基于BIM技术的附着式脚手架深化探索

黄招华

(福建六建集团有限公司 福建福州 350014)

0 引言

附着式升降脚手架，指附着于工程结构上并搭设一定高度，依靠本身的升降装置与设备，可随工程结构逐层爬升或下降，具有防坠落、抗倾覆装置的外脚手架。附着升降脚手架主要由集成化的附着升降脚手架架体结构、附着支座、防坠落装置、防倾装置、升降装置及控制系统等构成。爬架作为项目管控的重点，有关学者通过不同的项目、不同的爬架体系，从不同的角度对爬架体系与施工要点进行了积极的研究。石雪洁[1]详细阐述了项目附着式升降脚手架体系设计方案、得出优化后附着式升降脚手架的设计方案。杜洪利等[2]介绍了一种整体集成外爬架支座成套装置,并对该装置的构造、材料选择、受力验算、安装拆除周转利用进行阐述。方兴等[3]通过引入BIM技术,从工程量统计、施工平面布置、可视化交底及安全管理4个方面讨论如何实现对附着升降脚手架的信息化以及规范化管理。常自昌等[4]通过铝模和爬架BIM模型的优化设计、碰撞检查和虚拟施工，对爬架导轨的位置、模块化架体布置和走道板标高，进行了优化布置。综上，在针对爬架体系的优化上，各学者都提出了自己的方法。本文从爬架体系定型→施工前期排版设计→施工阶段全过程应用BIM技术辅助设计，从爬架的构件单元、细部节点出发，结合实际施工中遇到的问题，提出自己的解决措施。

利用BIM技术三维可视化、模拟性、优化性等特点，按附着式脚手架的组成进行构件建模并拼装成整体爬架模型，以此为基础对爬架的构件进行优化与节点深化，通过相关的BIM软件结合施工中的工序、工法等技术要求，对爬架中的难点及重点进行提前的施工预演，减少施工中的问题。

1 工程概况

附着式升降脚手架作为近十几年快速发展起来的新型脚手架技术，具有经济性、安全性、智能化、机械化、美观性良好的特点。为适应行业的发展需求，福建六建集团联合福晟六建实业集团，通过开发、应用相结合，形成了具有自主知识产权的附着式升降脚手架技术。现我司旗下福晟印江南、福州华润万象城三期、融信长岛花园C地块等多个项目均采用该爬架体系，具有丰富的使用经验。该脚手架主要由一体式导轨(8#槽钢导轨与100 mm×50 mm×3 mm矩形管组合)、立杆(100 mm×50 mm矩形管)、水平杆(60 mm×40 mm矩形管)、斜拉杆(由钢管与螺丝组成，长度可调)、内支架(由100 mm×50 mm×3 mm矩形管拼接组成)、附墙支座、倒挂葫芦、安全网(单块尺寸995 mm×1920 mm)、走道板、钢爬梯等组成(图1)，架体各构件通过专用连接件与通用螺丝进行连接。架体的高度≤5层层高，且≤20 m(图2)，架体宽度≤1.2 m，支承跨度≤7 m，架体步高2.0 m～4.5 m，每次升降层数1层，提升速度120 mm/min，爬架升降时间为1.5～2 h/栋×层。

图1 爬架组成效果图图2 剖面图

2 附着式脚手架在使用中存在的问题

在多个项目的实际应用中，目前爬架现场安装还存在一些问题。

(1)对于外立面造型较为复杂的住宅，爬架排版时构件的规格会较多，施工难度大。此外阳台、飘窗、空调板处，属于受力薄弱位置，一般无法满足机位安装，机位布置又不能违反相应安全规章要求，具有一定的结构安全隐患。

