BIM技术在钢混装配式空心楼盖智能化施工中的应用

张植伟，方长江，任俊杰，王胜新，戴 标

(中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430068)

0 引言

钢混装配式建筑是由钢结构与混凝土预制构件组成的新型装配结构，该组合形式装配率高、结构刚度大、自重轻、抗震性能好、节能环保。钢混装配式结构涉及专业较多，建造过程中跨专业、跨单位间的沟通频繁，然而CAD设计加工图纸复杂繁多，各参建单位间交流不畅，易导致构件连接节点设计不合理，产品尺寸偏差大，使钢结构与预制构件无法有效连接，从而影响装配式建筑质量。

BIM技术以三维数字模型为基础，将项目全生命周期中各专业数据信息整合在建筑模型中，以单一数据库向各阶段、各专业工程师提供准确的设计加工参数，通过施工模拟进行预生产、预拼装，验证施工方案的可靠性，保证工程各阶段更好地衔接。

因此，BIM技术结合钢混装配式建筑，可提高专业间的沟通效率，加大钢混节点设计深度，降低预制构件生产误差，提前发现拼装施工难点，验证安装施工方案可行性，提升钢混装配式建筑的施工效率及工程质量。

1 工程概况

某大剧院项目的后舞台楼板区域长23m、宽22m、层高18.7m，为实现大跨度、高净空的建筑效果，选择钢混装配式预制条形板空心楼盖方案(见图1)。装配式楼盖四周设置U形钢主梁，中间铺设型钢次梁，板区采用双肋梁预制条形板，条形板间通过半灌浆套筒连成双向受力整体底板。钢混装配式楼盖构造如图2所示。

图1 大剧院效果

图2 钢混装配式楼盖构造

该楼盖结构施工时涉及钢结构、土建、装配式等多专业，预制构件间通过定位误差在2mm内的高精度半灌浆套筒相连。钢结构与预制构件间存在13种132组连接节点，设计复杂，生产精度要求高。安装作业在离地面23m高的屋面进行，施工安全风险大。

基于上述施工重难点，项目技术团队拟发挥BIM技术参数化、可视化、高仿真、协同作业等优势，深入该钢混装配式空心楼盖施工的各阶段，提升施工质量。

2 基于BIM模型的钢混装配式资源库建立

建立钢混装配式建筑BIM资源库，以高精度BIM模型为信息载体，利用模型丰富的几何信息，使构件参数提取更准确，通过参数化建模使图纸修改更加便捷。

2.1 参数化构件库建立

钢混装配式建筑构件繁多，在较长的施工周期中，涉及构件规格参数的设计变更、方案调整等均需修改相应图纸。传统单张CAD图纸对构件三维参数表达不全面，构件调整后需修改多张图纸，任务庞杂繁多，工作效率低下。

利用BIM技术创建预制条形板、半灌浆套筒、主次钢梁、钢抱箍、线槽等组件的参数族，按照设计要求设定相应参数，并对参数间进行相互约束关联。构件参数修改方案仅需输入调整后的设计参数，接口将自动生成模型。同时，通过BIM模型生成的构件加工图也将同步更新，无须人工依次修改各立面、剖面、节点图。

BIM参数化模型除尺寸参数外，可附加材质信息、定位信息、开孔信息、构件编号等。建立完整的BIM构件模型库后，钢结构单位及预制厂可在不同阶段快速提取生产所需参数，取消大量CAD图纸更新查找工作，避免关联图纸更新不及时导致生产加工参数错误、生产构件报废等施工事故。参数完善、精度高的构件可直接生成BOM清单，用于数字一体化生产，彻底消除人工制作误差，提高构件精度。

2.2 BIM构件拆分

该项目综合考虑模台制作尺寸、预制构件运输车型号，确定单块预制条形板标准件尺寸为10.3m×0.7m×0.6m。条形板长、宽尺寸与主次钢梁间距未成整数倍关联，整块空心楼盖拆分后仍存在非标准件。为降低生产难度，减少模具制作费用，需尝试多种预制条形板排列组合方案。

传统人工排列计算工程量大，利用Revit软件中的Dynamo可视化编程模块，编辑可视化拆分程序，拾取需要拆分的楼板作为程序运行载体，运行程序后按照既定尺寸单元自动拆分楼板，拆分后设空心模盒，通过检查构件连接点验证拆分效果，多次拆分后选择非标准件种类最少的组合方案。即预制条形板标准件为66块，非标准件尺寸为9.7m×0.7m×0.6m，共4块，实现经济效益最大化。楼板拆分前后对比如图3所示。

图3 楼板拆分前后对比

3 BIM技术在深化设计阶段的应用

3.1 BIM协同作业机制完善

钢混装配式空心楼盖涉及预制条形板深化、模具设计、钢结构深化、钢筋优化、灌浆套筒排布等工作，各深化板块分属不同单位、不同设计人员，易造成信息分裂，产生信息孤岛，且传统二维图纸无法全面反馈专业间的设计冲突。

