BIM技术对传统高大模板工程存在问题的优化.docx

1、BIM技术对传统高大模板工程存在问题的优化第1章 绪论1.1 研究的背景与意义1.1.1 研究背景随着经济高速发展的中国，高层的房屋、金融建筑、大型的桥梁和地标性建筑越来越多，因为这些项目基本都是大型的就地铸造项目，结构的横跨大、承载力也大、高度高，所以高层模板作为一种很必要的施工工具，也有着越来越重要的作用1。在过去的十多年里，高大模板工程已经能使用CAD（Computer Aided Design）技术设计出来，但CAD技术仅仅改变了设计师手工绘制的方式，它并没有改变生产的内容。它不是真正的计算机辅助设计，而是一种计算机辅助绘图，有其自身的局限性。随着建筑工程的复杂性和难度的越来越高，CA

2、D技术的设计方法的缺点渐渐显现出来：（1）设计信息内部没有关联性一般的设计方法的设计结果相互独立，很难建立数据的联系。通用的CAD绘图软件不能形成数据图与数字结合的效果。它只能用二维平面图来表现设计结果，而不能用数据信息来直观的展示设计结果。缺乏相关性设计信息，从而造成了一系列的设计效率低下。（2）设计信息不通用一般的设计方法往往导致设计结果只能在一个或两个软件中使用，并且由于它们不遵循相同的数据标准，所以不同的应用程序是不能相互使用设计结果的，现有的设计成果也很难为后续软件所用，效率极低。（3）设计成果直观性差一般的设计结果是二维平面形式，在高层模板中，很难表达一些复杂的连接，也不利于设计师

3、与业主及施工人员之间的交流。在一般的设计方式中，工程信息的传导和管理是在各种工程信息的设计图纸和施工方案等工程文件之间的。相关文件显示，70%以上的工程信息是以文件的形式在整个项目全生命周期内的。近年来，高层模板工程的规模不断扩大，工程的复杂性和难度也越来越高，工程信息的文件越来越多，就会导致难以管理，文件的直观性差。材料方、设计方、现场施工方会根据自己内部的需求来建立各自的文件管理系统，这是一般的工程项目文件管理方法。而且各参与方内部不同的职能也有着各自单位的文件管理方法。这让不同部门间的联系变得复杂，容易陷入信息孤岛的窘境，也不利各参与方之间的相互协调合作。由于工程有很多部门和参与方，管理

4、层次复杂，造成各部门各职能单位交流乏力，工程信息的交换和公用的效率底下，从而也影响了项目的经营管理水平。一般的文件管理方式虽然应用广泛，但在这个信息技术高速发展的今天，一般的方法已经变成了提高工程设计和管理水平的绊脚石。在此问题上我们就要在建筑信息模型，即BIM来寻求突破，将其运用到实际的高大模板工程项目中2。1.1.2 研究意义BIM（Building Information Modeling），是指创建并利用数字化模型对建设工程项目的设计、建造、运行维护全过程进行管理和优化的方法和技术。建筑工程的数字化模型是建筑工程物理功能特征的数字化，直观的展示它们的协作职责，派生出各种类型的建筑工程物

5、理功能特征的数字化表达方式，也是一个共享的知识资源，可以为在项目的不同阶段，不同的利害关系方插入，提取、更新和修改信息3。它的功能也为以后的工程修复、改变甚至拆除提供了很大的方便。因为该模型能够精确地计算出工程量，甚至是自动的生成数量报告，使施工周期很明确，使有关的人能根据自己的要求来获取相应的数据以得到一个更精确的量和相应的建筑组件，而且可以自主的生成报告，包括项目的进度和各种预算报告。在技术三维仿真模型中，可以完成项目的假设设计、可视化决定、施工管理的透明化。这些都提高了工程中一些过程的标准，也相对减少了很多的错误，减少了工期，有利于绿色环保，从而实现建筑企业的转型和升级。1.2 国内外研

