基于bim技术的混凝土曲面建筑模板设计与施工

基于bim技术的混凝土曲面建筑模板设计与施工

随着经济和社会的发展以及人民生活质量的提高，丰富的建筑造型已成为城市建设的集中体现。其中，曲面建筑以其优美的曲线、柔和的气质广受大众喜爱。但在施工过程中，不论是钢结构曲面还是混凝土曲面，都往往会遇到施工工艺复杂、施工周期长、施工条件多样等情况。其中混凝土曲面的挑战集中表现为模板模架工程的精细化管理。俞青等众多工程实践表明，要在较短的施工周期内，使曲面混凝土建筑达到在安全完成高品质工程的同时有效控制和降低成本的目标，应用BIM技术对施工方案进行优化具有明显的成效。本文以西安市幸福林带建设工程地下空间B1段篮球羽毛球馆为例，采用BIM技术，探索智能化模架在曲面屋顶中的应用方案。1应用概念和理论依据1.1模架搭设优化模架搭设与模板铺设是以混凝土为主体结构存在的曲面结构的主要施工难点，而这两个方面也是精细化管控的主要出发点。模板在材料方面主要可以通过降低损耗率、提升周转率来降低成本，在人工方面主要通过简化模板拼接难度、缩短作业时间来提高工作效率。模架搭设优化主要为人力优化，基本的优化思路是：利用模型提取模架立杆标高，减少模架工人工作量；利用二次开发插件，提高提取模架立杆标高的效率，减轻BIM工作人员的工作量。西安市幸福林带建设工程地下空间B1段篮球羽毛球馆屋面为三维双曲异形混凝土结构（见图1）。屋面标高差异巨大（最低点10.65m，最高点20.55m，最大坡度1.2），平面为不规则双向曲面，且坡度随高度不断变化，涉及异形构件数量多，采用传统工法无法精确进行双曲屋面的模板展开面积、钢筋及混凝土用量的统计，不利于成本管控。基于BIM技术，根据双曲面构件详图、BIM三维坐标定位图，科学合理地选择模板架体支撑布置体系，可以使整个建造过程更加高效精准。1.2复杂曲面立杆设计功能的实现途径准确搭设钢管模板体系是整个屋面施工的重中之重。该项目双曲屋面南北长120m，宽约51.7m，为井字梁结构，主梁均为超限梁，断面尺寸主要为700mm×2200mm，且有700mm×1300mm加腋部位（见图2）。随着曲面屋面的连续变化，顶板立杆高程、主次梁底立杆高程也随屋面进行1.2m～10.5m的高度变换。若使用传统施工方式，需要通过基准点标高一一计算核对每根立杆标高，费时费力，也容易出错。而通过BIM三维模型及软件二次开发，加入复杂曲面立杆设计功能，则可将立杆所在位置的板厚、梁高依次去除，一键生成施工现场全部立杆，并利用明细表提取各个立杆高程，以此作为依据，辅助现场施工。图3～图5分别给出了立杆模型生成、立杆模型和立杆高程点。2施工技术应用混凝土双曲屋面涉及异形构件数量多，采用传统工法无法精确进行双曲屋面的模架排布、模板展开面积、钢筋及混凝土用量的统计，不利于成本管控。针对混凝土双曲屋面的上述特点，通过应用BIM技术解决双曲屋面测量定位体系复杂、屋面各点标高难以控制、各类材料用量计算难度大精度低等施工技术难点。整体应用主要分为以下4个阶段：方案初步设计、施工优化、施工技术攻关、现场施工（见图6）。其中施工优化、施工技术攻关为现场施工解决根本技术难题，保证方案初步设计的最优表达。2.1有限元分析及提交优化该阶段主要通过模型的综合应用，完成双曲屋面的曲面找形（见图7）、结构定位（见图8、图9）、净高分析，形成文件后提交设计专业进行有限元分析，同时提交施工单位进行施工优化。