(2)由于前期的爬架设计时，整体排布不当，优化设计不当，未考虑建筑的外立面造型宽度，设计图纸与现场实际安装存在偏差，导致局部线条需要二次浇筑。

(3)设计时阳角部位刚度不足，塔吊附墙处爬升时需拆除该处杆件，在爬升的过程中各机位上升速度不一致，导致爬架局部变形，如图3所示。

图3 转角处变形 图4 飘窗处垫块过长

(4)爬架对附墙件的预埋精度要求比较高，最大可调范围为20 mm。现场预埋件采用PVC管暗埋，易偏位，导致个别导轨爬升时出现变形。

(5)垫块附墙件及型钢悬挑附墙件受力效果差，稳定性存疑，如图4所示。

(6)现场临边防护不及时，葫芦钢丝绳洞口过大，爬架离墙间距超过规范要求，具有较大的安全隐患。

3 基于BIM的附着式脚手架深化设计

3.1 基于BIM的爬架深化流程

(1)前期准备：熟悉爬架专项施工方案及项目图纸，分析爬架的注意事项与操作要求。

(2)项目土建BIM模型建立：建立项目的土建模型，特别注意外立面的线条与不规则区域。

(3)族建立与拼接：建立构件族库(图5)，按照爬架操作规程与专项施工方案对每一个族进行拼接。

图5 爬架的BIM构件族

(4)爬架施工可行性分析：结合专项方案与现场环境条件，对爬架构件的拼接进行模拟，分析施工中可能出现的问题。

(5)模型调整与出图：根据审查结果调整构件尺寸与排布，对复杂的细部节点进行深化与出图，导出导轨布置图、主次梁布置图、节点详图等。

(6)检查与验收：施工中结合BIM模型(图6)，对每一区域的爬架进行检查与核对，保证爬架施工安全。

图6 整体爬架的BIM模型展示

3.2 附着式脚手架的安装要点

(1)安装平台的搭设

(2)附墙装置的安装

附墙支座预留孔位置模板拆除后，应及时将附墙支座安装固定到位。附墙支座完成后，依次安装滚轮支座、滚轮、卸荷体及弹簧。待主框架安装完成后，将卸荷体上部卡孔支撑在导轨圆管上。架体在每层必须设置附墙支座，固定状态不少于3道附墙，升降过程中，应当保证至少两道附墙支座附着到位。

(3)附着升降脚手架架体结构安装

主框架在地面上拼装完成后，整体吊装穿过附墙支座。框架垂直度偏差不超过5‰，相邻主框架高差不大于20 mm，上下节采用螺丝连接。纵向水平杆紧随主框架安装，通过螺栓与主框架连接在一起，形成空间结构。而后在主框架间安装次立杆，通过螺栓与水平杆侧面连接锁紧。次立杆间距不超过2.5 m。首节架体主框架、次立杆、水平杆搭设完毕，应在首步架主次立杆之间沿纵向加设斜拉杆，使首步架体形成桁架受力体系，提高整个架体的稳定性。最后安装可调横向水平杆，水平杆根据离墙间距调整悬挑长度，通过连接板与纵向水平杆螺栓连接，如图7所示。

图7 爬架局部BIM模型

(4)密布网与脚手板安装

密目网封闭安装，按照从两端向中间顺序布设，将非标准尺寸预留在架体中部进行搭接封闭，底部脚手板采用整块花纹板及翻板组合进行封闭处理，在立杆位置采用小板封闭，保证底部封闭严实。通过自攻螺钉将花纹钢板固定在纵向水平杆上。

(5)升降装置安装

整部架体安装到位后，在顶部附墙支座位置主框架内排立杆位置安装上吊挂点。在首节主框架内排立杆底部位置安装下吊挂点。上下挂点间距8.6 m，在中间附墙支座位置安装龙腰，为架体升降过程中主要受力点。提升系统组成如图8所示。

图8 提升系统主要构件大样图

3.3 基于BIM的前期排版设计

先使用Revit软件建立楼栋的结构模型，特别注意外立面的线条、飘窗、阳台、空调板的准确性。

建立附着式爬架模型时，先创建主框架、立杆、水平杆、附墙支座、提升支座、连接件、倒挂葫芦、安全网、走道板、钢爬梯、卸料平台等构件参数化族，形成企业的爬架族库便于不同项目调用。爬架预拼装时，按照主框架→附墙件→次立杆(内支架连接)→水平杆→斜拉杆→安全网→走道板→提升支座→电葫芦(专用构件连接)→钢爬梯顺序进行。

排布时需满足机位最大间距、线条造型可施工性(图9)、离墙间距、安全防护等要求，通过Revit+fuzor进行碰撞检查与三维可视化浏览，逐块检查，逐一调整；通过构件的参数化的特点，可快速调整构件尺寸、导轨之间的间距，选择最优的排布方案。

图9 线条避让处理

通过BIM软件，可以输出爬架的平面布置图(图10)、立面图、三维剖面图，复杂部位的节点详图等，用于项目的施工与技术交底。此外，还可以导出爬架各构件的明细表，确定爬架材料的使用量。

