第二节　BIM在混凝土结构工程中的深化设计及数字加工

一、BIM钢筋混凝土深化设计

现浇混凝土结构工程的深化设计及后续相关工作如图2-4所示。

1.基于BIM的钢筋工程深化设计

钢筋工程是钢筋混凝土结构施工工程中的一个关键环节，它是整个建筑工程中工程量计算的重点与难点。据统计，钢筋工程的计算量占总工程量的50%～60%，其中列计算式的时间约占50%左右。

（1）现浇钢筋混凝土深化设计　由于结构的形态日趋复杂，越来越多的工程节点处钢筋非常密集，施工难度比较大，同时不少设计采用型钢混凝土的结构形式，在本已密集的钢筋工程中加入了尺寸比较大的型钢，带来了新的矛盾。通常表现在以下几点。

①型钢与箍筋之间的矛盾，大量的箍筋需要在型钢上留孔或焊接。

②型钢柱与混凝土梁接头部位钢筋的连接形式较为复杂，需要通过焊接、架设牛腿或者贯通等方式来完成连接。

③多个构件相交之处钢筋较为密集，多层钢筋重叠，钢筋本身的标高控制及施工有着很大的难度。

采用BIM技术虽不能完全解决以上的矛盾，但是可以给施工单位提供一种很好的手段来与设计方进行交流，同时利用三维模型的直观性可以很好地模拟施工的工序，避免因为施工过程中的操作失误导致钢筋无法放置。

如图2-5所示案例，某工程采用劲性结构，其中箍筋为六肢箍，多穿型钢，且间距较小，施工难度较大，施工方采用Tekla软件将钢筋及其中的型钢构件模型建立出来，并标注详细的尺寸，以此为沟通工具与设计方沟通，取得了良好的效果。

（2）钢筋的数字化加工　对于复杂的现浇混凝土结构，除了由模板定位保证其几何形状正确以外，内部钢筋的绑扎和定位也是一项很大的挑战。

对于三维空间曲面的钢筋结构，传统方式的钢筋加工机器已经无法生产出来，也无法用常规的二维图纸将其表示出来。必须采用BIM软件将三维钢筋模型建立出来，同时以合适的格式传递给相关的三维钢筋弯折机器，以顺利完成钢筋的加工。

2.国外钢筋工程BIM深化成功案例

某国外大桥工程，有着复杂的锚缆结构，锚缆相当沉重，而且需要在混凝土浇捣前作为支撑，大量的钢筋放置在每个锚缆的旁边，如何确保锚缆和钢筋位置的准确并保证混凝土的顺利浇捣成为技术难点。BIM技术的使用很好地解决了这些问题，如图2-6所示。

同时，桥梁钢筋的建模比想象中困难许多，这种斜拉桥具有高密度的钢筋和复杂的桥面与桥墩形状，使建模比一般单纯的结构更加困难与费时。在普通的钢筋混凝土结构中，常规的梁、柱、墙、板等建筑构件都有充分的形状标准，可以用参数化的构件钢筋详图和配筋图加速建模的速度，桥梁元件则因为其曲率及独特的几何结构需要自定义建模。

施工总承包方使用Tekla Structure的ASCII，Excel和其他资料格式提供钢筋材料的数量计算。

对于桥梁ASCII报表资料，其被格式化成可以直接和自动导入到供应商的钢筋制造软件中，内含所有的弯曲和切割资料。软件在工厂生产时驱动NC机器，格式化是在软件商和承包商的共同支撑之下完成的，也避免了很多人为作业的潜在错误，如图2-7所示。

钢筋生产及数字加工操作流程如图2-8所示。

二、BIM模板深化设计及数字化加工

1. BIM模板深化设计

BIM模板深化设计的基本流程为：基于建筑结构本身的BIM模型进行模板的深化设计—进行模板的BIM建模—调整深化设计—完成基于BIM的模板深化设计。如图2-9反映的是一个复杂的筒体结构，通过BIM模型反映出其错综复杂的楼板平面位置及相关的标高关系，并通过BIM模型导出了相关数据，传递给机械制造业的Solidworks等软件进行后续的模板深化工作，顺利完成了异型模板的深化设计及制造。

