基于BIM技術(shù)的地鐵站綜合管線分段整體吊裝技術(shù)應(yīng)用研究

王成君， 尹紫紅， 李鵬堯， 高 雪

(1. 中鐵十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司成都地鐵5號(hào)線一、二期機(jī)電安裝及裝飾工程2標(biāo)段, 天津 300308； 2. 西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

[定稿日期]2017-10-17

機(jī)電安裝工程施工工作時(shí)間主要集中在主體建筑施工完成和建筑裝修前，其施工工期短、施工質(zhì)量得不到保證[1]。因此完善機(jī)電安裝工程管理系統(tǒng)，制定創(chuàng)新的綜合管線安裝方案迫在眉睫。目前，地鐵管道安裝采用的是法蘭和預(yù)鉆孔的連接方式，安裝過程均在空中進(jìn)行，即將一段長度為0.6 m的管道起吊至目標(biāo)位置，施工員在空中進(jìn)行管道的固定連接，操作不便且施工效率低。

本文針對(duì)復(fù)雜的地鐵車站機(jī)電安裝工程綜合管線問題，選取成都地鐵5號(hào)線杜家碾車站作為研究對(duì)象(圖1)。通過機(jī)電綜合管線模型的建立和碰撞檢查，優(yōu)化綜合管線設(shè)計(jì)，進(jìn)而為支吊架設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)資料[2]。結(jié)合BIM技術(shù)，提出一套可調(diào)節(jié)的液壓升降機(jī)綜合管線分段整體吊裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在有限的施工空間內(nèi)綜合管線的分段整體吊裝。

圖1 杜家碾車站位置

1 綜合管線分段整體吊裝方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的綜合管線安裝通過切割下料、錨栓固定、支架底座安裝、高度調(diào)整及管束安裝，實(shí)現(xiàn)了管線的科學(xué)、系統(tǒng)的布置，克服了各專業(yè)在施工中需大量協(xié)調(diào)工作問題，但是施工工效低，施工質(zhì)量無法保證[3]。

為解決地鐵管道安裝效率低下的問題[4]，本研究結(jié)合成都地鐵5號(hào)線機(jī)電安裝工程實(shí)際施工，結(jié)合BIM技術(shù)提出了一種新的吊裝設(shè)備系統(tǒng)和具體的施工實(shí)施方案，解決在施工空間不足時(shí)，綜合管線的分段整體吊裝問題。該方法以20 m長度的管線為單元，考慮到管線剛度較差，設(shè)計(jì)了三層結(jié)構(gòu)的支撐平臺(tái)起升綜合管道。其大大降低了在空中吊裝作業(yè)的時(shí)間，提高工效，保證施工質(zhì)量。

2 應(yīng)用案例

2.1 工程概況

成都地鐵5號(hào)線杜家碾車站主體建筑面積7 658.8 m2，地下1層為站廳層，其中公共區(qū)建筑面積為2 450 m2，大里程端設(shè)備管理用房面積859.2 m2，小里程端設(shè)備管理用房面積為285.4 m2；地下2層為站臺(tái)層，其中公共區(qū)建筑面積為1 578 m2，大里程端設(shè)備管理用房面積613.2 m2，小里程端設(shè)備管理用房面積為1 378 m2。車站小里程端通風(fēng)空調(diào)機(jī)房面積164 m2，大里程端通風(fēng)空調(diào)機(jī)房331 m2。

本站設(shè)置兩組風(fēng)亭，分設(shè)于車站兩端。其中小里程端風(fēng)亭組分別為新風(fēng)亭、排風(fēng)亭、活塞風(fēng)亭，大里程端風(fēng)亭組分別為新風(fēng)亭、排風(fēng)亭、活塞風(fēng)亭。室外設(shè)置一組冷卻塔、一組多聯(lián)機(jī)室外機(jī)。其中冷卻塔位于大里程活塞風(fēng)亭附件，安裝方式為地面式，冷水機(jī)房設(shè)置在大里程端，面積為100 m2，多聯(lián)機(jī)室外機(jī)位于大里程端活塞風(fēng)亭附近。車站A、D號(hào)出入口長度超過60 m，設(shè)施通風(fēng)空調(diào)與排煙系統(tǒng)，排煙機(jī)房與A號(hào)出入口合建，出入口有蓋且無縫隙。大里程端疏散樓梯間提升高度大于10 m，設(shè)置加壓送風(fēng)系統(tǒng)，加壓風(fēng)井與樓梯間合建于1號(hào)風(fēng)亭附近。

2.2 綜合管線吊裝設(shè)備參數(shù)化設(shè)計(jì)

前期通過BIM技術(shù)，完成了綜合管線的精確建模[5]，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合管線吊裝設(shè)備參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2.2.1 管道質(zhì)量計(jì)算

吊裝試驗(yàn)管道由厚度為1.2 mm的鋼板焊接而成，其截面為矩形，管道截面大小不一，長度范圍為630 mm≤a≤2 200 mm，寬度范圍為320 mm≤b≤1 250 mm，現(xiàn)就截面的最大尺寸計(jì)算管道質(zhì)量(圖2)。

