM三維坐標定位圖》，校核弧形梁板模板底標高，如有誤差及時調整，將坡面弧度調整至設計允許偏差范圍之內。2.5模板切割協調優化通過模架立桿標高詳圖，輔助施工管理。使用軟件優化，一鍵提取立桿高程，較傳統手工翻樣計算相比大大縮減了時間。通過模板切割協調優化，將原0.6m散拼模板提升為整塊模板，減少了模板切割時間與組裝拼接時間，減少了模板損耗率，加快施工進度，縮短施工周期。通過BIM技術智能化模架在雙曲屋面中的應用，將傳統人工計算翻模進行立桿排布的方式，利用BIM技術進行優化，并結合插件進行二次開發，大大提高了現場施工效率，減小了施工誤差，縮短了施工工期。3構建模板架體體系BIM技術在幸福林帶雙曲屋面施工的有效運用，實現了對整個雙曲屋面施工過程科學合理的安排。提前對模板及架體支撐布置體系進行優化，避免了因工程量大及工序復雜等因素導致的施工錯誤而造成返工。采用BIM技術輔助設計和施工，進行結構曲面找型、三維模型結