劲性混凝土 (又称型钢混凝土或劲钢混凝土) 组合结构构件由混凝土、型钢、主要受力钢筋和箍筋组成。在原有的钢筋混凝土梁、柱等构件中添加型钢, 可以有效提高构件承载力, 减小构件轴压比。劲性混凝土组合结构分为全部结构构件采用劲性混凝土的结构和部分结构构件采用劲性混凝土的结构。劲性混凝土具有强度高、构件截面尺寸小、与混凝土握裹力强、节约混凝土、增加使用空间、降低工程造价、提高工程质量等优点。而劲性钢筋则是在劲性混凝土组合结构中所使用的钢筋。

武汉绿地中心项目位于长江之滨, 主塔楼地上120层, 高度636m, 建成后将成为华中第一高楼, 结构形式为核心筒+巨型劲性柱+伸臂桁架+环带桁架结构形式。其中, 环带桁架与巨型劲性柱相连接, 由于连接部位有桁架斜向节点板, 而巨型柱钢筋也复杂密集, 使得巨型柱钢板安装施工存在很大困难, 如果采用常规方式, 该处钢筋可能需要打断或者出现无法绑扎现象。如图1所示。

巨型劲性柱主要由纵向受力钢筋、四边长方形箍筋、角部约束小箍筋、最外围整体约束箍筋和拉钩组成。纵向受力钢筋有接近200根, 箍筋形式有接近20种。如图2所示。

武汉绿地中心巨型劲性柱的截面尺寸大, 最长边为4 738mm, 且为不规则多边形;同时, 巨型柱也不是竖直向上, 而是随着结构曲率变化先向外部倾斜, 再向内部收缩, 巨型柱整体呈流线型。钢筋数量和种类多, 与巨型柱相连的钢结构构件会与这些钢筋冲突碰撞, 特别在环带桁架层施工时, 环带桁架与巨型柱连接面积大, 更造成不可避免的冲突。而在武汉绿地中心项目中, 环带桁架层在整个结构中共计10道, 每道跨越1~2个结构层, 占整个建筑物结构层的1/6左右。

首先, 如果钢结构构件与钢筋的冲突无法合理解决, 部分钢筋可能出现无法绑扎的情况, 施工质量无法保证, 也就造成结构的重大安全隐患;其次, 复杂节点也是影响工期的关键因素, 环带桁架层所占结构总层数1/6左右, 如果不能提前采取措施解决复杂节点结构施工难题, 很可能使得本来不是关键工序的钢筋绑扎施工变成制约工期的主要原因;最后, 复杂节点也往往是造成施工返工、材料浪费、劳务队额外报价的地方, 这些也造成项目商务风险, 增加了项目成本。

对于复杂的工程施工节点, 采用BIM技术进行施工模拟, 可以利用计算机的虚拟建造模拟复杂节点的空间关系, 并且模拟最接近现场实际情况, 可以通过分析模型来提前考虑复杂节点施工措施与施工工序, 真正做到技术指导施工。

利用BIM技术的虚拟现实技术, 可以在实际施工前对复杂节点进行模拟, 找到最优解决方案, 为后期现场施工做好各项准备工作;既可以缩短后期的实际施工时间, 又可以有效避免返工, 节约材料, 增加效率和作业连续性。

针对武汉绿地中心项目环带桁架与巨型柱相连接的复杂节点, 项目部超前考虑, 在施工前8个月便针对第1次环带桁架施工进行了一系列模型建立与施工模拟。对于发现的钢筋与钢构件冲突情况, 组织专业技术人员进行方案讨论与比选, 最终针对不同部位钢筋, 找到适合现场施工的处理措施, 确保了第1道环带桁架层按照工期要求完成施工。

首先钢结构专业利用Tekla建立环带桁架钢构件模型, 并且模拟拼装完成。随后, 将Tekla模型转换成Revit可以识别的IFC格式模型。接下来土建结构在Revit中以钢结构模型为基础, 按照设计院所发放的施工图纸, 建立混凝土、钢筋的结构模型。模型建立完成后, 校核模型准确性, 确保与设计意图一致。如图3所示。

虽然二维平面图纸中两个专业图纸也能通过叠图的方式进行整合, 但是对于碰撞检查, 往往不如三维模型直观清晰, 而且三维模型可以利用软件功能先进行一遍碰撞检查, 节约大量人工检查的时间。

BIM模型建立完毕后, 先采用软件对碰撞进行一次检查, 得到相应的碰撞点位, 再通过人工对这些点位进行复核判断, 最终筛选出确实存在碰撞的节点。对这些节点在平面配筋图上做出标记, 作为接下来需要解决的症结。如图4所示。

利用软件找到了存在冲突的钢筋与钢骨, 找准复杂节点的症结所在———钢筋冲突。针对与钢骨相碰撞的钢筋, 采取措施进行优化。项目部组织骨干科技人员及现场管理人员, 对钢筋冲突的问题进行优化讨论, 经过几轮方案讨论, 将各种方案按照有效性、可实施性、经济性等几方面进行打分, 制作方案评选表, 最终根据得分高低进行排序。得到的主要优化措施分为两种: (1) 调节巨型柱竖向主筋位置, 用以避开钢结构; (2) 对于无法避开钢结构的钢筋, 主要是箍筋和部分竖向主筋, 优化钢筋连接方式, 采用接驳器、钢筋连接板以及穿筋孔, 确保钢筋按照设计要求安装到位。

经过设计单位确认, 上述两种方式组合使用, 能有效解决环带桁架处巨型柱钢筋复杂密集、绑扎难度大等问题。设计确认做法合理, 同意实施。如图5所示。

利用BIM三维动态技术, 制作三维可视化交底。将需要工厂加工的连接板、穿筋孔板、接驳器等提前利用模型导出加工图, 发放给加工厂加工。对于钢筋安装工艺, 制作安装流程图册及安装动画视频。利用多媒体手段对施工班组进行三维可视化交底, 使工人能够清楚直观地了解即将要进行施工作业的内容和方法, 并将钢筋安装图册下发至班组, 规范每一步钢筋安装要领, 确保工人能够按照既定流程进行安装作业。如图6所示。

利用BIM技术优化环带桁架层复杂劲性结构钢筋后, 取得了显著效果。首先, 在工期方面, 由于事前的预建造技术对复杂节点提前处理, 施工时各工序工种之间穿插紧密, 确保了提前完成环带桁架层巨型柱钢筋安装;其次, 在成本方面, 提前的三维预模拟技术, 利用计算机进行各种方案方法预演, 有效避免现场进行试验所造成的钢筋浪费, 同时, 也避免后期安装绑扎出现问题后返工造成的材料浪费;最后, 在质量方面, 由于复杂节点的提前策划模拟, 将复杂节点优化设计, 既能满足设计要求, 又能便于现场操作, 从而使得现场实际绑扎效果良好, 验收通过率高。

BIM技术是对工程项目信息的数字化表达, 是数字技术在建筑业中的直接应用, 它代表了信息技术在我国建筑业中应用的新方向。而利用BIM技术解决复杂劲性结构钢筋则是BIM落地应用的代表之一。复杂节点往往是项目部初期难以预测或解决、后期制约进度的重要症结, 数字信息化技术与施工经验的完美结合造就了BIM技术在复杂节点优化设计中的成功。

未来随着我国经济的发展, 会有一系列新型建筑出现, 如何解决这些“高、大、新、尖、特”建筑的施工, 关键在于复杂节点的施工控制与预判处理。

相信在不久的将来, 利用BIM技术所能解决的问题越来越多, 复杂节点也将变得不再“复杂”。