基于BIM技術的附著式腳手架深化探索

黃招華

(福建六建集團有限公司 福建福州 350014)

0 引言

附著式升降腳手架，指附著于工程結構上并搭設一定高度，依靠本身的升降裝置與設備，可隨工程結構逐層爬升或下降，具有防墜落、抗傾覆裝置的外腳手架。附著升降腳手架主要由集成化的附著升降腳手架架體結構、附著支座、防墜落裝置、防傾裝置、升降裝置及控制系統等構成。爬架作為項目管控的重點，有關學者通過不同的項目、不同的爬架體系，從不同的角度對爬架體系與施工要點進行了積極的研究。石雪潔[1]詳細闡述了項目附著式升降腳手架體系設計方案、得出優化后附著式升降腳手架的設計方案。杜洪利等[2]介紹了一種整體集成外爬架支座成套裝置,并對該裝置的構造、材料選擇、受力驗算、安裝拆除周轉利用進行闡述。方興等[3]通過引入BIM技術,從工程量統計、施工平面布置、可視化交底及安全管理4個方面討論如何實現對附著升降腳手架的信息化以及規范化管理。常自昌等[4]通過鋁模和爬架BIM模型的優化設計、碰撞檢查和虛擬施工，對爬架導軌的位置、模塊化架體布置和走道板標高，進行了優化布置。綜上，在針對爬架體系的優化上，各學者都提出了自己的方法。本文從爬架體系定型→施工前期排版設計→施工階段全過程應用BIM技術輔助設計，從爬架的構件單元、細部節點出發，結合實際施工中遇到的問題，提出自己的解決措施。

利用BIM技術三維可視化、模擬性、優化性等特點，按附著式腳手架的組成進行構件建模并拼裝成整體爬架模型，以此為基礎對爬架的構件進行優化與節點深化，通過相關的BIM軟件結合施工中的工序、工法等技術要求，對爬架中的難點及重點進行提前的施工預演，減少施工中的問題。

1 工程概況

附著式升降腳手架作為近十幾年快速發展起來的新型腳手架技術，具有經濟性、安全性、智能化、機械化、美觀性良好的特點。為適應行業的發展需求，福建六建集團聯合福晟六建實業集團，通過開發、應用相結合，形成了具有自主知識產權的附著式升降腳手架技術?，F我司旗下福晟印江南、福州華潤萬象城三期、融信長島花園C地塊等多個項目均采用該爬架體系，具有豐富的使用經驗。該腳手架主要由一體式導軌(8#槽鋼導軌與100 mm×50 mm×3 mm矩形管組合)、立桿(100 mm×50 mm矩形管)、水平桿(60 mm×40 mm矩形管)、斜拉桿(由鋼管與螺絲組成，長度可調)、內支架(由100 mm×50 mm×3 mm矩形管拼接組成)、附墻支座、倒掛葫蘆、安全網(單塊尺寸995 mm×1920 mm)、走道板、鋼爬梯等組成(圖1)，架體各構件通過專用連接件與通用螺絲進行連接。架體的高度≤5層層高，且≤20 m(圖2)，架體寬度≤1.2 m，支承跨度≤7 m，架體步高2.0 m～4.5 m，每次升降層數1層，提升速度120 mm/min，爬架升降時間為1.5～2 h/棟×層。

圖1 爬架組成效果圖圖2 剖面圖

2 附著式腳手架在使用中存在的問題

在多個項目的實際應用中，目前爬架現場安裝還存在一些問題。

(1)對于外立面造型較為復雜的住宅，爬架排版時構件的規格會較多，施工難度大。此外陽臺、飄窗、空調板處，屬于受力薄弱位置，一般無法滿足機位安裝，機位布置又不能違反相應安全規章要求，具有一定的結構安全隱患。

