梁柱节点配筋优化设计BIM技术应用

摘要:BIM技术在工程领域的应用愈发广泛，而梁柱节点的设计对于建筑工程的安全性不言而喻，做好混凝土结构梁柱节点中的配筋优化设计是重中之重。以西安火车站改扩建项目中梁柱节点为例，建立梁柱节点的BIM钢筋模型，对BIM技术在梁柱节点配筋优化设计中的应用进行研究，并分析了BIM技术的优势，阐述了BIM技术对工程施工方面的技术指导。

关键词:梁柱节点，BIM，配筋，优化设计

引言

信息化与建筑行业的融合发展已成为建筑业发展的方向，将对建筑业的发展带来战略性和全局性的影响。建筑信息模型(以下简称BIM)技术具有可视性，协调性，模拟性，优化性，其在工程项目中的应用也较为广泛，技术及功能也趋于成熟。对于结构设计，BIM技术的应用主要体现在钢筋的优化设计。关于结构抗震设计中的一个重要思想是“强柱弱梁，强节点弱构件”，所以梁柱节点的设计对建筑工程的安全性不言而喻，做好梁柱节点的配筋设计更是重中之重。本文通过对西安火车站改扩建项目某梁柱节点的配筋优化设计，介绍了基于BIM技术的三维设计相对于原二维设计的优点，探讨这一技术在实际工程项目中的作用。

1工程概况

西安站改扩建工程(新建西安站市政地下通廊、地下进出站厅工程)主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，部分进出站楼扶梯采用钢结构。主体地下1层，局部设置地下进站夹层、站台夹层。结构抗震设防烈度8级，抗震设防类别为重点设防类(乙类)。文章以地下进出站厅部分某梁柱节点进行优化设计，节点框架柱截面尺寸为1．9m×1．9m，高度9．2m，主框架梁尺寸为1．4m×1．9m，另一方向框架梁尺寸为0．35m×0．6m。其具体配筋情况详见图1。该节点有钢筋密集，施工操作空间小等特点，这也是所有梁柱节点的共性。现场施工时可能会面临绑扎钢筋数量与设计不符或者钢筋间距难以满足规范要求等问题，给结构安全留有隐患，所以对其进行优化设计，以便指导施工。

2BIM配筋模型的建立

本文采用AutodeskRevit软件对梁柱节点进行BIM配筋模型的建立，该软件自带结构钢筋模块，其钢筋模块须以混凝土构件为基础，所以梁柱节点钢筋系统的建立，必须基于混凝土构件。具体步骤如下:1)混凝土梁柱构件建立。由结构图纸中具体梁柱截面尺寸，通过Revit软件结构模块中“编辑类型”命令，建立柱类型，类型属性见图2。在柱类型中可设置信息属性，在图2中标识数据下方各栏中输入柱属性，如结构设计中柱的内力情况、材料型号，如施工中柱的浇筑时间、施工人员、管理人员等，通过对信息的存储实现建筑信息化。梁类型的建立同柱。2)选择合适视图。Revit软件中，支持多种视角、视图模式，包括三维模式，其在空间上自由度很高。在设计过程中，可根据情况来确定视图，以达到准确、快速建模的目的。因钢筋模块是基于混凝土构件，所以在配筋设计时，对梁柱构件选择合适的位置增加剖面，采用剖面视图进行配筋设计。3)确定混凝土保护层厚度。根据结构施工图纸及相关规范，确定相应保护层厚度。Revit软件中保护层设置应先选择主体单元，然后进行保护层的设定。4)选择钢筋参数设置及绘制。对于常规钢筋形状，Re-vit软件中自带钢筋族，且属于参数化族，是一种智能的设计方式，具体钢筋形状在钢筋浏览器中查看。通过自动识别混凝土保护层厚度，自动放置于混凝土主体内。钢筋放置之前应按照设计要求设定参数，如钢筋材质、直径、弯曲半径、弯钩长度及角度等。对于非常规钢筋(如柱外侧箍筋，柱截面四角为弧形，则箍筋形状在钢筋浏览器中不存在)，可采用“绘制钢筋”的命令，先选定合适的视图，按照图纸及规范要求进行手动绘制。钢筋绘制时，应注意工作平面的选取，即钢筋的放置方向。软件中提供了平行于工作平面、平行于保护层、垂直于保护层三种方位来选择。钢筋方向确定之后，对于同一种形状、尺寸的钢筋，可采用“钢筋集”命令进行编辑。“钢筋集”可让同一形状、尺寸钢筋沿钢筋放置方向按一定间距均匀布置。此方法提供多种布局方式，且可快速绘制钢筋，也为钢筋明细表统计提供便利。

3配筋优化设计

3．1保护层厚度的确定

混凝土保护层厚度确定时应注意保证构件中受力钢筋的保护层厚度大于受力钢筋的公称直径。本节点中，结构总说明中对梁、柱混凝土保护层厚度的规定为28mm，KZ9及KL4中受力钢筋直径为32mm，KL24中受力钢筋最大直径为25mm，由此可确定KZ9及KL4混凝土保护层厚度为32mm，KL24混凝土保护层厚度为28mm。

