梁柱節(jié)點配筋優(yōu)化設計BIM技術應用
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摘要:BIM技術在工程領域的應用愈發(fā)廣泛，而梁柱節(jié)點的設計對于建筑工程的安全性不言而喻，做好混凝土結(jié)構梁柱節(jié)點中的配筋優(yōu)化設計是重中之重。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技術在梁柱節(jié)點配筋優(yōu)化設計中的應用進行研究，并分析了BIM技術的優(yōu)勢，闡述了BIM技術對工程施工方面的技術指導。
關鍵詞:梁柱節(jié)點，BIM，配筋，優(yōu)化設計
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用也較為廣泛，技術及功能也趨于成熟。對于結(jié)構設計，BIM技術的應用主要體現(xiàn)在鋼筋的優(yōu)化設計。關于結(jié)構抗震設計中的一個重要思想是“強柱弱梁，強節(jié)點弱構件”，所以梁柱節(jié)點的設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)化設計，介紹了基于BIM技術的三維設計相對于原二維設計的優(yōu)點，探討這一技術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)構采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構，部分進出站樓扶梯采用鋼結(jié)構。主體地下1層，局部設置地下進站夾層、站臺夾層。結(jié)構抗震設防烈度8級，抗震設防類別為重點設防類(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)構安全留有隱患，所以對其進行優(yōu)化設計，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)構鋼筋模塊，其鋼筋模塊須以混凝土構件為基礎，所以梁柱節(jié)點鋼筋系統(tǒng)的建立，必須基于混凝土構件。具體步驟如下:1)混凝土梁柱構件建立。由結(jié)構圖紙中具體梁柱截面尺寸，通過Revit軟件結(jié)構模塊中“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)構設計中柱的內(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件，所以在配筋設計時，對梁柱構件選擇合適的位置增加剖面，采用剖面視圖進行配筋設計。3)確定混凝土保護層厚度。根據(jù)結(jié)構施工圖紙及相關規(guī)范，確定相應保護層厚度。Revit軟件中保護層設置應先選擇主體單元，然后進行保護層的設定。4)選擇鋼筋參數(shù)設置及繪制。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)。鋼筋放置之前應按照設計要求設定參數(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)化設計
3．1保護層厚度的確定
混凝土保護層厚度確定時應注意保證構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)構設計規(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)化應注意以下幾點原則:第一，對縱筋應保證凈距不小于50mm;第二，對箍筋應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配置防裂、防剝落的構造鋼筋。具體做法:在柱寬范圍的柱箍筋內(nèi)側(cè)設置間距不大于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技術在配筋優(yōu)化設計中的優(yōu)勢
4．1混凝土保護層厚度
二維結(jié)構設計圖紙中，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)構設計圖紙中，多數(shù)采用平法標注，需配合圖集16G101-1—3混凝土結(jié)構施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構造詳圖進行施工，鋼筋的排布、錨固等均不能直觀的表達。對于一些復雜節(jié)點，存在表達不清，位置關系錯誤等情況。而在BIM配筋模型中，依據(jù)GB50010—2010混凝土結(jié)構設計規(guī)范及18G901—1鋼筋排布規(guī)則對鋼筋進行優(yōu)化設計，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)化設計后的三維模型，直接用于施工，將施工階段問題解決于設計階段。
4．3各視角、視圖圖紙輸出
在二維設計圖紙中，由于平面制圖方式的限制，鋼筋表達均采用標準斷面，但在一些復雜節(jié)點中或一些復雜的結(jié)構情況下，單剖面會導致設計表達不清，同時會在施工中造成一些錯誤。BIM配筋設計中，各視圖或剖面是聯(lián)動關系，對配筋進行修改后，將反映到所有視圖剖面中。對各構件配筋均可多視角、視圖出圖，從而清晰表達鋼筋情況，且設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)設計者想表達內(nèi)容，及設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，從而大幅提高設計人員工作效率。
5結(jié)語
建筑工程領域，BIM技術已有一些應用，對配筋優(yōu)化設計方面，BIM技術應用有強大的潛力。本文中運用BIM技術對梁柱節(jié)點的配筋進行優(yōu)化設計，從而達到指導施工的目的。BIM技術具有強大的功能，其優(yōu)勢也很明顯，對于工程的優(yōu)化設計及指導施工具有重大意義，特別是對配筋設計中，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技術在鋼筋設計的應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，可僅對工程中關鍵節(jié)點和重要構件，進行BIM模型的配筋優(yōu)化設計，對于常規(guī)構件的設計，尚不需進行配筋的優(yōu)化設計，且施工單位對常規(guī)構件的施工技術較為成熟。在將來，BIM技術會更加成熟，應會得到進一步的推廣，更好的為建筑工程項目服務。
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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