(2)由于前期的爬架設計時，整體排布不當，優化設計不當，未考慮建筑的外立面造型寬度，設計圖紙與現場實際安裝存在偏差，導致局部線條需要二次澆筑。

(3)設計時陽角部位剛度不足，塔吊附墻處爬升時需拆除該處桿件，在爬升的過程中各機位上升速度不一致，導致爬架局部變形，如圖3所示。

圖3 轉角處變形 圖4 飄窗處墊塊過長

(4)爬架對附墻件的預埋精度要求比較高，最大可調范圍為20 mm?，F場預埋件采用PVC管暗埋，易偏位，導致個別導軌爬升時出現變形。

(5)墊塊附墻件及型鋼懸挑附墻件受力效果差，穩定性存疑，如圖4所示。

(6)現場臨邊防護不及時，葫蘆鋼絲繩洞口過大，爬架離墻間距超過規范要求，具有較大的安全隱患。

3 基于BIM的附著式腳手架深化設計

3.1 基于BIM的爬架深化流程

(1)前期準備：熟悉爬架專項施工方案及項目圖紙，分析爬架的注意事項與操作要求。

(2)項目土建BIM模型建立：建立項目的土建模型，特別注意外立面的線條與不規則區域。

(3)族建立與拼接：建立構件族庫(圖5)，按照爬架操作規程與專項施工方案對每一個族進行拼接。

圖5 爬架的BIM構件族

(4)爬架施工可行性分析：結合專項方案與現場環境條件，對爬架構件的拼接進行模擬，分析施工中可能出現的問題。

(5)模型調整與出圖：根據審查結果調整構件尺寸與排布，對復雜的細部節點進行深化與出圖，導出導軌布置圖、主次梁布置圖、節點詳圖等。

(6)檢查與驗收：施工中結合BIM模型(圖6)，對每一區域的爬架進行檢查與核對，保證爬架施工安全。

圖6 整體爬架的BIM模型展示

3.2 附著式腳手架的安裝要點

(1)安裝平臺的搭設

(2)附墻裝置的安裝

附墻支座預留孔位置模板拆除后，應及時將附墻支座安裝固定到位。附墻支座完成后，依次安裝滾輪支座、滾輪、卸荷體及彈簧。待主框架安裝完成后，將卸荷體上部卡孔支撐在導軌圓管上。架體在每層必須設置附墻支座，固定狀態不少于3道附墻，升降過程中，應當保證至少兩道附墻支座附著到位。

(3)附著升降腳手架架體結構安裝

主框架在地面上拼裝完成后，整體吊裝穿過附墻支座?？蚣艽怪倍绕畈怀^5‰，相鄰主框架高差不大于20 mm，上下節采用螺絲連接?？v向水平桿緊隨主框架安裝，通過螺栓與主框架連接在一起，形成空間結構。而后在主框架間安裝次立桿，通過螺栓與水平桿側面連接鎖緊。次立桿間距不超過2.5 m。首節架體主框架、次立桿、水平桿搭設完畢，應在首步架主次立桿之間沿縱向加設斜拉桿，使首步架體形成桁架受力體系，提高整個架體的穩定性。最后安裝可調橫向水平桿，水平桿根據離墻間距調整懸挑長度，通過連接板與縱向水平桿螺栓連接，如圖7所示。

圖7 爬架局部BIM模型

(4)密布網與腳手板安裝

密目網封閉安裝，按照從兩端向中間順序布設，將非標準尺寸預留在架體中部進行搭接封閉，底部腳手板采用整塊花紋板及翻板組合進行封閉處理，在立桿位置采用小板封閉，保證底部封閉嚴實。通過自攻螺釘將花紋鋼板固定在縱向水平桿上。

(5)升降裝置安裝

整部架體安裝到位后，在頂部附墻支座位置主框架內排立桿位置安裝上吊掛點。在首節主框架內排立桿底部位置安裝下吊掛點。上下掛點間距8.6 m，在中間附墻支座位置安裝龍腰，為架體升降過程中主要受力點。提升系統組成如圖8所示。

圖8 提升系統主要構件大樣圖

3.3 基于BIM的前期排版設計

先使用Revit軟件建立樓棟的結構模型，特別注意外立面的線條、飄窗、陽臺、空調板的準確性。

建立附著式爬架模型時，先創建主框架、立桿、水平桿、附墻支座、提升支座、連接件、倒掛葫蘆、安全網、走道板、鋼爬梯、卸料平臺等構件參數化族，形成企業的爬架族庫便于不同項目調用。爬架預拼裝時，按照主框架→附墻件→次立桿(內支架連接)→水平桿→斜拉桿→安全網→走道板→提升支座→電葫蘆(專用構件連接)→鋼爬梯順序進行。

排布時需滿足機位最大間距、線條造型可施工性(圖9)、離墻間距、安全防護等要求，通過Revit+fuzor進行碰撞檢查與三維可視化瀏覽，逐塊檢查，逐一調整；通過構件的參數化的特點，可快速調整構件尺寸、導軌之間的間距，選擇最優的排布方案。

圖9 線條避讓處理

通過BIM軟件，可以輸出爬架的平面布置圖(圖10)、立面圖、三維剖面圖，復雜部位的節點詳圖等，用于項目的施工與技術交底。此外，還可以導出爬架各構件的明細表，確定爬架材料的使用量。

