随着我国建筑行业的快速发展, 建筑项目中出现了大量的复杂钢筋节点。复杂钢筋节点由型钢、受力钢筋、分布筋、箍筋和柱帽钢筋等组成, 钢筋排布密集、构造复杂, 在施工阶段存在着现场支模难度大、钢筋连接工艺复杂和混凝土浇筑困难等难点。因节点区的结构特性及施工可靠性至关重要, 本文在传统的节点施工方法研究上运用BIM技术, 对二维CAD图纸施工进行改进, 通过Revit软件完成了复杂节点建模, 并模拟复杂节点中型钢、柱帽、梁和柱的连接形式及各部分之间的交叉搭接关系, 利用BIM的可视化和信息化的优势, 增强钢筋安装效率和施工可控性, 降低施工错误率, 节省施工成本。

重庆市火车西站项目是重庆至贵阳铁路扩能改造重庆西站站房及相关工程 (见图1) , 站房结构为现浇混凝土框架结构+钢结构屋盖。屋盖主结构采用正交空间管桁架结构, 在转换层节点处设置劲性钢结构和混凝土柱帽保证框架结构的承载和刚度。劲性钢结构中的型钢截面尺寸为1.2m×2.9m, 高度3.6m;柱帽截面尺寸为2.5m×4.5m, 高度1.9m。节点处型钢尺寸偏心1.12m, 梁截面尺寸1m×1.8m, 柱帽钢筋层数10层, 穿过型钢处的钢筋有352根不能贯通, 需在型钢上焊接加劲板来连接隔断钢筋。钢筋安装难度较大, 因此通过BIM技术对复杂节点密集钢筋结构进行虚拟施工, 为现场施工提供技术保证。

转换层中的复杂节点由柱、柱帽和型钢组成, 复杂节点的钢筋分项工程中需要大量的钢筋制作和安装。各类钢筋在节点处排列紧密、构造复杂、安装要求高、操作人员众多, 对比传统节点钢筋安装更加困难。

1) 钢筋密集, 空间布局复杂

转换层处的复杂节点处共有钢筋1 013根, 梁上、下层受力钢筋分别为16根和12根32, 梁箍筋为6肢箍, 柱帽箍筋为8×14肢箍, 型钢处截断的钢筋为352根。复杂节点的钢筋数量过多、形状复杂, 排列密集, 形成多层级钢筋网状结构。

2) 操作空间小, 安装定位难度大

在复杂节点施工过程中, 共有模板工、钢筋绑扎工和焊工共12人同时合作, 各工种在狭小的操作空间难以正常工作, 不利于钢筋精确安装。另外型钢定位不精确也会影响钢筋穿过加劲板预留孔洞和截断钢筋在加劲板上焊接的精度。

3) 施工工序复杂, 现场质量难以保证

由于施工水平和领悟能力有限, 施工人员很难真正掌握复杂节点的施工工序。很多施工人员不能按照设计人员的设计要求进行施工, 出现钢筋绑扎数量与实际需要不符或者不进行节点钢筋绑扎和焊接的现象, 造成较大的危险隐患。

通过BIM技术虚拟建模, 先利用已有的CAD图纸和Revit软件进行型钢模型搭建, 再在型钢模型基础上进行钢筋模型搭建, 通过BIM可视化的优势分析节点钢筋的交叉搭接关系, 应用复杂节点整体模型对节点钢筋安装的顺序进行调整和优化。

采用Revit软件创建复杂节点型钢模型并进行深化设计 (见图2) , 实现复杂节点型钢的3D实体建模, 精确型钢大小、尺寸和加劲肋开孔位置。形象而直观地认知型钢模型, 还包含了设计、制造、安装的全部信息, 提高了制造和安装效率。

在型钢模型基础上, 根据CAD平面设计图纸中梁、柱、柱帽的配筋信息, 建立复杂节点密集钢筋模型 (见图3) 。通过模型发现钢筋连接的问题并对其进行处理, 优化型钢节点设计, 确保钢筋制作安装, 全面提高施工质量。

1) 通过复杂节点模型发现型钢的加劲肋突出于建筑立面 (见图4a) , 这对施工支模和后期的建筑造型都存在不利影响。经过设计优化, 去掉加劲肋突出部分, 增加加劲肋的厚度至40mm, 保证结构受力要求, 同时也达到建筑使用效果 (见图4b) 。

2) 通过Navisworks软件进行碰撞检测, 发现型钢加劲肋处预留的孔洞与柱帽箍筋的穿插存在碰撞 (见图5) , 按照碰撞结果优化型钢加劲肋设计, 重新得到加劲肋孔洞的分布图。加劲肋的碰撞检测减小了施工现场箍筋穿孔的难度, 提高了施工效率。

