马锦熙
中国建筑第五工程局有限公司 北京
摘要：在建筑工程项目中，高支模工程作为项目的重点分项工程之一，也是建设项目的重点及难点之一。在高支模工程施工过程中，不仅施工投入较大，施工周期较长，其安全风险也较高。尤其是在施工过程中，如若未能做好施工安全控制，将极有可能导致模板坍塌情况的发生，并最终引发一系列安全事故。基于此，为切实保障高支模工程的施工安全，BIM技术及有限元分析就成为工程项目开展过程中必须应用的主要施工技术。本研究就是在此基础上结合工程实例，对其高支模工程施工过程中BIM技术及有限元分析法的应用进行了简要探讨。
关键词：BIM；有限元分析；高支模；应用
1.背景
近年来随着建筑工程项目规模的不断增大，高层、超高层以及超常规建筑开始成为越来越多得出现在公众视野中。而在这些建筑工程的建设过程中，都不必可少要应用到空间模板技术，并需要以高支模作为基础。但是随着高支模施工的越来越多，模板坍塌开始成为工程建设过程中最为常见的安全事故之一，并由此导致人员及财务的大量损失，给施工方造成诸多困扰。而BIM技术的出现就有效解决了此类问题，并极大地保障了高支模工程的施工安全。将BIM技术引入到高支模工程中，尤其是从初期设计就开始进行优化，并对施工过程进行模拟、计算、碰撞检查等，以切实提升建筑工程的信息集成化，确保工程各专业人员都能协同作业，在保障高支模工程施工质量的同时也极大地提升了施工效率。但是经由多个工程实践证明，当前由于BIM技术扔短暂停留在三维可视化、工程量计算以及各分项工程的管理方面，而过去多使用的力学分析软件也在建模过程中存在一定的应用弊端，如遇到曲面等不规则图形时，有限元分析法就难以做好对复杂节点的建模。
基于此，将BIM技术与有限元分析软件相结合，共同应用于高支模施工中，既能充分发挥BIM的技术优势，同时还能使用有限元分析来分析模板结构的安全性。高支模工程项目的整体结构形式一般为密肋梁板，各梁柱节点较多，且主次梁交接情况较多，在高支模模板施工时转角、加腋以及结合部位的数量均较多，施工过程难度较大等。
2.BIM技术结合有限元分析技术在工程中的应用
2.1高支模架体对比分析
在高支模工程项目中，高支模工程的架体主要有如下两种作用，首先为支撑作用，其次则可作为模板龙骨的受力点。在工程施工过程中，对于主体结构而言，设置于梁板底部的立杆的数量以及其分布位置，都需要依据主次龙骨的材料来确定，同时还需要满足模板龙骨的受力需求，因此架体立杆往往支设较为密集。在传统工程项目的建设过程中所使用的落地立杆，在支设后往往会导致盘扣架整体立杆的间距更加密集，且还会使得架体的高强度性不能得到充分利用，导致多数架体不能显示出应有的支撑功能，并导致大部分材料被浪费。而此时BIM技术与有限元分析方法的结合使用，就可充分利用到传统钢管扣件及盘扣架，充分体现出扣件等的灵活性以及盘扣架的高强性。
2.2BIM技术结合有限元分析工艺流程
2.1.1初步计算盘扣架排布
在计算之前，首先需要依照相关参数，如主体结构梁板等信息，按照以往立杆方式对高支模工程汇总的支模方案进行设计，之后再结合相关计算软件如PKPM、广联达等确定出架体所需材料、立杆间距以及斜拉杆等的构造措施等。在计算过程中，主要需要关注如下内容，首先是梁底模板主次龙骨，确保不论是其分布还是支撑方式都不仅满足龙骨受力要求，还能满足架体的承载以及稳定需求。其次则是应当注意对某一构件的尺寸要采用多种间距进行排布，以使不同固件都能满足支模的载荷需求。
2.1.2高支模架体BIM深化设计