6、究现状1.2.1 国内研究现状近年来BIM在国内建筑业形成一股热潮，除了前期软件厂商的大声呼吁外，政府相关单位、各行业协会与专家、设计单位、施工企业、科研院校等也开始重视并推广BIM。2016年，季旋结合现代模板体系的特点，通过C#语言，基于BIM技术开发智能模块与设计软件，并利用BIM的模拟演示功能为设计者进行交底，有效的解决了模板施工与设计脱节的问题4。2018年，王耀耀，张立图等研究了BIM技术在模板工程中的应用，改善了建筑行业生产率低下，浪费严重的问题，且发现BIM技术在模板工程中的应用解决了施工质量差、管理混乱、材料浪费、建设缓慢、效益低等问题5。2016年，李阳等将研究了将BIN技

7、术引入模板支撑体系中，通过对散拼模板的三维设计与施工模拟分析，实现了对人工进行三维可视化交底，提高了施工效率，确保了施工的安全性和经济性6。2017年，李阳等结合了工程案例，利用了品茗模板设计软件将模板工程的前期设计、安全验算、施工管理放在同一个平台上进行操作，提高了设计和施工效率，直观、简洁的对工人进行技术交底，对BIM技术在建筑施工中的推广起到了重要作用7。2018年，邱良良以实现液压爬模安全高效施工为目的，利用BIM技术，研究了液压爬模施工中的应用、设计阶段的应用、方案优化设计的应用等方面。对BIM在模板工程中的应用起到了推动作用8。2018年，范学宁针对传统高支模管理模式，对其成本、效

8、率、安全等方面的问题，通过引入BIM技术，对高支模施工安全管理进行了探索。建立了高支模隐患信息库，保障了建筑施工安全，并有效的提高了建筑施工管理效率9。任何技术在解决了技术难题后的任务都是服务于实际工程，对于BIM技术，实际工程中也存在很多问题需要人工调整和配合。技术从研究到投入使用都是一个正常的过程，最终都是为了服务实际工作，而BIM技术在实际使用时也会需要人为的去配合调整，从而更有效率的完成任务也更能准确评估效益。1.2.2 国外研究现状国外的BIM技术在发达国家起步都比较早，在使用方面也比较多。美国Buil-ding SMART 联盟主席Dana K.Smith先生在其2010年出版的B

9、IM专著“Buildi-ng Information Modeling-A Strategic Implementation Guide for Architects,Engine-ers Constructors and Real Estate Asset Managers”中曾下过一个论断：“依靠一个软件解决所有问题的时代已经一去不复返了”10。2013年，Ahmad和Farzad对结合LCA的BIM进行了研究，并用在建筑项目的可持续设计中，所建立的模型包括了多个模块，对建筑项目的设计方面发展具有一定的参考意义11。2015年，Hee和Dong进行了通用的BIM数据库的开发研究工作，将该数

10、据库应用在老年住宅的改造项目中，可以保证工作的准确性并提高工作效率，具有一定的现实意义12。2016年，Alcinia等人对BIM软件的具体功能应用进行了研究，利用BIM软件的碰撞检查，有效的坚决了不同专业间的沟通协调13。1.3 研究内容和方法1.3.1 主要内容论文首先介绍了研究背景和意义、国内外研究现状以及BIM技术和高大模板工程相关理论，对BIM技术和模板工程有了初步的认识。其次这里主要针对传统高大模板工程在一般设计方法下施工管理方式、文档管理、信息交互等方面的问题进行分析总结。最后利用BIM技术在模板工程中的具体应用提出相应的解决措施，针对传统高大模板在设计和管理方面的不足，利用BI

11、M技术做出相应研究。文章在最后对BIM技术在模板工程中的应用做出了总结。1.3.2 研究方法本文对模板工程设计时在设计信息和工程文件信息管理方面存在的问题采用了以下几种研究方法。（1）文献查阅法：在撰写开题报告的时候，查阅了大量的国内外资料，包括文献、期刊、硕博论文等，对高大模板工程、BIM技术及文档管理方式有了初步的了解。（2）归纳总结分析法：本文在研究国内外相关研究的基础上，对高大模板工程中的问题进行了归纳总结，并分析问题提出相关的解决措施。第2章 BIM技术和高大模板工程相关理论概述随着BIM技术的应用越来越广泛，人们对BIM的了解却不是很清晰，本章就对BIM技术和高大模板工程的相关理论

