BIM思想最早源自美国, 依据美国国家BIM标准 (national building information model standard, NBIMS) 对BIM的定义为:BIM是以三维数字技术为基础, 集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型, BIM是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达^[1]。目前欧美国家及韩国、日本等应用BIM技术的项目越来越多, 显示了巨大价值, 并且已将BIM技术应用到工程的全寿命周期, 极大地提高了生产效率^[2,3]。我国对BIM技术的研究起步较晚, 仍处于探索阶段, 但在短时间内受到广泛关注和重视, 已成为我国建设领域信息技术应用的一大热点^[4]。

随着建筑业对信息化要求的不断提高, 国内相关单位已经开始着手研究和应用BIM技术。近年来, 一些大型项目尤其是高层及超高层项目如上海中心、中国尊以及天津117大厦等, 已开始全面应用BIM技术, 并取得了很好效果。例如, 中国尊项目, 在工期紧、工程形式复杂、场地空间有限的条件下, 通过利用BIM技术, 可以精确、真实地进行设计优化、施工方案优化、虚拟施工等, 不仅保证了工程质量, 同时节约了成本并缩短了工期^[5]。

如今, 正值高层与超高层建筑蓬勃发展之际, 建筑施工所必需的脚手架施工技术也面临着技术与安全等多方面挑战, 而附着升降脚手架由于有明显的优越性:用料少, 只需安拆1次, 爬升快捷方便, 经济效益显著, 因此是一种很有推广价值的高层建筑外脚手架^[6]。同时, 建筑结构日趋复杂, 附着升降脚手架在安装、升降、使用和拆除4个阶段中遇到的问题也越来越多。虽然BIM技术在高层或超高层建筑中的使用带来很好效果, 但目前却没有将其应用于附着升降脚手架施工。本文利用BIM技术的可视化、模拟性等特点, 结合工程实例探讨BIM技术在附着升降脚手架施工中的应用方法与价值。

本工程位于广东省深圳市福田区福中三路与民田路交汇处, 地下5层、地上48层, 由钢管混凝土柱+钢筋混凝土剪力墙混合结构构成。本工程建筑核心筒结构为规则的长方形, 无超常规连墙构件。除东面核心筒东面无钢牛腿, 其余7个面均有凸出钢牛腿, 且在第24层及36层剪力墙均出现内缩100mm, 无倾斜面, 附着升降脚手架垂直升降。附着升降脚手架设备只负责主体外墙施工, 只升不降, 施工防护至设备平台2层 (48层) 不再提升。当主体施工封顶后, 利用塔式起重机在空中拆除架体。标准层高4.5m, 使用架体总高度19.5m, 9层走道板。工程效果如图1所示。

附着升降脚手架的平面布置及连墙件的位置必须与主体结构核心筒布局适应, 为此需先创建项目主体结构核心筒的模型, 随后根据附着升降脚手架的机位布置图建立附着升降脚手架模型, 本项目主体结构模型与附着升降脚手架模型均用Revit2015创建 (见图2) 。

附着升降脚手架模型结构复杂, 族库建立是基本且重要的步骤。本项目根据附着升降脚手架升降设备类型及构件组成, 分别建立了倒挂电动葫芦族、楼梯族、导轨族、防护网片族、走道板族、附墙件族及翻板族等, 部分族如图3所示。本项目所建族为参数化族, 可以根据不同项目中构件尺寸进行参数修改, 通用性和拓展性强。通过对附着升降脚手架进行参数化建模, 便能方便准确地得到附着升降脚手架工程量。传统的算量过程是基于二维图纸的方式, 造价工程师在进行成本计算时, 需手工计算工程量, 时间和精力耗费较大^[7]。附着升降脚手架工程所涉及的构件如防护网片、附墙支座、翻板、走道板等数量大、种类多, 数量计算需要付出极大的耐心和细心, 且准确程度也得不到保证。本工程通过引入BIM技术, 根据BIM模型中构件本身属性, 利用族与类型、注释、合计等字段进行识别, 从而直接统计出防护网片、附墙支座、翻板、走道板等用量, 且避免了传统算量过程中人为因素的影响。本项目中附着升降脚手架材料用量如表1所示。