2.2散冲突模板段根据设计师的方案构想，双曲屋面为平滑线条的弧形梁板，造型非常优美。但在施工过程中，要形成混凝土的平滑弧线，需要在模板支设过程中，将模板分为梁0.6m×梁宽（见图10）、板0.6m×0.6m的散拼木模，切割与拼装工程量巨大。经与设计方的协调沟通，将整体的弧线梁根据井字梁的交点改为“逢梁必折”的折线梁，直接将梁模板的长度从原有的0.6m提升至1.8m（见图11），进而缩短了模板切割时间与组装拼接时间，减少了模板损耗率，加快了施工进度，缩短了施工周期。根据设计计算结果调整及施工优化结果，重构屋面模型，验证屋面满足原方案效果。2.3梁板模架一体化验算混凝土双曲屋面的施工难点主要为模板模架的搭设。因各主梁、次梁均为折线梁，有别于传统平梁平板的计算。南北向梁板（见图12）上下行对称弧线位置的混凝土浇筑时为对向受力，可相互折减，对满堂架的侧压力较小；东西向弧线（见图13）为西高东低，无对向受力，整个满堂架整体具有单向侧压力，易发生倾覆。故选用具有斜向拉接功能的盘扣式脚手架，并增加水平剪刀撑密度，提高满堂架的整体受力。同时使用Midas在梁板模型的基础上进行三维梁板模架一体化验算。通过模架安全专项计算，立杆的横纵向间距均不大于900mm，步距不得大于1500mm，顶部自由端长度不大于650mm，部分大体积梁底需回顶1-2跟立杆。根据验算结果，进行模架排布。根据设计图纸中提供的平面轮廓边界线与纵剖断面的设计标高轮廓线，将点位输入至软件中，获得双曲混凝土屋面的三维点阵，按三点成弧的原理，用模型线命令将三维点阵拟合成弧，最终生成双曲屋面的实体载入到项目环境中（见图14），通过设置相应的剖面提取相应部位的剖面数据，指导现场施工。将模架排布图导入Revit的项目环境中，采用《隧道与复杂曲面立杆设计软件》插件创建BIM支模架模型，相关支模架的数据通过预先专家评审的专项施工方案进行输入，再细部调整。通过提取支模架的明细表，获取支模架的高度，提取相关参数（见图15）。2.4盘扣架搭设(1）水平投影放线。根据《模架排布图》与《模架立杆标高详图》的尺寸定位，对现场进行精细化放线，劳务工人严格按照放线进行立杆位置确认（见图16）。(2）满堂架搭设。因盘扣架立杆高度最高为2.5m，利用模型，可整理出不同屋面位置2.5m立杆层数。待工人分层架设至最后一层，利用BIM模型提取的立杆标高图（见图17），一一核对并调整立杆高度，随后进行梁板模板支设。支设完毕后，根据《双曲面构件详图》《BIM三维坐标定位图》，校核弧形梁板模板底标高，如有误差及时调整，将坡面弧度调整至设计允许偏差范围之内。2.5模板切割协调优化通过模架立杆标高详图，辅助施工管理。使用软件优化，一键提取立杆高程，较传统手工翻样计算相比大大缩减了时间。通过模板切割协调优化，将原0.6m散拼模板提升为整块模板，减少了模板切割时间与组装拼接时间，减少了模板损耗率，加快施工进度，缩短施工周期。通过BIM技术智能化模架在双曲屋面中的应用，将传统人工计算翻模进行立杆排布的方式，利用BIM技术进行优化，并结合插件进行二次开发，大大提高了现场施工效率，减小了施工误差，缩短了施工工期。3构建模板架体体系BIM技术在幸福林带双曲屋面施工的有效运用，实现了对整个双曲屋面施工过程科学合理的安排。提前对模板及架体支撑布置体系进行优化，避免了因工程量大及工序复杂等因素导致的施工错误而造成返工。采用BIM技术辅助设计和施工，进行结构曲面找型、三维模型结