BIM 技术在模板工程设计与施工中的研究

近几年，BIM技术为整个建筑行业带来了不可估量的影响，已经应用于工程建设的各个领域.将BIM技术引入模板工程，可摆脱传统二维图纸编制、交底困难的情况.将模板工程的前期设计、安全验算、施工管理放在同一平台上，将提高设计和施工效率，直观、快捷地对工人进行技术交底，解决了模板工程设计和施工过程存在的问题，提高了施工的安全性及经济性。因此，BIM技术为模板工程的设计与施工提供了一种有效途径。

1、模板工程设计施工中常出现的问题

1.1 传统二维图纸交底困难

模板施工图通常为单个构件的大样图，且通常依靠AutoCAD建立二维平面、立面图，无法体现各构件之间的相互位置关系。这样的模板施工图指导意义较差，对工人进行技术交底时，人为随意性增大，导致模板工程安全性大大降低.图1为二维大样图和三维设计图对比。

图1 二维大样图与三维设计图对比

1.2 现场配模、控料难

普通混凝土工程，在每层施工前，模板工都要根据图纸进行集中下料.对于高层住宅，标准层配模完毕，上部其他标准层无需再进行配模，只需将下层模板运到施工层即可。但随着建筑物复杂程度越来越高，建筑物层高、构件尺寸等都会发生变化，施工层需重新配模，不仅增加施工工期，也会造成模板浪费。

2、基于BIM技术的模板工程设计与施工的优势

2.1 三维可视化

三维可视化是BIM技术最重要的特点之一，即“所见所得”的形式，将以往线条式的二维图形转化为三维的立体实物，对建筑业的发展有着非常深远的意义。

运用BIM技术，对模板工程进行三维可视化设计，摆脱了以往施工人员单纯依靠AutoCAD对构件进行二维设计的局面，高效、准确地对构件进行三维设计，并且通过输出三维设计图，更形象更直观地对工人进行技术交底，有利于提高施工效率和准确性，提高了模板工程的安全性。

2.2 施工模拟

模板工程是一个多工序、多协调、复杂程度极高的分项工程，贯穿整个结构工程施工的全过程.利用BIM技术，对模板工程施工全过程进行模拟，通过模拟分析，得出各专业之间逻辑关系，从而确定合理的施工方案来指导施工。

2.3 构件属性

运用BIM技术进行模板工程三维设计时，可以对构件的属性进行定义，如钢管直径、壁厚、模板的弹性模量等.通过属性定义，可以为构件的安全验算作数据支撑，对构件进行安全验算、输出计算书等。

2.4 材料用量统计

模板支撑体系三维设计完毕，可以统计整个模型中各材料的用量，如模板面积、钢管长度、木方体积、扣件个数等.材料用量的统计，有利于现场对材料和资源进行统一管理，实现模板工程的精细化管理。

2.5 模板配模

模板工程施工时，木工需通过现场统计二维图纸构件尺寸，对模板进行集中下料，这样不仅降低了施工效率，还会造成模板的浪费.通过建立好的BIM模型，输入现场使用的模板尺寸，对模板进行自动化配模，有利于提高施工效率，避免了模板的浪费。

3、BIM技术在模板工程施工中的应用实例

3.1 工程概况

本工程位于山东省青岛市崂山区香港东路与海尔路交叉路口，为CBD超高层办公区A1塔楼.A1塔楼为39层写字楼，结构高度169.55 m，层高为4～6 m，总用地面积20 000 m2，总建筑面积为130 889 m2，设计使用年限为50年。

塔楼主体结构类型为框架核心筒结构，结构尺寸较大，高大模板较多.部分柱截面尺寸为1400 mm×2600 mm、2400 mm×2600 mm、1400 mm×1600 mm等，剪力墙墙宽为300、400、500、600 mm等，板厚为120、140、200、300、400 mm等，裙楼、主楼主梁截面尺寸为800 mm×1200 mm、600 mm×2400 mm、1300 mm×1800mm、1200 mm×2400 mm等。

