BIM技术下复杂节点施工的方案设计应用
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［摘要］某工程为带上盖开发的地铁车辆段，其跨度大，转换结构多，型钢柱、梁、剪力墙数量多，分布广，且其型钢与外包混凝土，钢柱、钢梁、钢板剪力墙与钢筋的避让与连接是工程施工难点，钢筋与型钢的连接主要采用“绕”“穿”“焊”的方式。当空间条件允许的情况下，钢筋绕过型钢；在开孔率可控的范围内，钢筋穿过型钢；两者均无法实现时，钢筋通过预制的连接板与钢结构焊接。如何合理地设计“绕”“穿”“焊”的覆盖范围，是解决本工程施工难点的关键。通过三维模型，可直接反映出该节点的钢筋与钢筋之间，钢构与钢筋之间的关系。型钢剪力墙结构钢筋接头形式与施工方法基本相同，但比型钢框架结构更为复杂。
［关键词］bim；钢筋；型钢剪力墙
1基于BIM的方案设计要求
对于复杂的型钢剪力墙节点，施工过程中的难点在于需要在施工开始前进行合理的施工方案设计，以便施工时各项环境要素满足施工条件，避免出现因节点设计不合理导致的施工难度增加。正因为如此，这一环节需要耗费大量的工作且经过交底后依然可能受限于施工工艺、施工顺序等因素而无法顺利施工。工程上通常的做法是利于BIM技术对施工节点进行提前模拟，利用BIM技术可视化的特点，提前发现问题、解决问题。通过工程中实际用为的BIM技术案例，来探讨该项技术对工程的支撑。
2工程实例与BIM模型
2.1工程概况
本工程位于北京市北安河车辆段厂区，总用地面积约30万m2，由地铁维修库及住宅开发等部分功能组成，地铁维修库由咽喉区、运用库、联合检修库3部分组成，基础采用桩基础，无地下室。本工程结构底标高–4.600m，顶标高14.150m，采用框架剪力墙结构。钢结构集中在咽喉区、运用库以及联合检修库，用钢量约4万t。工程采用型钢混凝土，主要钢构件类型为组合柱、十字形、H形、圆管及钢板墙组合结构，最长钢柱13.15m，最大截面尺寸为组合柱2900mm×800mm×30mm×50mm，单体最大重量约28t，钢材型号均选用Q345B。
2.2关键技术难点与特点分析
本工程为带上盖开发的地铁车辆段，跨度大，转换结构多，型钢柱、梁、剪力墙数量多、分布广，其中型钢柱1311根，型钢梁2235根，型钢剪力墙132片，其规模较大且罕见。其施工难点有以下5方面。（1）型钢斜撑与型钢柱斜交形成K形节点，斜撑部位梁钢筋与斜撑外露型钢节点复杂，型钢柱头部位框架梁钢筋与型钢柱连接部位多，连接节点多。（2）框架柱钢筋与型钢柱连接主要采用焊接连接，尽量避免使用钢筋连接器，以免因连接器将钢筋位置固定死，导致钢筋不能灵活调整。（3）柱头部位钢筋较密，且存在多根框架梁相交于同一柱头的现象，导致多层钢筋互相重叠，钢筋与H形钢柱连接及钢筋标高的控制难度很大。（4）柱钢筋尽量绕过型钢梁，在柱底生根部分钢筋无法避免与型钢梁连接时可使用钢筋连接器，并在钢梁上下翼缘板之间设置连接板。（5）钢筋直径大，柱主筋一律采用直径40mm的，构造筋采用直径16mm的，梁主筋采用直径25mm,32mm的，导致钢筋间距较小。梁柱、墙柱节点钢筋根数较多，所有梁柱节点均存在抗剪托座及预应力筋，节点处最多时钢筋根数达120根。预应力筋须满足自身预应力束布置规范。
3.1问题分析
（1）在组合钢柱或墙连柱中，型钢截面较大，部分型钢在水平方向突出墙柱竖向主筋界面，导致柱外侧箍筋及内圈箍筋与型钢碰撞，须在型钢上预留箍筋孔洞。（2）钢梁上下翼缘板宽度范围内柱竖向主筋与翼缘板相撞，无法通过。钢柱宽度范围内梁主筋与柱翼缘板或柱腹板相撞，无法通过或不满足锚固长度。（3）钢柱插入承台内部，承台钢筋笼水平钢筋与钢柱翼缘板及腹板相撞，利用开孔通过。（4）柱竖向钢筋与地梁托座上翼缘板相撞，无法落地，利用钢筋连接器连接。（5）地梁上下铁主筋与钢柱翼缘板或腹板相撞，利用连接板连接。（6）柱箍筋与斜撑腹板相撞，箍筋无法穿过，柱箍筋与（7）钢柱外圈箍筋与钢板墙腹板相撞无法通过箍筋利用穿孔穿过.（8）梁拉筋遇钢梁腹板利用开孔通过.（9）预应力筋与对向钢梁腹板或混凝土梁钢托座腹板相撞，利用开孔通过。（10）劲性梁上下铁主筋与斜撑加劲肋板相撞无法通过或锚固，梁端头箍筋与斜撑腹板相撞利用连接板焊接.（11）斜撑节点内部箍筋及拉筋与斜撑腹板相撞，利用开孔通过，（12）楼板内预应力筋与钢板墙腹板相撞，预应力筋利用开孔通过.BIM技术就是结合了Tekla及鲁班钢筋可视化的特点，对施工中的节点进行提前模拟，并根据模拟的情况对节点钢筋排布，钢结构节点构成进行优化调整，以达到合理实现复杂节点施工的目的。