结合上述结果，继续对支架进行排列并建模，以对施工情况进行模拟。在建模时，则需要结合实际工程所使用的材料来绘制三维模型，尤其是立杆的长度都需要以实际情况为标准，以便于后期的有限元分析。此时BIM技术的应用则是对支模架体的排布进行进一步优化，经由优化后，传统架体的布设方式均由单层形式变为双层形式。其中上层主要体现出模板的支设功能，下层则充分体现出模板的支撑功能。如此一来，支模架体的更具灵活性与高效性。而通过模型的建立还能有效对设计方案进行审查及较低。与此同时，由于此支模架体中的盘扣架之间进行连接时使用的为自锁式插销，较之于传统的超扣件连接方式，其效率更高，所支设形成的架体在强度上也更高。而经优化设计后，即可提前预知施工过程中的难点问题，进而预先制定解决措施，从而最终加快施工进度，提升施工效率。
2.1.3有限元分析优化
有限元分析主要就是为了进一步优化架体支杆的下部构造。优化过程中，首先从支杆下部选出支撑梁布设较为密集的区域，在建模软件中按照同一方向在梁底部位截取统一标高进而优化。之后使用Midas Civil对架体进行建模并分析。此时针对立杆、横杆以及斜杆均使用杆系模型，横杆释放梁端约束保留40%，斜杆梁端设置为铰支，并对架体的自重进行记录。杜宇板底杆件与主龙骨、满布钢梁之间及梁底主龙骨与满布钢梁之间则设置法向受压的弹性连接，以消除在水平方向上冗余的约束力的影响，确保荷载传递的有效性，而对于弹性连接的非受力方向同样也设置出较小的弹性连接，以确保架体可以正常进行计算。其中，荷载主要包括施工过程中的恒载以及活荷载，在架体以及主次楞上则需要对自重荷载进行设置，若结构为混凝土时，其自重荷载应当以面荷载的形式加之于次楞上，之后向下进行传递。同时，等效面荷载则需要依据投影面积法进行计算。在该工程中，梁底、板底以及施工时的荷载均设置为3kN/㎡，且以面荷载的方式施加于次楞上。之后利用荷载组合，取恒载系数为1.2，活载系数为1.4.然后对输出结果如立杆制作反力、模板架体应力、架体位移以及满布钢梁应力等。最后，将计算书中的架体载荷值作为基础，对优化后的设计方案对受力要求的适用性进行判断。
2.1.4有限元结果分析
在案例工程中，经有限元分析后得出结果主要如下表1
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由上述有限元分析结果可知，架体受力情况均满足设计要求，且在布局上科学合理，各受理部件仅可良好工作。满布钢梁的构造可将集中力的影响进行有效分散，并将各集中力均匀分布与架体的各个节点位置，局部应力集中部位的应力值也符合安全要求。由此可知，经BIM技术结合有限元分析优化设计后的设计方案科学有效，架体在位移上也均在可控范围内，材料性能可满足应力值要求。
2.1.5新式架体BIM模型分析
结合有限元分析结果，经由建模后进行架体与结构之间的碰撞检查、架体的连接情况，并依据最终的优化设计对现实场景中底层支撑杆的分布情况进行确定，以便于后期实际施工放线定位。同时结合BIM建模对工人进行施工交底。
2.1.6效果比较
对比普通支模方式与优化后的架体剖面图可发现，经有限元分析优化后架体下部立杆之间的间距有所增大，如此一来不仅使得材料的强度功能都得到充分发挥，减少了施工过程中的资源浪费情况，还极大地减少了工程的工程量，节约工程成本投入。
结束语
经由BIM技术结合有限元分析，案例工程中高支模工程60万㎡工程体量施工时间仅为25日历天。由此实践证明，通过此技术融合，不仅可以有效加快施工进度，还能使工程质量得到进一步保证，在节约工程成本投入的同时，还能确保工程的结构安全，因此在大型建筑工程项目的建设过程中极具推广价值。
参考文献：
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