圖10 爬架布置圖

3.4 附墻支座的預埋精度控制

預埋位置的準確度是保證爬架軌道爬升的關鍵。預埋孔從標準層開始預埋，按爬架平面預埋位置及立面預埋標高進行逐個預埋放線；根據預埋孔的定位在邊梁內外模板上鉆孔(圖11)，將4根D40的PVC管插入到孔中(兩根用于附墻支座安裝，兩根用于提升吊點安裝)，精度要求±5 mm，利用直尺、卷尺及鉛吊錘吊線進行預埋精確度檢測。嚴禁從模板邊直接測量或者以導軌及其上立桿作為預埋定位的依據。

圖11 附墻預埋控制

3.5 附著式腳手架細部處理優化

基于以往項目實施中存在的問題，為進一步完善爬架的體系，對局部節點進行優化。針對陰陽角連接不可靠、剛度不足的問題，設計專用的連接件(60×40×3-250方鋼)輔以角部折彎件，用于縱橫向水平桿的連接(圖12)，在成本未增加的基礎上提高了連接的可靠性。在塔吊附墻處設計翻板，爬升時翻板打開，改善了之前每次爬升都需要拆除水平桿的問題，提高爬升時的安全性。

(a)轉角優化后BIM效果圖

3.6 減少非標構件尺寸的措施

(1)密布網

當爬架應用于商品住宅時，由于住宅造型多樣，在建筑拐角處密布網往往存在較多尺寸。為提高安裝的效率，以及材料的管理，統一使995 mm×1990 mm×20 mm尺寸的密布網。通過在水平桿上間隔打孔，密布網使用專用連接件與水平桿靈活連接，在邊角安裝時采用雙層疊加的方式處理，避免不規則尺寸,如圖13所示。

(a)邊角安裝處理方式

(2)腳手板

現市場上常見的腳手板為鋼板與水平桿組成的整體式的腳手板，長度規格尺寸較多。為減少非標構件，水平橫桿與腳手板分開安裝。水平橫桿采用1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m六種規格，兩根縱向水平桿之間通過0.5 m、1 m的水平桿套管連接。采用可調水平挑桿來解決施工中立桿離墻間距過大的問題，挑桿與水平橫桿通過螺栓連接(圖14)。腳手板采用鋼板(3 mm厚)鋪設，與縱向水平桿用自攻釘連接，在轉角處尺寸非標時可以采用疊加的方式(鋼板較薄疊加后不會有高低差)，且鋼板易于開口，有助于封閉一些較小的洞口。底部腳手板采用翻板設計可對多變的建筑外立面進行全封閉(圖15)，防止物體墜落，保障人員安全。

圖14 挑桿與主梁連接

圖15 底部腳手板全封閉效果

4 效益分析

本公司福州華潤萬象城三期、長樂融信長島花園C地塊、福晟印江南、廈門翔安華潤前海灣項目，均使用該體系的爬架。前兩個項目使用BIM技術進行爬架的深化，后兩個項目采用傳統二維深化模式，通過橫向對比，得出使用BIM技術對附著式升降腳手架進行深化，有以下優點。

(1)在爬架排版設計時，利用BIM技術將方案模型化，將土建模型與爬架模型進行結合，驗證爬架機位、主次龍骨排布的位置、間距的合理性，選出最優的排布方案。在爬架施工前發現36處碰撞點，減少返工量，節約人工、材料、機械費費用3.5%，節省工期4.5%。

(2)對于復雜細部節點，可通過BIM技術進行優化與出圖，提高了現場施工效率與質量。通過變更修正，可節約費用1.73%。

(3)對爬架的安裝、爬升和拆卸過程進行BIM演示，發現15處安裝工序不合理之處，并對其進行調整，避免后期返工，統計節約工期2.9%。

(4)通過BIM軟件導出爬架各構件的明細表，確定爬架材料的使用量，用于材料的進出場管理。經統計，可節約因材料管理不當造成的費用達總費用的0.9%。

(5)借助BIM三維可視化的特點，對工人進行工藝交底，解決傳統書面交底不清晰的問題。合計完成交底12次，避免因交底不清造成返工，節約返工費用1.85%，節約工期2.5%。

5 結論

通過本文分析得出，使用BIM技術對附著式升降腳手架進行深化可從排版設計、細部深化、工序模擬、工程量統計、三維交底等多個方面入手，有效提高爬架的施工質量與安裝效率，保障爬架的施工安全。通過效益分析得出，使用BIM技術深化可解決爬架80%圖紙設計的問題，提高安裝效率約10%，節約材料成本約8%。