BIM技术在地铁车站盘扣式脚手架中的应用

■ 文/张桂林

以地铁为代表的城市轨道交通极大地缓解了城市交通拥堵问题，加速了城市间的人员流动效率，目前已成为大中型城市最主要的交通出行方式之一。作为大型土建施工项目代表的地铁工程，在主体结构现浇梁、板施工过程中，必然要使用大量的盘扣式脚手架施工附属设施，为了进一步分析BIM 技术在盘扣式脚手架对地铁施工项目现浇结构中的应用情况，本文特以天津地铁11 号线招远路站B 出入口附属主体结构施工项目为研究背景，简述了BIM 技术在盘扣式脚手架中的应用情况。

招远路站位于东丽区环宇道和跃进路路口西侧，沿环宇道东西走向敷设，为地下二层岛式站台车站，站台宽度12m，车站中心里程右DK38+436.344，规模208.7m×20.7m（结构外皮）。设2 组风道，4 个出入口。

B 出入口位于环宇道南侧，现状空地北侧，为地下一层矩形框架结构，长约58.7m、标准段宽约11.9m、标准段深约10.4m，顶板覆土约4.9m；
附属主体结构顶板厚度800mm、底板厚度800mm、侧墙厚度700mm。

BIM（Building Information Modeling），即建筑信息模型，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，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。与传统的CAD 二维图纸不同，BIM 是三维几何图形，是建筑业信息化应用的方向。

对于现在的盘扣式脚手架BIM 模型的搭建一般可以通过一个或几个软件来完成，主要为Revit 软件、广联达BIM 模板脚手架设计软件等。

3.1 Revit 软件

Revit 是Autodesk 公司出品的一款建模软件的名称。Revit 软件可帮助管理人员高效率建模。本次BIM 技术应用的第一步是通过Revit 绘制出招远路站B 出入口附属主体结构模型。

3.2 广联达BIM 模板脚手架设计软件

广联达BIM 模板脚手架设计软件是专门针对建筑行业中模板脚手架而专项研发的。可以在支架模板排布、支架安全受力验算、支架模板剖面、平面快速出图、支架模板材料统计等各环节提供专业、高效的工具。协助设计人员设计出符合经济、安全的高支模专项施工方案。采用广联达BIM 模板脚手架设计软件进而开始一键设计与成果输出计算、方案、绘图、算量等一系列工作。

4.1 施工荷载分析

板施工总荷载统计见表1。

表1 板施工总荷载统计表

4.2 模板及支撑体系设计形式

模板及支撑体系设计见表2。

表2 模板及支撑体系设计表

使用材料：

（1）立柱采用Φ60×3.2 钢管，钢材强度等级Q345，横杆采用Φ48×2.5 钢管，钢材强度等级Q235；
竖向斜杆采用Φ33×2.3 钢管，钢材强度等级Q195。

（2）调节钢支托：采用Φ48×6.5 钢管，钢材强度等级Q235。

（3）模板：15mm 厚木胶板。

（4）次楞为80mm×80mm 矩形方木；
主楞为10 号工字钢。

4.3 面板验算

W=bh2÷6=1000×15×15÷6=37500（mm3）

I=bh3÷12=1000×15×15×15÷12=281250（mm4）

承载能力极限状态：

q1=33.312（kN/m），q1静= 28.857（kN/m），q1活=4.455（kN/m）

正常使用极限状态：

q =23.18（kN/m）

计算简图如下：

（1）强度验算。

Mmax=0.213（kN·m），σ=Mmax/W=5.678（N/mm2）≤[f]=15（N/mm2），满足要求。

（2）挠度验算。

νmax=0.218（mm），νmax≤min{250/150，10}=1.667（mm），满足要求。

4.4 小梁验算

q1=8.4（kN/m），因此，q1静=7.286（kN/m）q1活=1.114（kN/m）

计算简图如下：

（1）强度验算。

M1=1.237（kN·m），M2=0.672（kN·m）

Mmax=max[M1，M2]=max[1.237，0.672]=1.237（kN·m）

σ=Mmax/W=14.494（N/mm2）≤[f]=15.444（N/mm2），满足要求。

（2）抗剪验算。

V1=0.6q1静L+0.617q1活L=6.07（kN），V2=q1L1=3.36（kN）

Vmax=max[6.07，3.36]=6.07（kN），τmax=1.423（N/mm2），τmax≤[τ]=1.663（N/mm2），满足要求。

（3）挠度验算。

q=5.845（kN/m），挠度，跨中：νmax=2.857（mm）

νmax≤[ν]=min（1200/150，10）=8（mm）

悬臂端：νmax=ql14/（8EI） =0.651mm ≤[ν]=min（2×l1/150，10）=min（2×400/150，10）=5.333（mm），满足要求。