12、做出概述。2.1 BIM技术和高大模板工程概念2.1.1 BIM技术概念建筑信息模型，简称BIM（Building Information Modeling），是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立。它具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点。美国目前BIM使用已经相当广泛，多个州立法，施工项目必须采用BIM创建工程数据模型。英国、沙特、香港、台湾等国家和地区也应用广泛。国内现在工程建设领域也掀起来学习和应用BIM技术的热潮。国内万科、龙湖、恒大、绿城、中信、万达、华润、SOHO、佳兆业、和记黄埔、金融街、中建地产等国内大、中型地产企业纷纷启用BIM技

13、术，并在设计、施工等招标和实施环节中要求应用BIM技术建造项目。中国建筑设计研究院、中国建筑科学研究院、北京市建筑设计研究院、CCDI集团、上海现代建筑设计集团、华东院等国内大、中型设计院已经在公司内部、外部涉及各种BIM项目。中建总公司旗下的第三、第五、第八工程局、中建国际、北京城建集团等企业也相继组建并具备BIM技术能力。2.1.2 高大模板工程概念我国建筑企业这几年高速发展，高大模板技术有也有了巨大的发展，也渐渐形成了一个自己的体系。模板新浇筑混凝土成型的模板和支撑模板的完整的构造体系，建设部要求：“水平构件模板支撑系统高度超过8m，或跨度超过18m，或施工总荷载大于15kN/m，或集中

14、线荷载大于20kN/m的模板支撑系统”为高大模板工程。2.2 BIM平台的选择Autodesk公司在BIM技术的三维数字仿真模型中，虚拟设计、可视化决策、协同构建、建筑工程的透明管理都可以实现。这将极大地提高工程决策、规划、测量、设计、施工和运营管理的水平。减少错误，缩短施工周期提高建筑业信息化水平，促进绿色建筑的发展，实现绿色建筑。使用该模型作为信息模型基础平台，有以下几个理由：第一，Revit能很准确的自动的编辑施工图纸，而且还具备包括建筑、结构、设备、协助、远程的协助、3DMAX渲染等功能；第二，是该公司在这方面有着很多年的经验，而且提供了很丰富的API（Application Prog

15、ramming Interface）的功能来进行二次开发应用，其他的专业都能根据自己需求来进行二次开发。2.3 高大模板设计系统2.3.1 设计系统的要求因为该系统是在Revit平台上进行的二次开发，因此有Revit 的所有功能和特征，已经可以完成一些在一般的高大模板设计中难以解决的问题：高大模板工程支撑体系需要的搭设材料的用量在一般的方法下大部分靠人工进行计算，而且一旦方案出现更改又需要重新进行材料用量计算，浪费了工程技术人员大量的精力和时间，Revit平台能够自动计算工程量；在一般的CAD设计方法中，对己经形成的设计结果进行再次修改的时，由于各信息要素之间没有内部的联系，只有靠人工去更改有

16、关联的一部分，所以设计方案更改难度大且容易出现失误，Revit平提供更改功能，并会自动生成报告提供优选方案，极大的提高了工作效率。即使是Revit软件，在工程模板设计中也有很多问题没有办法完成，所以在BIM平台的高大模板设计系统要有下面四个要求：（1）一般模板工程的设计量都比较大，设计内容也比较复杂，重复性高，特别是高大模板工程。模板工程安全计算工作量需要检查，工程的危险性太大，该系统能帮助设计人员减少了繁重的计算工作；（2）智能辅助决定要求：在项目的支持布局和模板配置时，要考虑许多因素，例如布局施工费用等。对于手工设计，其准确性的要求是很困难的。一般来说，设计师依靠自己的设计经验和直觉判断，

