梁柱節(jié)點配筋優(yōu)化設(shè)計BIM技術(shù)應(yīng)用
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摘要:BIM技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，而梁柱節(jié)點的設(shè)計對于建筑工程的安全性不言而喻，做好混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點中的配筋優(yōu)化設(shè)計是重中之重。以西安火車站改擴建項目中梁柱節(jié)點為例，建立梁柱節(jié)點的bim鋼筋模型，對BIM技術(shù)在梁柱節(jié)點配筋優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用進行研究，并分析了BIM技術(shù)的優(yōu)勢，闡述了BIM技術(shù)對工程施工方面的技術(shù)指導。
關(guān)鍵詞:梁柱節(jié)點，BIM，配筋，優(yōu)化設(shè)計
引言
信息化與建筑行業(yè)的融合發(fā)展已成為建筑業(yè)發(fā)展的方向，將對建筑業(yè)的發(fā)展帶來戰(zhàn)略性和全局性的影響。建筑信息模型(以下簡稱BIM)技術(shù)具有可視性，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性，其在工程項目中的應(yīng)用也較為廣泛，技術(shù)及功能也趨于成熟。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計，BIM技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在鋼筋的優(yōu)化設(shè)計。關(guān)于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的一個重要思想是“強柱弱梁，強節(jié)點弱構(gòu)件”，所以梁柱節(jié)點的設(shè)計對建筑工程的安全性不言而喻，做好梁柱節(jié)點的配筋設(shè)計更是重中之重。本文通過對西安火車站改擴建項目某梁柱節(jié)點的配筋優(yōu)化設(shè)計，介紹了基于BIM技術(shù)的三維設(shè)計相對于原二維設(shè)計的優(yōu)點，探討這一技術(shù)在實際工程項目中的作用。
1工程概況
西安站改擴建工程(新建西安站市政地下通廊、地下進出站廳工程)主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，部分進出站樓扶梯采用鋼結(jié)構(gòu)。主體地下1層，局部設(shè)置地下進站夾層、站臺夾層。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度8級，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類(乙類)。文章以地下進出站廳部分某梁柱節(jié)點進行優(yōu)化設(shè)計，節(jié)點框架柱截面尺寸為1．9m×1．9m，高度9．2m，主框架梁尺寸為1．4m×1．9m，另一方向框架梁尺寸為0．35m×0．6m。其具體配筋情況詳見圖1。該節(jié)點有鋼筋密集，施工操作空間小等特點，這也是所有梁柱節(jié)點的共性?，F(xiàn)場施工時可能會面臨綁扎鋼筋數(shù)量與設(shè)計不符或者鋼筋間距難以滿足規(guī)范要求等問題，給結(jié)構(gòu)安全留有隱患，所以對其進行優(yōu)化設(shè)計，以便指導施工。
2BIM配筋模型的建立
本文采用AutodeskRevit軟件對梁柱節(jié)點進行BIM配筋模型的建立，該軟件自帶結(jié)構(gòu)鋼筋模塊，其鋼筋模塊須以混凝土構(gòu)件為基礎(chǔ)，所以梁柱節(jié)點鋼筋系統(tǒng)的建立，必須基于混凝土構(gòu)件。具體步驟如下:1)混凝土梁柱構(gòu)件建立。由結(jié)構(gòu)圖紙中具體梁柱截面尺寸，通過Revit軟件結(jié)構(gòu)模塊中“編輯類型”命令，建立柱類型，類型屬性見圖2。在柱類型中可設(shè)置信息屬性，在圖2中標識數(shù)據(jù)下方各欄中輸入柱屬性，如結(jié)構(gòu)設(shè)計中柱的內(nèi)力情況、材料型號，如施工中柱的澆筑時間、施工人員、管理人員等，通過對信息的存儲實現(xiàn)建筑信息化。梁類型的建立同柱。2)選擇合適視圖。