为提高深化设计效率，利用BIM协同作业机制，建立Revit工作集，将钢混装配式叠合空心板中所有专业的设计、深化内容在一个中心模型中同步进行，保证设计信息双向传递(见图4)。具体操作步骤如下：建立土建专业中心模型，根据具体深化内容，以中心模型为载体设置预制条形板结构设计、钢筋及灌浆套筒排布、主次钢梁与钢模具设计工作集，不同集的设计模型可同步显示，设计人员仅对本专业工作集有修改权限，对非本专业工作集模型仅有查看权限；通过中心文件，设计人员可及时了解各专业设计进度，同步解决专业冲突，加快设计进度，提高设计效率。

图4 工作集操作流程

3.2 BIM深化模型碰撞检测

预制条形板底筋为φ25@200，单块10m长预制条形板需设置80余根钢筋，排布密集，传统二维图纸无法直观全面审查图纸问题。利用BIM高仿真的特性，将配筋及灌浆套筒按照施工蓝图进行排布，利用Navisworks进行碰撞检查，验证原布筋方案存在以下错误：①受灌浆套筒外径及预制条形板端部钢耳板厚度影响，底板纵向钢筋存在碰撞；②灌浆套筒下方纵向φ22钢筋保护层厚度严重不足，仅为1cm。

针对以上问题及时制定以下改正措施：①增大纵横向钢筋间距，保证底板钢筋不重叠；②将灌浆套筒中的纵向钢筋直径由22mm改为16mm，满足钢筋保护层厚度要求，并及时调整钢模板BIM模型，保证预留钢筋孔洞的准确性。

4 BIM技术在生产安装阶段的应用

钢混装配式空心楼盖含64块预制条形板，数量多、精度高。为推动条形板拼接高效快速进行，必须制备多套高精度布筋模具，加快条形板产能；单套模具布筋精度控制在2mm内，以提升条形板生产质量；各套模具间的制作加工误差应<3mm。为缩小不同生产批次的条形板外观尺寸误差，必须提升模具设计深度，提高模具加工精度。楼盖四周主次钢梁设计复杂，整个楼盖体系共10组钢抱箍节点、11段箱形钢梁、800余块加劲板。正式拼接前需模拟施工流程，复核钢框架与预制条形板的位置关系，保证楼盖组装作业成功率。

4.1 BIM参数化设计

传统模具设计多采用CAD绘图技术，但CAD图元间没有关联性，某一局部的改动无法自动反映相关部分的变动，易因遗漏修改图元导致产品加工错误。BIM技术的基本单元是通过参数化生成三维模型，模型中各组成部分相互关联，通过驱动参数，使单个图元的改动可联动至相关部位同步自动修改。

某大剧院根据预制条形板生产精度要求，自行研发上下拆分内外双层的组合式钢模，该模具包含上中下层25块钢板，构造复杂，利用BIM技术参数化驱动优势，可将模具构件尺寸参数输入Revit软件中，生成各零部件模型。

利用Tekla，Revit等软件建立钢模各零部件BIM模型，在软件中完成钢模组装，并利用Navisworks对组装模型进行碰撞检查，将设计不合理的部位进行二次深化，直至生成满足生产需求的模型，输出构件明细表，整理构件数量、形状、尺寸及相关特征信息，便于原材采购及生产校核。

4.2 BIM数字化加工

传统人工板材切割精度约1cm，若按照某大剧院需求制作12套钢模具，各套模具间累计误差达5cm，无法满足条形板外观尺寸误差3mm的精度标准。利用BIM+SmartNest数控切割技术，钢模具的精度可控制在0.3mm内，各套成品钢模具间的误差也可控制在0.3mm内。

SmartNest数控加工的操作流程是将钢模具BIM模型中的尺寸、材质、拓扑关系等信息转换为SmartNest系统可识别的NCL文件，加工系统对原材料进行排版，以最节省原材的切割路线生成加工程序，最后由程序驱动进行激光切割作业。切割路线如图5所示。

图5 切割路线

利用激光切割可减少原材损耗，同时对生成的构件进行机械焊接可增强产品精度、提升工作效率。

4.3 BIM可视化施工模拟

因钢混装配式预制条形板空心楼盖的预制条形板数量多、构件质量大、吊装作业频繁、施工空间狭小、安全风险高，对现场施工提出极高的技术要求。故利用BIM技术高仿真施工模拟，验证既定施工方法的可行性，及时发现施工问题及安全隐患，辅助制定解决措施。避免二次拆改，提高安装效率，节约施工工期，减低安全风险。

5 结语

1)利用BIM技术参数化、协同作业、高仿真模拟的优势，可提高钢混装配式空心楼盖设计深度和专业间的配合效率，提高生产施工阶段构件生产精度、实现构件信息快速查询、验证施工方案可行性。

2)通过BIM技术在钢混装配式空心楼盖中的应用，可改善当前钢混装配式建筑在各环节遇到的问题，提升施工管理效率。