17、结果的准确度不好确保。为设计人员设置可供选择的指标和选择合适的方案，并由人工作出方案决策，使安排方案能够实现；（3）参数设计布局要求：对于布局方案，高大模板工程中大量的支撑和布置是一项重复性的工作，这就要求自动排样。通过设置布局参数，可以实现在三维可视化的应用；（4）与其他应用程序的信息交换需要：虽然设计系统是在平台的基础上实现的，但目前的信息交互标准缺乏，在模板工程中实现不同BIM软件与组件信息的交流是很难的，所以必须解决这个实际的问题。2.3.2 设计系统的功能设计（1）标准模板和支撑系统构件库设计系统的完善应成为模板的标准件库，并允许使用额外的标准操作来处理复杂的事项；（2）用于安全计算

18、的并行计算，这有助于设计者减少手工任务；（3）智能辅助设备通过对所选方案的准确选择，自动生成候选方案和评价指标。特定参数由设计人员根据该计划的要求，他们自己的专业知识和设计经验自行确定；（4）装配自动化模块自动支持所选的布局结果，从而减轻了设计师的负担。提高了设计效率，可以快速获得平台的各种绘图能力。信息交互的功能模块分为两部分：一是与平台的信息交互，API接口实现了数据几何、参数、材料等数据的提取，在建筑信息模型中，实现了布局。修改建筑信息模型相对应的辅助系统和支持系统、其他的外部应用程序。构件的交换使工程信息在不同的专业应用中高效流动，体现了技术的核心价值。高层工程设计系统的目标是协助工程

19、设计人员进行设计工作，充分发挥人与物的优势。使设计方案优化。考虑到人机合作的方式和效率，结合人与计算机的特点是非常重要的，这是一种合理的人机关系。人机交互不仅仅是人机交互，在ES参数输入、函数选择等可视化界面上，还提供了API接口来建立与接口的连接。信息从对现有的建筑信息模型进行了处理，并对读取的建筑物信息进行了处理，然后，采用一定的决策算法对支持系统和布局方案进行优化，选择的布局方案自动设置用于支撑和模板，同时将建筑信息模型的信息读取到后台数据处理后的数据进行整理和模板整理，实现与其他专业应用软件的信息传递。因为作为核心模型的软件包括整个建设项目的所有工程信息，难以从项目向其他学科提供模板工

20、程的子模型信息。在以上分析中，提出了高大模板工程设计系统的框架设计。第3章 传统高大模板工程中的难点问题传统高大模板工程的施工在很多方面都存在问题，随着建筑物本身结构越来越复杂，建筑物层数的也越来越高，对模板工程的施工要求在难度上就增加了很多。本章就传统高大模板在设计、施工工程中以及文档管理方面的不足及难点问题做出总结。3.1 盘扣式支撑体系支架布置方案的不足3.1.1 盘扣式支架布置方案的不足传统模板布置方案大多是盘扣式支撑体系，而盘扣式支撑体系模数特点是：采用固定化的架体模数，水平杆、立杆、斜拉杆的模数都已经被固定。这种方法有利也有弊，有利的在于架体的搭设更为方便，而且由于模数固定立杆的垂

21、直度得到了保证拥有更高的承载力；不利的是难以适应施工时复杂的现场施工环境。3.1.2 盘扣式脚手架安全算法的不足模板支撑体系布置方案的设计过程中需要考虑的问题主要有两个方面：其一是支撑体系的安全性问题，对于高大模板工程而言更是尤为重要；其二是支撑体系的经济性问题，包括了架体的租赁费用、搭设架体的人工费用等。如何在满足设计安全的基础上寻求搭设成本最低，这需要综合考虑安全和经济两方面的因素，在过去的设计工作中设计者往往只能依靠自己的直觉和设计经验来解决问题，难以保证设计质量，带来工程成本增加和进度拖延等不良后果。针对这一设计难点问题，为了兼顾了安全性和经济性，以寻求模板布置方案的优选算法。 3.2

22、 模板工程的施工难点问题3.2.1 危险性大模板工程尤其是高大模板工程因建筑工程要求往往模板及支撑体系搭设高度比较高、跨度大，再加上自身结构庞杂以及混凝土浇筑后自重大、结构面积大且复杂，所以存在极高的危险性。模板及其支撑体系一旦发生坍塌，牵连的施工作业面广、涉及的工种多，将会造成极其严重的后果，所以在设计、施工、监察等各个环节都必须严格要求，往往受到各方广泛关注。根据我国住建部发布的建筑安全事故以及模板脚手架协会统计的模板脚手架安全事故，对2010-2017年我国建筑工程模板支撑体系较大安全事故做出相应的统计，如表3.1所示。表3.1 2010-2017年模板支撑体系安全事故统计报表年度 较大