图2 主体结构模型

3.2 主体结构建模

本工程采用品茗模板设计软件对模板工程进行三维设计.由于模板工程是使混凝土成型的一类结构，在进行主体结构建模时，可不用对钢筋进行建模。

主体结构建模可通过2种方式进行，一是将CAD图纸导入软件中，利用软件的转化CAD图层功能进行建模；二是将CAD导入后，以其为背景进行手动建模.这2种方式各有利弊，前者在转化过程中会出现转化错误，错误部分需手动调整；后者建模错误较少，但建模效率较低.本工程采用方式一对主体结构进行建模，错误部分通过手动调整.主体模型如图2所示。

3.3 工程基本参数设置

建模后，对工程的基本信息进行输入，包括工程信息、工程特征、设计计算规范、施工方案及材料选择等，这些工程基本参数，为之后模板支撑的安全验算作数据基础。

本工程采用厚度为15 mm的木胶合板模板，整张模板尺寸为915 mm×1830 mm，次龙骨采用50 mm×80 mm的方木，立杆、横杆及主龙骨均采用φ48 mm×3.5 mm的Q235钢管，钢管材质应符合国家标准GB/T 13793—2008，加固构件用直径为14 mm，轴向拉力设计值为17.8 kN的对拉螺栓，立杆顶部可调托座承载力容许值为40 kN，托座内主梁为2根(图3、图4)。

图3 工程特征设置

图4 各构件安全参数设置

图5 KZ2模板三维图

3.4 模板支撑三维设计

由于模板支撑工程体量大、细节较多，且为临时性结构，所以选用A1区塔楼1层进行模板工程的三维设计，三维设计的顺序按照先布置竖向构件模板，再进行高大模板辨识，对高大模板支撑进行设计，最后再对普通梁板进行设计。

竖向构件以KZ2(1400 mm×1600 mm)和Q104(500 mm)为例，三维图如图5、图6所示。

水平构件分为高大模板构件和普通梁板构件，对高大模板构件，通过高大模板辨识规则，找到模型中高大模板的位置，对其进行特殊设计，并导出高大模板识别表，用于施工方案的编制，如图7所示。

高大模板以KL-H(800 mm×1200 mm)为例，梁底增加2根承重杆，普通梁板结构如图9所示。

图6 Q104模板三维图

图7 高大模板辨识

图8 板模板支撑

图9 构件通过安全验算

3.5 模板安全验算

本层模板支撑体系三维设计完毕之后，为保证三维设计的安全性，要对设计完毕的构件进行安全验算，模型所用材料及构造参数已经在设计过程中输入。若安全验算通过，则构件将变成绿颜色，若没有通过，则会变成红色，然后再进行相应参数的修改(图9)。

3.6 材料用量统计

三维设计完毕的模型，应进行材料的用量统计，如模板面积、钢管长度、木方体积、扣件个数等.材料用量的统计，有利于现场对材料和资源进行统一管理，实现模板工程的精细化管理.统计结果如图10所示。

图10 材料用量统计

3.7 模板配模

本工程整张模板尺寸为1830 mm×915 mm，根据现场配模规则，梁板模板施工时，施工做法为板模板压梁侧模，梁侧模包梁底模，主梁模板包次梁模板。板的模板尽量靠边整拼，不进行切割.墙柱模板应伸至板模板底部，板模板压墙柱模.由于墙体模板较长，为减少切割，通常采用横向配置模板，如图12—15所示。

在图12—15中，深色代表整块模板，不需要切割，浅色代表已经切割的模板.模板尺寸标在其中，方便工人进行技术交底和集中配模。

图11 板配模

图12 板模板压梁侧模

图13 墙配模

图14 框柱配模

利用BIM技术对模板进行配模下料，施工前对模板进行编号，使得构件与模板配套使用，再根据配模图提前对工人进行技术交底，这样不仅提高了配模效率，还减少模板浪费，有利于改善现场配模难、控料难的问题。

4、结束语

BIM技术已成功应用于建筑施工的各个领域，其三维可视化、施工模拟、信息传递的特点，打破了传统二维图纸在模板工程设计施工中的种种问题。本文对BIM技术在模板工程设计施工中的应用进行了探讨，将模板工程的前期设计、安全验算、施工管理放在同一平台上进行，提高设计和施工效率，直观、快捷地对工人进行技术交底，解决了模板工程设计和施工过程存在的问题，提高了设计和施工的安全性及经济性，为以后施工人员编制施工方案及技术交底提供一种新的方法，对BIM技术在建筑施工中的推广起到了重要作用。