基于BIM技术的型钢混凝土梁柱节点模拟分析与实践

张丽 何青松 孙诗端

中国建筑第八工程局有限公司西南分公司 四川 成都 610041

引言

现代建筑施工中的设计主流结构类型是型钢混凝土混合结构，和纯钢筋混凝土结构相比，它具更好的承载力、刚度和抗震性能，又比纯钢结构具有更好的防火性和稳定性，且具有良好的使用前景；但是这种方式又具有复杂性以及特殊性的问题，在施工中经常会遇到型钢复杂区域的梁柱节点钢筋和型钢主体发生碰撞的问题。所以本文利用BIM三维可视化的特点，在施工前预先对型钢梁柱节点进行三维深化，对型钢节点钢筋进行绑扎模拟，提前发现梁柱钢筋与型钢会发生的碰撞区域，然后对型钢节点进行施工优化，做到先模拟后施工，提出解决方案。借助三维可视化的方式深化复杂节点处钢筋的排布，解决钢筋碰撞问题[1]，有效的弥补了传统工艺在施工过程中的不足，既保证了施工质量，又节省了项目建造成本。

1 工程概况

本工程“成都金融广场项目”位于成都市高新区，建筑总面积约87.08万m2，项目由5栋超高层塔楼及超大型高端商业裙楼组成，集酒店、写字楼、住宅、购物中心等五大业态。总占地面积5.25万m2，建筑最高高度为218.35m，层高平均为5.5m，合同工期1570日历天，建成后将成为成都又一超大地标综合体。主楼与裙楼地下部分连为整体，地上部分通过设置防震缝脱开，为典型的大底盘基础上多塔的建筑形式。结构形式包括框架核心筒结构、框架剪力墙结构、型钢混凝土结构。本工程采用的结构形式体系既可以充分利用钢筋混凝土与型钢的特性保证工程质量，还能达到经济实用的效果，所以梁柱节点的处理显得举足轻重。

2 BIM在型钢混凝土梁柱节点施工的应用

2.1 工程难点

本工程作为成都市标志性建筑，采用了型钢混凝土柱和框架梁钢筋复杂节点的结构，目的是不仅能够达到工程建设的要求，还能提升工程的整体质量。从以往的类似工程和现有的施工图纸进行分析，该工程施工过程中主要面临以下几方面困难：其一，梁柱节点处钢筋数量多，间距小，穿插复杂；其二，图纸变更量较大；其三，密集节点处存在钢筋和管线、钢筋和主体、主体和管线等的碰撞问题；其四，该项目为大型综合体项目，结构设计类型复杂，对建筑体交付质量的要求比较高；其五，复杂节点位置上的现场施工具有一定难度，对施工人员能力和施工质量，有一定的要求。为了解决这些问题，保证施工的质量，所以在施工中引入了BIM技术。

2.2 技术方案

本次BIM模拟分析选取的案例是本项目中的复杂区域的型钢混凝土梁柱节点的施工数据，最终选取4#、5#住宅楼其中一层的型钢梁柱节点实践（图1），立体的表达钢筋具体配筋情况，然后进行碰撞检查分析，模型中碰撞点会高亮显示，方便深化人员可以提前发现影响施工的碰撞点并会输出碰撞报告，深化人员再根据碰撞报告对复杂节点进行相应的局部可视化深化施工模拟分析。在施工前进行节点优化，提高工作效率和施工品质，选出最佳的钢筋绑扎排布方案；最后运用可视化功能进行绑扎工序演示和可视化施工交底，最后可由BIM直接输出图纸，直接指导现场实际施工。

图1 型钢梁柱节点模型

2.3 施工优化

通过BIM技术来优化碰撞问题，可以提前将可能影响施工的碰撞点全部确定，对图纸进行优化，使之在满足施工规范和施工技术要求的前提下，能够减少现场返工，有效提高施工质量和效率。

首先要做的是确定节点，然后确定选取节点的尺寸等基本施工参数信息，然后应用BIM技术进行复杂节点绘制，最后模拟排布分析；多次重复直至达到最优。三维建模深化具体操作步骤：①运用Revit等软件根据设计图纸基本信息建立型钢混凝土关键节点的土建实体模型和钢筋排布实体模型；形象表达钢筋的设计参数、具体位置、配筋情况等施工信息；②用Naviswork 等软件多次运行钢筋与钢筋、钢筋与主体结构的碰撞模拟；③根据生成的碰撞报告，对应在模型中反复深化钢筋的排布，直至模型零碰撞，且排布满足施工规范和现场施工要求，具有可行性，即算达到深化完成；④利用BIM软件直接输出深化图纸，指导工厂加工和现场安装；可以导出钢筋用量明细表，帮助物资部门提出下料计划；物资明细表可以和商务部门的量进行对比，实现成本精细化管理；⑤最后运用3DsMAX进行施工模拟和可视化技术交底[2]。