23、事故起数 死亡人数 占建筑事故比例 2010 29 125 44% 2011 25 110 44% 2012 29 121 27%2013 25 102 52% 2014 29 103 17%2015 22 112 33%2016 23 107 37%2017 33 129 49%3.2.2 材料浪费严重模板工程施工的过程中容易发生材料的严重浪费，主要体现在前期策划过程中对模板预拼装以及支撑体系预排布不合理造成实际施工过程中模板制作偏差造成的多余角料、废料过多；材料采购统计不准确造成的模板以及支撑体系下料过剩；模板工程施工时材料周转不合理、材料闲置造成的材料浪费等。3.2.3 工期延误混凝土工

24、程中模板工程的工程量大，工作面广，工种交互作业复杂，是造成项目工期延误的重要环节，造成工期延误的主要原因有下面几点：前期设计策划不合理，导致设计与施工之间出现矛盾造成设计变更及现场窝工；模板工程施工与材料采购之间时间节点中断导致的工期延误；现场管理人员交底不明确、施工人员对施工内容理解不充分导致施工错误造成返工；现场管理混乱，各个施工节点之间中断频繁导致的施工进度缓慢。3.3 传统高大模板工程文件的管理弊端由于一般的工程文件管理方法存在集中管理方面的不足的地方，在一般管理方法下的高大模板工程文件管理肯定存在一些缺点：（1）文件信息的交互方面众多的工程参与者和常规文档管理方法使参与者能够建立自己

25、的管理系统。根据自己的需要，如材料供应商、模板设计人员、现场承包商等，提供的工程文档会影响信息交流和不同服务之间的交互需要多个级别的访问，信息交流效率低下，所以很容易造成“孤岛效应”。（2）文件信息整合方面在项目过程中，模板的搭设肯定会产生很多的文件，在项目管理上又对不同的文件不同参与方的文件进行分析、整合，而各类文档又相互独立，没有很必然的联系，就肯定导致信息整合的低效信息组合和率，总是造成重复性的数据输入、输出，造成人力物力资源上的很大浪费14。3.4 模板工程施工中其他问题（1）方案拟订过程中遇到的问题。没有根据当地实际情况计算建筑方案提案，没有考虑到诸如建筑荷载、钢材料、杆地基和其他参

26、数等。（2）安装模板时遇到的问题。在安装模型时，经理没有获得足够的关于工人的信息，从而工人做事随意且不负责任，导致在模型和方案中出现不一致错误，并造成安全问题。（3）要注意以下方面的几个问题：拆除模型时遇到的问题。根据相关规定，拆除混凝土强度模型只能在整个过程的持续时间内拆除；模板拆除过程中没有按规定的方法拆除；拆除侧模板的时候，未按照相关规定布置防护设施，导致混凝土成品保护不合格，混凝土受损；在拆除结构楼板的过程中，安全人员无法监测和观察“警戒区”，这可能威胁工人生命。第4章 运用BIM技术在模板工程中相应问题的解决措施针对前文中传统高大模板在设计、施工以及文档管理方面的不足，本章利用BIM

27、技术对相应问题做出研究并提出相应解决措施。4.1 BIM技术对高大模板工程布置方案问题的解决措施4.1.1 盘扣式支架布置方案的不足的解决措施要优化计算机上的定位程序，最好的方案评估指标和方案评估指标模型介质的定位通常是两个，其中一个是支持系统的安全，另一个是支持系统的经济。支持系统安全性应该取消根据我们所在国家的相关标准进行翻译，以确定所选方案是否符合安全要求，即：模块所做的工作计算设计系统安全性。就经济问题而言，在当前的工作中，经济的要求在重量方面最低。根据磁盘固定重量的重量计算。空间的单位体积中的材料在空间的所有三个维度上的使用必须小于该空间中的单位体积。水平条形图的垂直和水平间距以及间