4.5 主梁验算

（1）小梁最大支座反力计算。

q1=8.471（kN/m），q1静=7.357（kN/m），q1活=1.114（kN/m），q2=5.895（kN/m）

承载能力极限状态：

①按三等跨连续梁。

Rmax=11.316（kN）

②按三等跨连续梁按悬臂梁。

R1=7.521（kN）

R=max[Rmax，R1]=11.316（kN）

③正常使用极限状态。

按三等跨连续梁：R"max=7.781（kN）

按三等跨连续梁悬臂梁：R"1=5.188（kN），R’=max[R’max，R’1]=7.781（kN）

计算简图如图1所示。

图1 主梁计算简图

（2）抗弯验算。

主梁弯矩计算简图如图2所示。

图2 主梁弯矩计算简图

σ=173.206（N/mm2），σ ≤[f]=205（N/mm2）

满足要求。

（3）抗剪验算。

主梁剪力如图3所示。

图3 主梁剪力图

τmax=72.119（N/mm2），τmax≤[τ]=125（N/mm2），满足要求。

（4）挠度验算。

主梁变形图如图4所示。

图4 主梁变形图

跨中：νmax=0.831mm，[ν]=min{1500/150，10}=10（mm），νmax≤[ν]，满足要求。

悬挑段：νmax=0.915（mm），[ν]=min（2×500/150，10）=6.667（mm），νmax≤[ν]，满足要求。

（5）支座反力计算。

承载能力极限状态，支座反力见表3。

表3 支座反力

4.6 可调托座验算

按3 节计算可知，可调托座受力N=67.709（kN）。

可调托座承载力设计值[N]=140（kN），N ≤[N]，满足要求。

4.7 立杆验算

立杆验算见表4。

表4 立杆验算

（1）长细比验算。

l01=1000+2×0.7×650=1910（mm），l0=1.2×1500=1800（mm）

λ=max[l01，l0]/i=1910/20.1=95.025，λ ≤[λ]=150，满足要求。

（2）立杆稳定性验算。

顶部立杆段：λ1=l01/i=1910/20.1=95.025

查表得，φ=0.512，不考虑风荷载：N1=67.709（kN）

f= N1/（ΦA）= 231.601N/mm2≤[f]=300（N/mm2），满足要求。

非顶部立杆段：λ=1800.000/20.1=89.552

查表得，φ1=0.558，不考虑风荷载：N=67.709+1.1×γG×q×H=68.985（kN）

f=216.514（N/mm2）≤[σ]=300（N/mm2），满足要求。

4.8 高宽比验算

根据规范要求：架体总高度与架体的宽度之比不宜大于3。

H/B=5.95/19.3=0.308 ≤3，满足要求。

4.9 抗倾覆验算

MT=γ0×γLφwγQ（ωkL1Hh2+Q3kL1h1）= 125.372（kN·m）

MR=γG（G1k+0.15H/（lalb））L1B12/2=4006.13（kN·m）

MT=125.372kN·m ≤MR=4006.13（kN·m），满足要求。

MT=γ0×γLφwγQ（Q2kL1H2+Q3kL1h1）=536.658（kN·m）

MR=84785.801（kN·m）

MT=536.658kN·m ≤MR=84785.801（kN·m），满足要求。

5.1 控制模板成本

BIM 应用软件中一个优点是具有材料的参数特性，所以设计盘扣式脚手架模型的时候，可以选择盘扣立杆、横杆等各构件的尺寸、材料参数信息，利用可视化对模型中不符合要求的地方进行修改，因此保证了模型的参数信息准确度。此外，BIM 模板脚手架设计软件还具有算量的辅助功能，这一功能可迅速统计立杆、水平杆及连接件等的使用量并汇总成表，可以帮助对该子分部分项工程进行成本预测、成本分析及成本控制。在施工的时候能准确的计算出现场材料的所需数量等，从而在根源上降低材料成本。

5.2 优化施工方案

针对盘扣式脚手架施工过程中可能出现的重难点，利用BIM 技术中可视化的功能，将关键点部位以三维立体效果的方式显示出来，预先发现施工作业中有可能出现的问题。在建立盘扣式脚手架支撑体系三维立体模型的时候，BIM 技术软件能有效避免盘扣立杆支撑件与墙体或柱子发生冲突的情况。将盘扣式脚手架施工设计方案与BIM 技术结合起来，便于编制和分析整个施工设计方案，也有利于现场施工人员熟悉高支模搭设工序及工艺。通过盘扣式脚手架模型的三维立体图像的演示，从而提升施工进度。

随着BIM 技术在盘扣式脚手架施工设计中的深度运用，以及盘扣式脚手架施工渐趋标准化和规范化。本文从BIM 技术在盘扣式脚手架施工中常用的软件入手，将软件的优势功能结合起来，直观展示了盘扣式脚手架施工设计方案，能够提前发现施工设计方案的不足之处并及时加以改进。此外，使施工管理人员对盘扣式脚手架有整体的了解，能更直观地学习在施工中可能遇到的重难点，从而保证施工过程的安全和工程质量的控制。