在这个过程中，可以实现复杂节点的可视化施工，在三维视图的基础上，对节点进行多视角、全方位的观察。通过应用这样的技术手段，能够有效地提高施工的准确性和效率，从而降低施工所需的资源成本。

在发现碰撞之后，为了更好地优化碰撞点，应确保施工单位和设计单位、业主能够进行密切联系，实现良好的配合，从而对节点的构造进行科学有效合理的优化，并且确保其满足相关设计规范的要求。下面对项目深化实践过程中发现的主要问题和采取的解决措施进行详细介绍：

2.3.1 型钢柱主筋与腹板碰撞。在该工程梁柱节点三维模拟及碰撞分析工作中，我们发现型钢柱的梁上的主筋和型钢柱的腹板存在碰撞的问题，加腋现场弯折再穿孔难度大，而且不满足施工规范中对于钢筋最小水平锚固长度的相关要求。

在发现问题之后，深化人员通过多次深化模拟（图2），最终发现采用将型钢腹板开洞的方式，让主筋可以连续穿过，可以有效地确保主筋不会出现断裂的问题。因采用腹板开洞净距比设计院钢筋净距大，故原设计院一排钢筋会放不下，土建单位需与钢结构深化单位密切联系，相互协作，共同办公。钢结构深化单位满足规范及设计要求提前下，尽量把孔开大方便钢筋穿插。加劲板、连接板、腹板开洞应仔细核对钢筋位置,避免仰焊、两个方向钢筋打架等问题。并且如果在后续具体的施工过程中出现孔洞的界面损失率达到或者超过25%，则通过加焊的方式来对钢板进行补强[3]。

图2 腹板开洞深化模型

2.3.2 型钢柱主筋与翼缘碰撞。在模拟过程中还发现型钢混凝土梁的主筋与其柱的翼缘部分存在碰撞冲突的现象；为了解决这一问题，深化人员通过多次深化排布模拟（图3）。我们利用在型钢柱的翼缘上双面焊接钢连接板来解决产生的碰撞，然后将这部分钢筋焊接在连接板上，按搭接长度的5d、10d、15d双面焊连接板（连接板遇柱纵筋要开孔），保证梁钢筋能正常绑扎锚固的同时确使其能够和型钢混凝土柱实现良好的连接，这种形式既不会降低腹板的强度和刚度，又能保证梁纵向钢筋的贯通锚固[4]，减少核心区钢筋量，增大节点区空间，给混凝土浇筑提供良好条件。

图3 翼缘焊接连接板深化模型

2.3.3 型钢梁柱节点位置处碰撞。梁柱节点处钢筋密集，穿插复杂，原设计钢筋（排数及根数）穿型钢存在困难，且腹板过长导致梁柱上下两侧钢筋无法达到腹板位置处；为了解决这一难题，深化人员通过多次深化排布模拟（图4），找到解决方案。

图4 型钢梁柱节点处钢筋排布深化模型

因为型钢柱与混凝土梁接头部位钢筋的连接形式较为密集和复杂，最后选取的措施是原则上可采取等面积代换、并筋、调整每排钢筋根数（不应两排调整为三排）等办法穿型钢；依据锚固长度在梁端处焊接连接板，将钢筋通过焊接、架设连接板或者贯通的方法来连接，主筋连接的同时要与型钢柱焊接；施工中可以按照规范和现场实际情况调整连接板的高度，保证双面焊接搭接长度5d，并保证连接板的设置不会让主筋、梁纵筋、箍筋产生新的碰撞，从而解决因为腹板长度不足问题引起的碰撞冲突[5]。

3 结束语

通过BIM三维技术在型钢混凝土梁柱节点模拟分析中的落地应用，能够提前发现存在的问题，并有针对性地提出解决方案，可以在预制阶段将型钢梁柱、钢筋等存在的问题解决掉，基于BIM技术的型钢混凝土施工节点优化，提高实际施工的效率和保证施工的质量，这样才能实现建筑工程资源的全面优化，从根本上改善了建筑施工效益。

通过实践，证明了BIM技术的运用不仅能够提高型钢混凝土节点的施工效率和工程质量，还大大推动了数字化施工、智能化施工的发展进程，对于提高企业的项目管理水平以及提高经济效益等都有重要作用，应当在工程建设中加以推广。