对于混凝土结构而言，首先必须确保的就是模板排架的定位准确、搭设规范。只有在此基础上，再加强混凝土的振捣养护，才能确保现浇混凝土形状的准确。

以某排演厅工程为例（图2-10），它是由一个马鞍形的混凝土排演厅及其他附属结构组成，其马鞍形排演厅建筑面积为1544m²，为双层剪力墙及双层混凝土异型屋盖形式，其双墙的施工由于声学要求，其中不能保留模板结构，必须拆除，故而其模板体系的排布值得好好研究，同时其异型的混凝土屋盖模板排架的搭设也给常规施工带来了很大的难度。

此项目的模板施工，充分利用了BIM软件具有完善的信息，能够很好地表现异型构件的几何属性的特点，使用了Revit、Rhino等软件来辅助完成相关模板的定位及施工，尤其是充分地利用了Rhino中的参数化定位等功能精确地控制了现场施工的误差，并减少了现场施工的工作量，大大地提升了工作效率。

（1）底板双层模板及双层墙的搭设　底板模板为双层模板，施工中混凝土浇捣分为两次进行，首先浇捣下层混凝土，然后使用木方进行上层排架支撑体系的搭设，此部分模板将保留在混凝土中，项目部利用了BIM技术将底板模板排架搭设形式展示出来，进行了三维虚拟交底，提高了模板搭设的准确性，如图2-11所示。

双墙体的施工要求更高，国外设计出于声学效果的考虑，不允许空腔内留有任何形式、任何材质的模板及支撑材料。项目部利用BIM工具并结合工作经验，对模板本身的设计及施工流程作了调整，用自行深化设计的模板排架支撑工具完成了双层墙体的施工（图2-12）。

（2）顶部异型双曲面屋顶的施工　对于顶部异型双曲面混凝土屋面的施工，排架顶部标高是控制梁、板底面标高的重要依据。

此排演厅A排架顶部为双曲面马鞍形，在7.000m标高设置标高控制平面，由此平面为基准向上确定排架立杆长度（屋盖暗梁下方立杆适当加密），预先采用BIM技术建立模型，并从模型中读取相关截面的标高数据，按此数据拟合曲率制作钢筋桁架模型，如图2-13所示。

同时现场试验制作了一榀钢筋桁架，测试桁架刚度能满足要求，如图2-14所示。

该项目总共制作了12榀钢筋桁架（整个屋面的1/4部分），桁架底标高即为屋盖下方水平钢管顶面的定位标高，如图2-15所示。钢筋桁架安装布置图如图2-16所示。

钢架采用塔吊吊装，如图2-17所示。

屋盖底面曲率定位时先确定桁架两头的标高（即最高点和最低点，桁架必须保证垂直），在桁架两端各焊接一根竖向短钢管，桁架安装时将短钢管与板底水平钢管用十字扣件连接，并用铅垂线确定垂直度，遂逐一确定各水平横杆的标高及斜度。

2.模板的数字化设计及加工

通过BIM技术可以有效地将模板的构造通过三维可视的模式细化出来，便于工人安装。同时定型钢模等相关模板可以通过相关计算机数字控制机床（computer numerical control，CNC）机器来完成定制模板的加工，首先由BIM模型确定模板的具体样式，再通过人工编程，确定CNC机器刀头的运行路径来完成模板的生成及切割，如图2-18所示。

同时随着3D打印技术的发展，异型结构已经可以结合3D打印技术等先进的方式来完成相关的设计，这对于工作效率的提高将是一个更大的改进，同时精确度也将显著提高。

目前3D打印主要存在的瓶颈还在于其打印材料的限制，故可以采用如下流程，利用多次翻模的技术来完成相关模板的制作，如图2-19所示。