以BIM 为载体的模板与外脚手架工程量统计与优化

李 少 旭

(石家庄职业技术学院 建筑工程系,河北 石家庄 050081)

模板工程与外脚手架工程多存在于混凝土结构工程施工中.模板工程是一种利用支撑及模板现浇混凝土而成型的构造体系,支撑及固定模板的杆件、桁架、金属附件等构成支撑体系[1].外脚手架作为施工操作平台,有助于确保施工人员在高处进行安全操作,是房屋建筑工程中最重要的工具之一[2].传统的模板工程主要靠施工人员根据图纸分析模板的搭设情况,经常会出现误差,且极易出现切割模板不合理,搭接施工失误等情况,造成材料的严重浪费[3].传统的外脚手架统计模式相对落后,外脚手架统计不准确会造成外脚手架的需用量与实际施工中的使用量不一致,施工中常因缺少外脚手架构件而造成事故[4].近年来,随着建筑规模的逐渐扩大,工程建设难度逐渐增加,传统的模板及外脚手架工程用量统计方法已无法满足实际施工的需求.

而在传统模板与外脚手架工程量统计中引入BIM(Building Information Modeling,译为建筑信息模型)技术,可使统计工作更加系统化与信息化.通过BIM 可视化的施工模拟,能对施工中所需模板及外脚手架的工程量进行有效统计与优化,有利于节约耗材,实现快速、准确提取工程量及工程量优化的目的.

石家庄职业技术学院与河北天奕建设工程有限公司为长期校企合作单位,双方以航企生活保障基地项目为依托,以BIM 技术为载体,利用品茗BIM模板工程设计软件V 3.0和品茗BIM 脚手架工程设计软件V 2.1,实现了模板与外脚手架的工程量统计,减少了模板与外脚手架安装过程中存在的诸多安全隐患;同时在精确统计工程量的基础上,进行了工程量统计的优化,通过人工调整,用更加合理化的人工计算结构荷载替换软件计算的部分荷载,可有效节约施工成本.本文即对在航企生活保障基地项目中如何利用BIM 软件进行模板与外脚手架工程量的计算与优化进行分析.

1 BIM 模型创建

在项目中导入建筑CAD 图纸,定义楼层标高后,利用品茗BIM 模板工程设计软件V 3.0从F1层开始转化轴网,转化完成后,检验轴网间距及标号是否正确,轴号是否有遗漏.检测无误后,删除导入的CAD图纸.导入项目梁的CAD 图纸,在软件中的显示情况见图1.

导入梁的CAD图纸后,利用工具栏里“转化梁”命令对CAD 图中的梁进行识别,设置梁宽范围为100 mm～1 200 mm,梁最大合并距离为1 000 mm,点选识别楼层框架梁、楼层悬挑梁、框架连梁等梁识别符号,为无标注的梁进行缺省梁高设置,以便于后期校验和查改.转化完的局部梁的截屏图见图2.

图1 在BIM 软件中导入梁的CAD 图纸后的截图

图2 在BIM 软件中完成转化的局部梁的截图

分别导入墙与柱的CAD 图纸,利用“转化墙”和“转化柱”命令对CAD 图中的墙与柱进行识别,设置墙的纠偏角为0.5°.点选识别楼层框架柱、构造柱、暗柱等柱识别符号.转化前,勾选门窗洞,便于一次性完成建筑开洞.完成转化的局部墙与柱的截图见图3.

图3 在BIM 软件中完成转化的局部墙与柱的截图

主体结构完成后,为模板布置设计参照规范.本项目参照规范为《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ 130—2011[5],设置项目地区为河北省,项目风压为10年一遇,且位于有密集建筑群的市区,定义基本风压为0.25 k N/m2.定义好的部分计算参数还需结合工程实际情况进行修改.

2 模板工程量的统计与优化

2.1 模板工程模型创建

首先,设置模板的构造做法.对墙、柱、梁、板等不同构件设置面板及方木,如设置方木高为80 mm、宽为60 mm 等,钢管选取直径为48 mm、壁厚为3.5 mm、材质为Q235 的钢材,面板为18 mm 覆面木胶合板,对拉螺栓选取M14螺栓,扣件为碗扣式.软件自定义会给出材料的截面惯性矩、抵抗矩和弹性模量等属性值,但仍需人为校核.设置完成的部分构造做法的截图见图4.