3．2梁钢筋的优化

结构图纸中本节点，KL4中底部纵筋为4832，分三排布置，每排16根。由《混凝土结构设计规范》9．2．1-3条中规定:当下部钢筋多于2层时，2层以上钢筋水平方向的中距应比下面2层的中距增大1倍。由此，将底部纵向钢筋优化布置为按四排布置，底部两排分布16根，上部两排分布8根。优化后梁钢筋情况见图3，优化后节点处钢筋布置图见图4。

3．3柱钢筋的优化

柱钢筋优化应注意以下几点原则:第一，对纵筋应保证净距不小于50mm;第二，对箍筋应尽量采用大箍套小箍的型式，保证箍筋肢距均匀;第三，外大箍开口方向，上下箍筋应交错布置。优化后柱钢筋情况见图5。

3．4节点核心区钢筋优化布置

在优化过程中，发现KL4的混凝土保护层厚度为32mm，KL24的混凝土保护层厚度为28mm，考虑到KL4在受力上较KL24重要，将KL24的纵筋下移，使其顶部纵筋位于KL4第一排纵筋之下，详见图6。对于节点核心区，钢筋分布密集，所以钢筋排布情况应重点优化，要做到如下几点:1)纵筋间距及箍筋肢距尽量保持均匀;2)保证梁钢筋在节点中的锚固长度;3)梁纵筋最外排竖向弯折段与柱外侧纵向钢筋净距宜为25mm;4)对于顶层端节点，钢筋弯弧外的混凝土中应配置防裂、防剥落的构造钢筋。具体做法:在柱宽范围的柱箍筋内侧设置间距不大于150mm且不少于3根直径不小于10mm的角部附加钢筋，且角部附加钢筋应与柱箍筋及柱纵筋可靠绑扎。优化后梁柱节点钢筋三维情况见图7。

4BIM技术在配筋优化设计中的优势

4．1混凝土保护层厚度

二维结构设计图纸中，用以表示配筋的各剖面中钢筋均是以点或线的形式表达，且未按比例进行绘制，图纸中保护层厚度仅供参考。施工时应结合规范要求及图纸说明来确定保护层厚度。在BIM配筋模型中，钢筋绘制前，要对保护层进行设定，对于钢筋位置，Revit软件会自动调整，保证其紧贴保护层允许范围。所以由Revit绘制的三维模型中可确保保护层厚度，可直接用于施工。

4．2钢筋布置的优化

二维结构设计图纸中，多数采用平法标注，需配合图集16G101-1—3混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图进行施工，钢筋的排布、锚固等均不能直观的表达。对于一些复杂节点，存在表达不清，位置关系错误等情况。而在BIM配筋模型中，依据GB50010—2010混凝土结构设计规范及18G901—1钢筋排布规则对钢筋进行优化设计，优化后钢筋按照正确的比例，实际的长度及直径，直观的表达在三维模型里面。对经过优化设计后的三维模型，直接用于施工，将施工阶段问题解决于设计阶段。

4．3各视角、视图图纸输出

在二维设计图纸中，由于平面制图方式的限制，钢筋表达均采用标准断面，但在一些复杂节点中或一些复杂的结构情况下，单剖面会导致设计表达不清，同时会在施工中造成一些错误。BIM配筋设计中，各视图或剖面是联动关系，对配筋进行修改后，将反映到所有视图剖面中。对各构件配筋均可多视角、视图出图，从而清晰表达钢筋情况，且设计人员工作量不增加。

4．4输出钢筋明细表

在二维施工图纸绘制过程中，钢筋明细表中钢筋长度及数量是靠人工手算完成。过程较为繁琐且技术含量不高，此过程较为耗时耗力，也难免出现错误，施工前还需复核确定。Revit软件中“明细表”功能，可自动生成钢筋明细表，其表中信息可根据设计者想表达内容，及设计过程中所输入的钢筋“类型属性”进行输出。此功能不仅可以保证钢筋数量长度的准确性，节省大量的绘表时间。如果后期设计方案调整导致钢筋发生变化，可减少因钢筋统计产生的工作量，从而大幅提高设计人员工作效率。

5结语

建筑工程领域，BIM技术已有一些应用，对配筋优化设计方面，BIM技术应用有强大的潜力。本文中运用BIM技术对梁柱节点的配筋进行优化设计，从而达到指导施工的目的。BIM技术具有强大的功能，其优势也很明显，对于工程的优化设计及指导施工具有重大意义，特别是对配筋设计中，可以直观的反映钢筋的直径、形状、位置等信息，多视角多维度对钢筋情况进行展示，对钢筋情况表达十分清晰;另外通过BIM技术还可对每根钢筋进行信息管理，对每根钢筋的型号、直径，长度等信息进行统计分析，输出于明细表中。对比二维钢筋图纸，有较大优势。BIM技术在钢筋设计的应用也存在一定的局限性。因其对计算机硬件要求较高和软件性能等方面的问题，在BIM三维模型中，无法大量绘制钢筋，在整个项目中，将全部钢筋进行表达是无法达到的。所以，可仅对工程中关键节点和重要构件，进行BIM模型的配筋优化设计，对于常规构件的设计，尚不需进行配筋的优化设计，且施工单位对常规构件的施工技术较为成熟。在将来，BIM技术会更加成熟，应会得到进一步的推广，更好的为建筑工程项目服务。

参考文献:

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作者：韦华威 杨东 雷范博 单位：中铁一局集团建筑安装工程有限公司