3.2施工方案设计
3.2.1型钢框架结构（1）型钢柱与混凝土梁相交梁钢筋连接方法。根据框架梁与轴线的角度及H形钢柱的特点，框架梁钢筋与型钢柱连接方式主要采用两种：当梁纵向钢筋与H形钢柱腹板垂直相交时，可采用直螺纹连接器与型钢柱连接；此种情况梁水平钢筋的位置被钢筋连接器的位置固定牢固，柱钢筋施工时应提前预留好梁钢筋的位置，放置梁水平钢筋施工时，被已施工的柱钢筋阻挡而无法施工。当梁纵向钢筋与H形钢柱翼缘板板垂直相交或与H形钢柱斜向相交时，采用与连接板焊接的方式与H形钢柱连接。采用连接板连接时，当梁钢筋上铁或下铁为上下两排时，需为上下排钢筋分别预留一块连接板，其中上排钢筋预留连接板长度为20mm+5d（d为钢筋直径），下排钢筋预留连接板长度为20mm+5d+20mm+5d，以达到二排钢筋也可直接与连接板焊接的目的。（2）梁钢筋与型钢柱采用连接板的连接方法。钢筋混凝土柱存在大量箍筋需与钢柱、钢梁、型钢剪力墙交叉的情况，通常采用穿孔和焊接连接板两种方式施工。一般情况下采用穿孔的方式穿过型钢梁腹板及型钢剪力墙，但在箍筋加密区或会导致被开孔的构件截面削弱过大时，可采用设置1块与型钢相垂直的焊接连接板进行连接。3.2.2型钢剪力墙结构型钢剪力墙结构钢筋接头形式与施工方法基本相同，但比型钢框架结构更为复杂。由于钢板剪力墙的连续性，导致钢筋只能穿过钢板剪力墙或与之焊接，无法绕过。本工程与钢板剪力墙连接的钢筋主要包括梁、柱、板及预应力钢筋。其中梁钢筋主要集中在柱身范围内，此部分钢筋均采用开孔穿过方式与钢结构连接。柱与钢板剪力墙连接的钢柱主要为柱箍筋，因箍筋间距较密，通常情况下仅一肢箍筋穿过钢板剪力墙时可在钢板剪力墙上开箍筋孔解决连接问题；若数量较多，钢板剪力墙断面开孔率超过25%则须按设计要求进行补强。板钢筋仅在设计方有特殊要求时按需求穿过钢板剪力墙，其他情况可将钢筋延伸至钢板边缘后断开。本工程利用建筑信息模型技术，在施工开始之前就对型钢、钢筋混凝土、预应力混凝土进行建模，细化施工节点，将全部施工部位按1∶1的比例在模型中建立出来，将理论上的空间位置实现可视化，将复杂节点实现可视化，使施工管理人员可以轻而易举的从实体模型中判断施工节点的合理性及施工方法的可行性。对于车辆段这种复杂的系统工程，只保证单专业自身的合理性是远不够的，各系统之间的配合才是工程是否能顺利实施的关键。目前国内利用BIM技术进行直接设计的相对较少，但可以进行深化设计，利用BIM技术进行技术交底，让现场人员更直观地了解图纸意图，提前控制施工问题，也为各专业互相配合提供了一个低起点的条件，为工程顺利施工提供保障。
4综合效和优势分析
通过对劲性结构中钢结构、钢筋、预应力整体深化，同时采用BIM技术建模，模拟复杂节点构造，进而在施工上改进了施工方法及顺序，节约了返修损失，同时节约了下料，加快了施工进度，节约成本。本工程因成功的采用整体深化及BIM技术，致使整个工程超过1万个构件不重不漏，制作厂预制了数百万个钢筋孔，避免了施工现场开洞。综合统计，BIM技术的应用，减少了返工成本及工期成本约150万。
5结束语
本文基于某市政车辆段的复杂节点进行了BIM应用分析，通过工程的应用，可以得到以下结论。（1）劲性钢结构施工模拟分析是工程施工时的重点，通过模拟分析，可以避免很多后期施工中无法协调的问题，主要体现在：避免钢筋与钢结构碰撞、避免预应力钢筋与钢结构碰撞、避免钢结构超出混凝土面。（2）提高工作效率，减小复审工作量。应用BIM技术一方面可以提高施工单位的效率，另一方面由于其可视化的特点，可以使其他相关单位人员快速检测施工单位对施工方案的设计，以便及时沟通，并予以反馈。（3）提高项目综合效益。运用BIM技术在计算机中模拟项目的建造，将所有的问题前置解决，从而达到缩短工期、节约成本的目的，取得较高的投资回报率，为项目的良性发展提供可能。
参考文献
[1]高峰，王幸来.BIM技术在复杂节点施工方案设计中的应用[J].宜宾学院学报，2017，17（6）：20–24.
[2]徐伶荟.BIM技术在复杂项目施工中的应用研究[D].南昌：南昌大学，2015.
[3]赵占军.BIM技术在施工阶段的成本控制管理[J].建筑技术，2016，47（6）：567–570.
作者:郎晴 刘新乐 鲁广 单位:中铁电气化局北京建筑工程有限公司 中建钢构有限公司