其次,在模板布置参数设置中,设置梁底立杆的纵向、横向间距及范围,梁侧对拉螺栓的纵向、竖向间距及范围,墙对拉螺栓纵向、竖向间距及范围,板底次楞/小梁间距及范围,板底立杆的纵向间距及范围,梁底附加支撑主楞间距及范围等数值.

再次,对建筑物设置的计算参数、构造做法、杆件材料进行智能布置,并设置梁支架、连墙件,对局部位置采用手动布置梁、水平剪刀撑及竖向剪刀撑.布置完成后,利用软件进行智能优化和安全复核检查.布置完成的局部模板布置图的界面截图见图5.

图4 在BIM 软件中设置的部分模板构造做法的显示界面截图

图5 在BIM 软件中布置完成的局部模板布置图的界面截图

2.2 工程量统计与优化

模板布置完成后,利用软件自动统计出模板构件中的需求混凝土(砼)用量,覆面木胶合板用量,立杆、横杆、主梁、小梁、对拉螺栓、固定支撑、底板、垫板及扣件数,材料统计完成后,列出材料统计表,并利用软件材料反查报表,对模板支架缺项、漏项进行补充.统计的部分数据截图见图6.

图6 在BIM 软件中统计的部分模板工程量数据截图

模板工程量数据完成后,结合实际工程项目,调整模板工程量.如依据《建筑施工模板安全技术规范》[6]《混凝土结构工程施工规范》[7]等,对YXKZ15柱模板的模板布置进行调整,调整后工程第一至第六道主梁上支撑点距柱底距离分别为100 mm,700 mm,1 300 mm,1 900 mm 和2 500 mm.

确定该构件工程属性后,依据模板布置调整后支撑构造,统计计算各项荷载,得出荷载概况及新浇混凝土对模板的侧压力标准值.

调整荷载后,采用新的覆面木胶合板,新面板抗弯强度设计值f取15 N/mm2,面板厚度h为18 mm,面板弹性模量E为6 000 N/mm2,对面板进行验算.根据规范,面板验算按简支梁计算.梁截面宽度取单位宽度即b=1 000 mm,可计算得出截面模量W=bh2/6=1000×182/6=54 000 mm3,净距(惯性矩)I=bh3/12 = 1000 × 183/12 =486 000 mm4.

考虑工程实际和验算简便,在验算时不考虑有效压头高度对面板的影响.

(1)强度σ验算

计算强度σ的验算简图见图7.梁的均布荷载q=bSmax=1.0×44.87=44.87 k N/m.

图7 模板调整荷载后的强度验算简图

弯矩Mmax在l为200 mm 即0.2 m 时为:

Mmax=ql2/8=44.87×0.22/8=0.22 k N·m.

计算强度值σ=Mmax/W=0.22×106/54000=4.074 N/mm2,小于规范规定的强度设计值f=15.000 N/mm2,因此,强度满足要求.

(2)挠度γ验算

验算简图见图8.梁的均布荷载q′=bS′max=1.0×35.48=35.48 k N/m.

图8 模板调整荷载后的挠度验算简图

挠度验算,γmax=5ql4/(384EI)=5×35.48×2004/(384×6000×486000)=0.25 mm,小于规范规定的挠度设计值0.80 mm.

经验算,挠度满足要求.

对主梁、小梁、对拉螺栓分别验算,结果均满足规范要求.

优化后,本工程模板支架的传力体系为:楼板上部荷载传递给楼板底模,楼板底模通过木楞分别传递给横向水平钢管与竖向钢管立杆,最后传递至结构层楼板.优化设计确保了模板支撑体系的安全性,模板支撑体系的搭设通过三维模拟施工一目了然,便于施工方掌握各种施工工况及荷载作用下的模板实际变形量.

为确保模板搭设允许偏差及监测变形允许值、预警值在规范范围内,分别选取受力最大的立杆,支架周边稳定性薄弱的立杆及受力最大或地基承载力低的立杆设立监测点,并设变形监测报警值.监测结果表明,模板搭设允许偏差及监测变形允许值、预警值均符合规范要求.

模板优化布置后,利用软件自动统计出模板构件的需求混凝土(砼)用量,覆面木胶合板用量,立杆、横杆、主梁、小梁、对拉螺栓、固定支撑、底板垫板及扣件数.更新的局部统计数据见图9.

3 外脚手架工程量的统计与优化

3.1 外脚手架工程模型创建

本工程中外脚手架主要包括立杆、横杆、纵/横向扫地杆、工字钢、连墙件、剪刀撑、安全网、脚手板等构件.要做到准确统计外脚手架用量,解决施工安全问题,需要首先进行外脚手架工程模型的创建.