Revit軟件中，支持多種視角、視圖模式，包括三維模式，其在空間上自由度很高。在設(shè)計過程中，可根據(jù)情況來確定視圖，以達到準確、快速建模的目的。因鋼筋模塊是基于混凝土構(gòu)件，所以在配筋設(shè)計時，對梁柱構(gòu)件選擇合適的位置增加剖面，采用剖面視圖進行配筋設(shè)計。3)確定混凝土保護層厚度。根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖紙及相關(guān)規(guī)范，確定相應(yīng)保護層厚度。Revit軟件中保護層設(shè)置應(yīng)先選擇主體單元，然后進行保護層的設(shè)定。4)選擇鋼筋參數(shù)設(shè)置及繪制。對于常規(guī)鋼筋形狀，Re-vit軟件中自帶鋼筋族，且屬于參數(shù)化族，是一種智能的設(shè)計方式，具體鋼筋形狀在鋼筋瀏覽器中查看。通過自動識別混凝土保護層厚度，自動放置于混凝土主體內(nèi)。鋼筋放置之前應(yīng)按照設(shè)計要求設(shè)定參數(shù)，如鋼筋材質(zhì)、直徑、彎曲半徑、彎鉤長度及角度等。對于非常規(guī)鋼筋(如柱外側(cè)箍筋，柱截面四角為弧形，則箍筋形狀在鋼筋瀏覽器中不存在)，可采用“繪制鋼筋”的命令，先選定合適的視圖，按照圖紙及規(guī)范要求進行手動繪制。鋼筋繪制時，應(yīng)注意工作平面的選取，即鋼筋的放置方向。軟件中提供了平行于工作平面、平行于保護層、垂直于保護層三種方位來選擇。鋼筋方向確定之后，對于同一種形狀、尺寸的鋼筋，可采用“鋼筋集”命令進行編輯。“鋼筋集”可讓同一形狀、尺寸鋼筋沿鋼筋放置方向按一定間距均勻布置。此方法提供多種布局方式，且可快速繪制鋼筋，也為鋼筋明細表統(tǒng)計提供便利。
3配筋優(yōu)化設(shè)計
3．1保護層厚度的確定
混凝土保護層厚度確定時應(yīng)注意保證構(gòu)件中受力鋼筋的保護層厚度大于受力鋼筋的公稱直徑。本節(jié)點中，結(jié)構(gòu)總說明中對梁、柱混凝土保護層厚度的規(guī)定為28mm，KZ9及KL4中受力鋼筋直徑為32mm，KL24中受力鋼筋最大直徑為25mm，由此可確定KZ9及KL4混凝土保護層厚度為32mm，KL24混凝土保護層厚度為28mm。
3．2梁鋼筋的優(yōu)化
結(jié)構(gòu)圖紙中本節(jié)點，KL4中底部縱筋為4832，分三排布置，每排16根。由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》9．2．1-3條中規(guī)定:當下部鋼筋多于2層時，2層以上鋼筋水平方向的中距應(yīng)比下面2層的中距增大1倍。由此，將底部縱向鋼筋優(yōu)化布置為按四排布置，底部兩排分布16根，上部兩排分布8根。優(yōu)化后梁鋼筋情況見圖3，優(yōu)化后節(jié)點處鋼筋布置圖見圖4。
3．3柱鋼筋的優(yōu)化
柱鋼筋優(yōu)化應(yīng)注意以下幾點原則:第一，對縱筋應(yīng)保證凈距不小于50mm;第二，對箍筋應(yīng)盡量采用大箍套小箍的型式，保證箍筋肢距均勻;第三，外大箍開口方向，上下箍筋應(yīng)交錯布置。優(yōu)化后柱鋼筋情況見圖5。
3．4節(jié)點核心區(qū)鋼筋優(yōu)化布置
在優(yōu)化過程中，發(fā)現(xiàn)KL4的混凝土保護層厚度為32mm，KL24的混凝土保護層厚度為28mm，考慮到KL4在受力上較KL24重要，將KL24的縱筋下移，使其頂部縱筋位于KL4第一排縱筋之下，詳見圖6。對于節(jié)點核心區(qū)，鋼筋分布密集，所以鋼筋排布情況應(yīng)重點優(yōu)化，要做到如下幾點:1)縱筋間距及箍筋肢距盡量保持均勻;2)保證梁鋼筋在節(jié)點中的錨固長度;3)梁縱筋最外排豎向彎折段與柱外側(cè)縱向鋼筋凈距宜為25mm;4)對于頂層端節(jié)點，鋼筋彎弧外的混凝土中應(yīng)配置防裂、防剝落的構(gòu)造鋼筋。具體做法:在柱寬范圍的柱箍筋內(nèi)側(cè)設(shè)置間距不大于150mm且不少于3根直徑不小于10mm的角部附加鋼筋，且角部附加鋼筋應(yīng)與柱箍筋及柱縱筋可靠綁扎。優(yōu)化后梁柱節(jié)點鋼筋三維情況見圖7。
4BIM技術(shù)在配筋優(yōu)化設(shè)計中的優(yōu)勢
4．1混凝土保護層厚度
二維結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙中，用以表示配筋的各剖面中鋼筋均是以點或線的形式表達，且未按比例進行繪制，圖紙中保護層厚度僅供參考。施工時應(yīng)結(jié)合規(guī)范要求及圖紙說明來確定保護層厚度。在BIM配筋模型中，鋼筋繪制前，要對保護層進行設(shè)定，對于鋼筋位置，Revit軟件會自動調(diào)整，保證其緊貼保護層允許范圍。所以由Revit繪制的三維模型中可確保保護層厚度，可直接用于施工。