3) 传统的梁箍筋安装是先把梁的上部受力钢筋全部安装到位后再进行 (见图6a) , 这种做法在复杂节点安装过程中会造成型钢周边的操作空间变小, 影响柱帽钢筋和箍筋的安装。通过节点模型优化梁箍筋的安装顺序, 先把梁部分受力钢筋安装到位后就进行梁箍筋的安装 (见图6b) , 保证柱帽钢筋的安装操作空间。

4) 由于柱帽箍筋需穿过型钢中加劲板的孔洞, 另外柱帽钢筋和梁纵筋也让传统的箍筋不利于从上到下安装。通过节点模型对柱帽箍筋进行优化, 从传统箍筋 (见图7a) 变成半箍筋 (见图7b) , 安装到位后对半箍筋进行套筒连接, 降低了柱帽箍筋安装的难度, 提高了施工效率。

5) 传统的梁腰筋是和梁受力钢筋同时安装 (见图8a) , 在复杂节点施工过程中, 如果梁侧腰筋提前焊接到加劲肋板上时, 会增加柱帽箍筋在垂直方向上的施工难度。通过复杂节点模型优化施工顺序, 将腰筋的安装同柱帽箍筋安装同时进行 (见图8b) , 为柱帽箍筋的安装预留操作空间, 提高钢筋工施工效率。

多层级复杂节点的钢筋“逆作法”安装遵循操作简单、利于施工的原则, 在Revit建立的复杂节点模型基础上, 通过把模型的钢筋按照合理的顺序从高到低进行抽离来确定钢筋安装的步骤, 由于复杂节点周围存在模板, 所有的钢筋均从上部抽走。

步骤如下: (1) 梁箍筋远离复杂节点, 如图9所示。梁箍筋被上下层受力钢筋联结, 若去除箍筋难度较大, 因此将梁箍筋远离复杂节点, 为抽离复杂节点其他钢筋提供足够的操作空间。 (2) 抽离梁上部受力钢筋。为了把下部钢筋抽离, 应将梁最上层受力钢筋全部抽离。但是这样会使得梁箍筋倾倒, 不能保证箍筋有效搭接, 因此需要留部分受力钢筋来架立梁箍筋。 (3) 抽离型钢处最上层的柱帽箍筋。由于复杂节点型钢的存在, 柱帽箍筋有着不同程度的截断, 操作难度较大。但前面步骤已经提供了足够的工作平面, 能保证柱帽的箍筋有效抽离。 (4) 抽离梁侧上层腰筋。顶层柱帽箍筋抽离后为梁侧腰筋的抽离提供工作平面, 由于梁箍筋被上层受力筋架立, 腰筋的抽离不会对箍筋产生影响。 (5) 梁侧腰筋和柱帽箍筋按照从上往下的顺序依次抽离, 重复步骤 (4) ~ (5) 直至梁侧腰筋全部抽离, 如图10所示。 (6) 抽离梁下部受力钢筋。由于梁下部受力钢筋可以直接穿套在箍筋内, 因此梁下部受力钢筋可在抽离箍筋前全部抽离, 不会对箍筋产生影响。 (7) 下部受力钢筋全部抽离后, 将柱帽底层的箍筋依次抽离。 (8) 抽离剩余的上部受力钢筋。由于柱帽的横、纵向钢筋在抽离过程中会受到垂直方向梁受力钢筋的影响。在抽离柱帽钢筋之前需要把梁上层受力钢筋和箍筋一起抽离。 (9) 抽离纵向柱帽钢筋。根据柱帽钢筋横纵向搭接关系, 先抽离纵向柱帽钢筋。 (10) 抽离横向柱帽钢筋, “逆作”结束。

多层级复杂节点钢筋“逆作法”安装工艺结束。通过上述“逆作法”的施工过程, 在施工现场将施工步骤进行反向操作, 就可得到多层级复杂节点钢筋安装的顺序。该方式借助BIM技术的三维建模和可视化优势, 打破传统的钢筋安装从下到上的固有思维模式, 以反转型逆向思维方式为钢筋复杂节点的安装提供思路。

本工程复杂节点型钢尺寸偏心、梁截面尺寸大、柱帽钢筋层级过大, 通过Revit系列软件的模拟性、可视化等优势进行节点优化, 提前发现问题, 反馈到设计单位和建设单位, 共同提出解决方案, 实现优化施工。这样做节约了工期、劳动力、工程成本。通过“逆作法”得到复杂节点密集钢筋安装的施工方法, 不仅为本工程提供了解决复杂节点的方法, 也为以后其他工程和其他工艺提供了经验。

随着复杂节点工程的复杂性逐步上升, 人们在寻求创新施工技术的同时也应注入新的思维。目前BIM是软件的集合还是新的技术众说纷纭, 本文将传统的地下工程中的“逆作法”应用到复杂节点密集钢筋安装中, 为BIM在国内的推广提供思路。