在软件的“构造做法”菜单中,为脚手架布置参照公共做法.架体构造步距为1 500 mm,扫地杆高度为200 mm,底座用木垫板,立杆伸出顶层水平杆中心线至支撑点的距离为200 mm,立杆到梁边的距离为500 mm,到墙边的距离为400 mm,到柱边的距离为400 mm.

对附加水平杆间距范围、悬挑主梁纵向间距范围、立杆纵向间距范围、立杆横向间距范围及纵横向水平杆布置方式进行定义.

此外,还需定义本工程项目所用钢管的型号、规格、尺寸及重量,以便后续进行用量统计.型钢均采用工字钢,同样需要定义其型号、规格、尺寸等参数.定义好的部分外脚手架材料数据截图见图10.

图9 经BIM 软件优化后的部分模板工程量数据截图

图10 在BIM 软件中定义好的部分外脚手架材料数据截图

设置外脚手架其他附加件.围护杆件中脚手板铺设采取两步一设;挡脚板采取两步一设;高度设置为200 mm;防护栏杆布置采取两步一设,栏杆设置为两道,高度依次为600 mm 和1 200 mm;安全网采取全封闭设置;底部悬挑架不设置硬质防护.

所有参数设置完成后,利用软件智能识别建筑轮廓线,对架体进行分段生成,智能布置架体、连墙件、围护构件、剪刀撑.对局部进行手动布置架体、手动绘制剪刀撑,并进行架体安全复核检查.创建完成的局部外脚手架工程模型截图见图11.

图11 在BIM 软件中创建完成的局部外脚手架工程模型截图

3.2 工程量统计与优化

外脚手架布置完成后,利用软件自动统计出外脚手架构件中需要的立杆、水平杆、剪刀撑、连墙件、垫板、单扣件、旋转扣件的用量等数据,统计完成后,列出材料统计表,并利用软件材料反查报表,对缺项、漏项进行补充.统计的部分数据截图见图12.

图12 在BIM 软件中统计的部分外脚手架工程量数据截图

外脚手架工程量数据完成后,需人为结合实际工程项目,调整外脚手架的工程量.如1LD1-30多排脚手架,依据《建筑施工脚手架安全技术统一标准》[8]《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》[5]对外脚手架布置进行调整,参数为外脚手架搭设两排,架体离地高度为0.45 m,立杆纵距或跨距为1.5 m,立杆步距为1.8 m,构造简图见图13.

对外脚手架参数调整后的各项荷载进行统计计算,得出荷载情况.

同时,对纵向水平杆调整,纵、横向水平杆布置方式为纵向水平杆在上,横向水平杆上纵向水平杆根数n=1,横杆抗弯强度设计值为205 N/mm2,横杆截面惯性矩I=127 100 mm4,横杆弹性模量E=206 000 N/mm2,横杆截面抵抗矩W为5 260 mm3,并验算.验算时,取多排脚手架中最大横距段作为最不利计算,验算其抗弯、挠度及支座反力.对横向水平杆、扣件抗滑承载力、立杆稳定性、连墙件承载力、立杆地基承载力分别验算,结果均满足规范要求.

图13 外脚手架参数调整后的构造简图

外脚手架优化布置后,利用软件自动统计出外脚手架构件中立杆、水平杆、剪刀撑、连墙件、垫板、单扣件、旋转扣件的用量等,更新后的局部统计数据见图14.

图14 在BIM 软件中优化完成后的部分外脚手架工程量数据截图

4 结语

随着建筑业的不断发展,模板和外脚手架的使用越来越多.利用BIM 技术,可将传统模板与外脚手架的统计工作转化为三维可视化的施工模拟统计工作.航企生活保障基地工程通过利用品茗BIM 模板工程设计软件V 3.0和品茗BIM 脚手架工程设计软件V 2.1进行构件三维可视化统计与优化,准确地统计了外脚手架和模板的工程量,并进行了工程量优化.在模板覆面木胶合板用量中,将异形胶合板整合为普通胶合板,提升了工作效率.在脚手架优化中,合理布置了立杆、横杆、主梁、小梁的位置关系,删减了冗余连墙件、垫板和扣件量,使结构布置更为合理.通过软件的布置、调整及后期的人为优化,节约了建筑耗材,减少了建设成本,赢得了企业的好评.