本项目位于深圳市福田中心区, 南邻招商银行深圳分行大厦, 东邻深圳证券交易所, 现场用地紧张, 施工前对材料堆放、现场机械等施工资源进行合理布置尤为重要。本工程附着升降脚手架在地面拼装, 拼装时对场地的要求为尺寸≥30m×20m, 可一次连续打开6~10个架体折叠单元, 能够供多个架体折叠单元地面拼接, 且场地为硬化地面, 必须在塔式起重机回转半径范围内。本工程通过引入BIM技术, 利用BIM技术的可视化功能, 确定了塔式起重机、施工升降机等现场机械的布置位置以及行车路线, 解决了在CAD图纸上施工平面布置中难以避免的各种问题, 同时准确地进行材料堆场布置, 确保附着升降脚手架安装时所必需的场地, 直观地反映施工现场情况, 并且避免了材料、机械布置不合理情况、减少施工用地、保证现场运输道路畅通、方便施工人员进行管理, 有效避免二次搬运及事故发生。本项目同时结合现场实际合理地确定了现场办公区、生活区等场地布置, 施工场地布置模型中包含完整的临时设施, 施工现场三维平面布置如图4所示。

传统的施工管理中, 基于CAD图纸的表达方式是二维形式, 建筑信息在向工程施工人员传递的过程中容易出现施工交底不清或施工人员对交底内容不理解等问题^[8]。出现这种情况一方面是因为施工人员素质较低, 不具备专业的设计素养, 很难看懂专业图纸, 其次是某些复杂的施工技术在二维图纸上也难表达清楚^[9]。本项目通过引入BIM技术, 将复杂节点通过图片以及视频的形式展现在施工人员眼前, 如对外防护网进行直观展示, 使安装组成简单直观, 如图5所示, 提高了现场作业人员对工程任务的理解, 增强了施工能力、沟通协调能力及对工程建设整体的把握能力, 有效提高了附着升降脚手架工程安装效率及安全性。

由于附着升降脚手架较经济且适用性突出, 因此在高层建筑施工中应用较为广泛, 但其具有高安全性要求, 用于高空作业, 一旦发生坠落事故将产生严重后果。附着升降脚手架安全施工控制措施主要包括主体结构的预留预埋、安装前的安全检查以及内外密封防护等, 利用BIM技术的可视化特性将能更好地做到预留预埋、安全检查与安全防护。

本项目由于附着升降脚手架完全附着于主体结构上, 为保证其安全性必须严格按要求进行预留预埋^[10]。利用BIM模型具有的可视化性, 在结构预留预埋前整合附着升降脚手架模型, 确定不同位置处结构预留预埋类型, 如图6所示, 此处架体为与结构墙体连接, 预埋时需在结构墙预留套管, 且距离右侧墙体内边缘600mm的距离。另外, 通过整合后的模型, 可以直观地看到架体与结构墙体或楼板之间的间隙是否满足规范要求, 如图7所示, 该处墙体与脚手架处为翻板全封闭, 因此无坠落风险。

此外, 由于本项目除东面核心筒东面无钢牛腿, 其余7个面均有凸出钢牛腿, 因此在附着升降脚手架架体安装前, 可通过整合钢构模型进行深化设计, 提前发现架体与钢构干涉部分, 并据此做好应对措施, 避免在实际提升过程中由于碰撞而产生安全问题。本工程通过利用Navisworks软件进行碰撞检查, 发现钢牛腿与走道板碰撞如图8所示, 针对此问题, 需针对牛腿处设计异形走道板, 由于牛腿最大宽度为600mm, 因此钢牛腿处可制作800mm宽异形可翻转走道板, 当架体提升时翻开所有牛腿处翻板, 待架体提升到位后将翻板放下。可翻转走道板模型如图9所示。

同时, 还可以将已经建好的模型导入Navisworks软件中, 以第三人的模式进行漫游, 漫游过程中开启碰撞、重力以及蹲伏效果, 以此来演练发生事故时不同部位工作人员的疏散路线, 然后将疏散路线制作成动画, 通过对疏散模拟动画的分析, 可以提前对不同部位的工作人员安排好最佳路线, 尽可能避免在疏散时产生人流拥挤、疏散不均等问题, 有效缩短逃生时间, 保证工人安全^[11]。逃生路线模拟示意如图10所示。

本文依托实际高层建筑建造项目, 探讨了BIM技术在附着升降脚手架专项施工中的应用和管理, 得出以下结论。

1) 进行参数化建模和工程量统计分析, 节省了人工算量时间并保证了算量精度。

2) 作业人员能够根据平面布置模型更好地完成材料堆场等工作以确保架体地面拼装。

3) 根据可视化交底内容进行施工, 提高了操作人员的施工效率和准确度。

4) 利用BIM技术的可视化及模拟性等特点, 更加准确地做好结构的预留预埋、安全检查与架体密封防护, 提前确定逃生疏散线路, 加强现场的安全管理能力。

BIM技术的应用大大提升了附着升降脚手架施工中的信息化和规范化管理水平, 同时在附着升降脚手架施工降本增效及安全管理中取得良好效果。