28、距不是相互关联的。如果考虑到每个方向的元素布局的最佳经济外观，实现搁板的最经济目的。斜接杆的长度为由水平边距和距离确定。因此，无需学习模块和水平间距的组合。我们的标准垂直柱或斜柱、检查和安全分析，将根据杆的最坏情况来计算拉杆。在定位时考虑两个安全和经济性原则：选择符合安全计算标准的最大项目模板或步幅模块。已将此模块的使用优先级设置为优先级，其余部分将与其他模块一起使用。从本部分中获取的定位方法，根据以上所述的布局原则，将元素模块的特征压缩到较小范围内的一个或更小范围内。但是，由于工作量大并且容易出错，因此优先考虑计算机的计算能力，以实现“定位程序”15。4.1.2 盘扣式脚手架安全算法的不足的

29、解决措施在模板脚手架设计过程中，合理使用已有的BIM模型（如果未建立BIM模型， 亦可通过一般的算量模型导入，从而减少重复建模的工作量），采用BIM模板脚手架设计软件可快速选出高支模及非高支模区域，亦可对模板、钢管等原材料的规格、参数计算选用的规范进行手动或者人为调整，保证所有模板脚手架体系信息与工程实际情况一致，最后计算支撑体系是否满足受力要求通过软件输出的计算结果与手动计算结果相比较，可得出两者结论相同，就说明BIM模板脚手架设计软件的可靠度满足规范规定的要求。4.2 运用BIM技术解决模板工程施工中的问题4.2.1 对危险性大的解决措施未施工前，于BIM模型上即对整个建物造型有初步了解，

30、因此施工中的防护措施可于未施工前即做好防护，不需等施工完才做防护，安全性增加；对视觉模型时，对于材料如钢构的结构强度皆预先检讨出来，并予以补强，也可模拟机具施工吊装情形，除增加视觉模型本身安全性，施工时的安全性亦随的增加；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。4.2.2 对材料浪费的解决措施使用BIM在正式施工前对施工做出综合设计和估算成本，做出一个过额流程模拟，分析可能出现的误差和节约方案；模型支撑系统的三维设计可以检查整个模型中

31、的材料使用情况，例如模型面积、管材长度、交易方体积在木材上使用量等。关于材料使用情况的统计信息，可在现场对材料和资源进行统一管理，并全面管理模型；随着建筑工作的完成，木匠必须通过现场统计将重点放在二维图纸样板上，从而减少了不仅是建筑工作的效率，而且也是对模型的浪费。通过创建BIM模型，将模型标注输入到场地、自动化、自动化模型、提高建筑效率和消除浪费。4.2.3 对工期延误的解决措施在施工阶段，承包商使用BIM的主要原因是建筑工作的组织。BIM查看模型具有很大的优点为评估各种建筑备选方案、规划和协同增效提供协助；以3D模型的坐标放样，快速又精准，也提高了验收正确性；业主或上级单位对于施工中的工程

32、进度，变得容易掌握，不同以往传统2D图面，已做到以往设计剖面不足之处以便施工。4.3 用BIM技术对高大模板工程文件管理弊端的解决措施4.3.1 高大模板工程文件集成管理系统设计要求针对高大模板工程文件管理的弊端和工程实际需求，在BIM平台设计的文件管理系统，应当满足以下两个基本的设计要求：（1）集成化的要求。一般的文件管理方法最大的弊端就是集成化程度低，造成了盘散沙的局面。如今建设工程项目对文件集成化管理的要求越来越高，要求将建设项目的方案设计、搭设材料供应、现场施工等各个阶段的管理综合起来，形成一体化的管理过程。（2）全寿命周期的要求。各类大型复杂工程的模板及支撑体系的搭设是随着混凝土结构工程同步进行的，集成化要求的是在横向的管理要求，在时间上就要求对整个项目的所有涉及到模板工程的时间内都有综合的考虑16。4.3.2 BIM平台的高大模板工程文件集成管理系统在BIM平台的高大模板