4．2鋼筋布置的優(yōu)化
二維結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙中，多數(shù)采用平法標注，需配合圖集16G101-1—3混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖進行施工，鋼筋的排布、錨固等均不能直觀的表達。對于一些復(fù)雜節(jié)點，存在表達不清，位置關(guān)系錯誤等情況。而在BIM配筋模型中，依據(jù)GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范及18G901—1鋼筋排布規(guī)則對鋼筋進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后鋼筋按照正確的比例，實際的長度及直徑，直觀的表達在三維模型里面。對經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的三維模型，直接用于施工，將施工階段問題解決于設(shè)計階段。
4．3各視角、視圖圖紙輸出
在二維設(shè)計圖紙中，由于平面制圖方式的限制，鋼筋表達均采用標準斷面，但在一些復(fù)雜節(jié)點中或一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)情況下，單剖面會導致設(shè)計表達不清，同時會在施工中造成一些錯誤。BIM配筋設(shè)計中，各視圖或剖面是聯(lián)動關(guān)系，對配筋進行修改后，將反映到所有視圖剖面中。對各構(gòu)件配筋均可多視角、視圖出圖，從而清晰表達鋼筋情況，且設(shè)計人員工作量不增加。
4．4輸出鋼筋明細表
在二維施工圖紙繪制過程中，鋼筋明細表中鋼筋長度及數(shù)量是靠人工手算完成。過程較為繁瑣且技術(shù)含量不高，此過程較為耗時耗力，也難免出現(xiàn)錯誤，施工前還需復(fù)核確定。Revit軟件中“明細表”功能，可自動生成鋼筋明細表，其表中信息可根據(jù)設(shè)計者想表達內(nèi)容，及設(shè)計過程中所輸入的鋼筋“類型屬性”進行輸出。此功能不僅可以保證鋼筋數(shù)量長度的準確性，節(jié)省大量的繪表時間。如果后期設(shè)計方案調(diào)整導致鋼筋發(fā)生變化，可減少因鋼筋統(tǒng)計產(chǎn)生的工作量，從而大幅提高設(shè)計人員工作效率。
5結(jié)語
建筑工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)已有一些應(yīng)用，對配筋優(yōu)化設(shè)計方面，BIM技術(shù)應(yīng)用有強大的潛力。本文中運用BIM技術(shù)對梁柱節(jié)點的配筋進行優(yōu)化設(shè)計，從而達到指導施工的目的。BIM技術(shù)具有強大的功能，其優(yōu)勢也很明顯，對于工程的優(yōu)化設(shè)計及指導施工具有重大意義，特別是對配筋設(shè)計中，可以直觀的反映鋼筋的直徑、形狀、位置等信息，多視角多維度對鋼筋情況進行展示，對鋼筋情況表達十分清晰;另外通過BIM技術(shù)還可對每根鋼筋進行信息管理，對每根鋼筋的型號、直徑，長度等信息進行統(tǒng)計分析，輸出于明細表中。對比二維鋼筋圖紙，有較大優(yōu)勢。BIM技術(shù)在鋼筋設(shè)計的應(yīng)用也存在一定的局限性。因其對計算機硬件要求較高和軟件性能等方面的問題，在BIM三維模型中，無法大量繪制鋼筋，在整個項目中，將全部鋼筋進行表達是無法達到的。所以，可僅對工程中關(guān)鍵節(jié)點和重要構(gòu)件，進行BIM模型的配筋優(yōu)化設(shè)計，對于常規(guī)構(gòu)件的設(shè)計，尚不需進行配筋的優(yōu)化設(shè)計，且施工單位對常規(guī)構(gòu)件的施工技術(shù)較為成熟。在將來，BIM技術(shù)會更加成熟，應(yīng)會得到進一步的推廣，更好的為建筑工程項目服務(wù)。
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作者：韋華威 楊東 雷范博 單位：中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司