图10 爬架布置图

3.4 附墙支座的预埋精度控制

预埋位置的准确度是保证爬架轨道爬升的关键。预埋孔从标准层开始预埋，按爬架平面预埋位置及立面预埋标高进行逐个预埋放线；根据预埋孔的定位在边梁内外模板上钻孔(图11)，将4根D40的PVC管插入到孔中(两根用于附墙支座安装，两根用于提升吊点安装)，精度要求±5 mm，利用直尺、卷尺及铅吊锤吊线进行预埋精确度检测。严禁从模板边直接测量或者以导轨及其上立杆作为预埋定位的依据。

图11 附墙预埋控制

3.5 附着式脚手架细部处理优化

基于以往项目实施中存在的问题，为进一步完善爬架的体系，对局部节点进行优化。针对阴阳角连接不可靠、刚度不足的问题，设计专用的连接件(60×40×3-250方钢)辅以角部折弯件，用于纵横向水平杆的连接(图12)，在成本未增加的基础上提高了连接的可靠性。在塔吊附墙处设计翻板，爬升时翻板打开，改善了之前每次爬升都需要拆除水平杆的问题，提高爬升时的安全性。

(a)转角优化后BIM效果图

3.6 减少非标构件尺寸的措施

(1)密布网

当爬架应用于商品住宅时，由于住宅造型多样，在建筑拐角处密布网往往存在较多尺寸。为提高安装的效率，以及材料的管理，统一使995 mm×1990 mm×20 mm尺寸的密布网。通过在水平杆上间隔打孔，密布网使用专用连接件与水平杆灵活连接，在边角安装时采用双层叠加的方式处理，避免不规则尺寸,如图13所示。

(a)边角安装处理方式

(2)脚手板

现市场上常见的脚手板为钢板与水平杆组成的整体式的脚手板，长度规格尺寸较多。为减少非标构件，水平横杆与脚手板分开安装。水平横杆采用1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m六种规格，两根纵向水平杆之间通过0.5 m、1 m的水平杆套管连接。采用可调水平挑杆来解决施工中立杆离墙间距过大的问题，挑杆与水平横杆通过螺栓连接(图14)。脚手板采用钢板(3 mm厚)铺设，与纵向水平杆用自攻钉连接，在转角处尺寸非标时可以采用叠加的方式(钢板较薄叠加后不会有高低差)，且钢板易于开口，有助于封闭一些较小的洞口。底部脚手板采用翻板设计可对多变的建筑外立面进行全封闭(图15)，防止物体坠落，保障人员安全。

图14 挑杆与主梁连接

图15 底部脚手板全封闭效果

4 效益分析

本公司福州华润万象城三期、长乐融信长岛花园C地块、福晟印江南、厦门翔安华润前海湾项目，均使用该体系的爬架。前两个项目使用BIM技术进行爬架的深化，后两个项目采用传统二维深化模式，通过横向对比，得出使用BIM技术对附着式升降脚手架进行深化，有以下优点。

(1)在爬架排版设计时，利用BIM技术将方案模型化，将土建模型与爬架模型进行结合，验证爬架机位、主次龙骨排布的位置、间距的合理性，选出最优的排布方案。在爬架施工前发现36处碰撞点，减少返工量，节约人工、材料、机械费费用3.5%，节省工期4.5%。

(2)对于复杂细部节点，可通过BIM技术进行优化与出图，提高了现场施工效率与质量。通过变更修正，可节约费用1.73%。

(3)对爬架的安装、爬升和拆卸过程进行BIM演示，发现15处安装工序不合理之处，并对其进行调整，避免后期返工，统计节约工期2.9%。

(4)通过BIM软件导出爬架各构件的明细表，确定爬架材料的使用量，用于材料的进出场管理。经统计，可节约因材料管理不当造成的费用达总费用的0.9%。

(5)借助BIM三维可视化的特点，对工人进行工艺交底，解决传统书面交底不清晰的问题。合计完成交底12次，避免因交底不清造成返工，节约返工费用1.85%，节约工期2.5%。

5 结论

通过本文分析得出，使用BIM技术对附着式升降脚手架进行深化可从排版设计、细部深化、工序模拟、工程量统计、三维交底等多个方面入手，有效提高爬架的施工质量与安装效率，保障爬架的施工安全。通过效益分析得出，使用BIM技术深化可解决爬架80%图纸设计的问题，提高安装效率约10%，节约材料成本约8%。