圖2 管道截面(單位: mm)

單根管道長度為0.6 m，若干根管道通過端面法蘭連接在一起，總長度為20 m。鋼的密度為7.85 g/cm3，所以長度為20 m的管道質(zhì)量為：

m1=ρV=7.85×[125×0.12×2+((220-0.24)×

0.12×2]×2000=1299 kg

(1)

2.2.2 支撐平臺(tái)尺寸確定及其質(zhì)量計(jì)算

2.2.2.1 支撐平臺(tái)尺寸確定

第三層支撐平臺(tái)用來支撐管道，其寬度必須滿足最大截面尺寸管道的起升，故第三層支撐平臺(tái)的寬度要大于2 200 m，現(xiàn)取第三層支撐平臺(tái)的寬度為2 500 mm，又為保證長度為20 m管道兩端法蘭與其他管道法蘭連接的方便，因此管道的長度要比第三層支撐平臺(tái)要稍長一點(diǎn)，故取第三層支撐平臺(tái)的長度為19 m。

第二層支撐平臺(tái)只是用來實(shí)現(xiàn)管道Y方向的移動(dòng)，因此其尺寸可以稍微小一些，為1.5 m×10 m(寬×長)。

第一層支撐平臺(tái)四個(gè)角點(diǎn)處設(shè)有吊耳，用來實(shí)現(xiàn)支撐平臺(tái)的起吊，因此第一層支撐平臺(tái)的尺寸要比第三層大，為3 m×20 m(寬×長)。中間鋁板的尺寸為2.5 m×0.4 m×0.06 m(長×寬×高)。

2.2.2.2 支撐平臺(tái)質(zhì)量確定

角鋁的截面形狀如圖3所示。

圖3 角鋁截面形狀

根據(jù)角鋁規(guī)格選取一組參數(shù)：H=60 mm，B=60 mm，b=6 mm。查角鋁理論重量表知：該規(guī)格的角鋁理論重量為1.906 kg/m。

鋁的密度為2.7×103kg/m3，故第一層支撐平臺(tái)的重量為：

(20×2+3×2)×1.906+2.7×103×2.5×0.4×0.06×3=574 kg

(2)

第二層支撐平臺(tái)的重量為：

3×4×1.906+2.7×103×0.2×0.4×0.06×6=101 kg

(3)

第三層支撐平臺(tái)的重量為：

(2.5×4+19×2)×1.906=92 kg

(4)

因此支撐平臺(tái)的總重量為：

m2=574+101+92=767 kg

(5)

2.2.3 電液系統(tǒng)參數(shù)確定

支撐平臺(tái)和管道的總質(zhì)量：

m=m1+m2=1299+574+101+92=2066 kg

(6)

因此總的阻力為：

F=mg=2066×9.8=20246.8 N

(7)

為保證起升過程的安全，起升速度不宜過快[6]，設(shè)支撐平臺(tái)的起升速度為v=0.3m/s；因此總的負(fù)載功率為：

P=Fv=20246.8×0.3≈6.1 kW

(8)

所以每臺(tái)電機(jī)需克服的負(fù)載功率為：

(9)

據(jù)此，同時(shí)考慮到啟動(dòng)時(shí)需要消耗較大的電機(jī)功率，額定功率取得稍大，所以選取電機(jī)的額定功率為3kW。

取定滑輪直徑d=0.1m，總的負(fù)載扭矩為：

(10)

設(shè)減速器減速比為5，因此每臺(tái)液壓馬達(dá)需克服的負(fù)載扭矩為[7]：

(11)

q=nV=(288×32÷1000) L/min

(12)

選取液壓泵的排量V2=16mL/r。

因此計(jì)算出液壓泵的轉(zhuǎn)速為：

(13)

即穩(wěn)定工作時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n1=576r/min。

綜上所述，選取型號(hào)為Y132S-6的三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速960r/min，額定功率為3kW，穩(wěn)定工作時(shí)轉(zhuǎn)速為576r/min，且最大扭矩為額定扭矩的2.2倍；排量為32mL/r的液壓馬達(dá)，穩(wěn)定工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為288r/min；排量為16mL/r的液壓泵，穩(wěn)定工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為576r/min；穩(wěn)定工作時(shí)系統(tǒng)的壓力為9.9MPa。

2.3 綜合管線分段整體吊裝方案

2.3.1 吊裝方案總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案提出一種新的吊裝設(shè)備系統(tǒng)，該設(shè)備由升降系統(tǒng)、支撐平臺(tái)、支撐架、輔助作業(yè)平臺(tái)、調(diào)整機(jī)構(gòu)五部分組成(圖4)。

圖4 吊裝設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

綜合考慮到管道剛性差，直接起吊管道易發(fā)生變形。本方案采用支撐平臺(tái)來支撐管道，地面上的施工人員在支撐平臺(tái)上進(jìn)行管道端面的法蘭連接，連接成長度為20m的管道后通過起升支撐平臺(tái)來起升管道，這樣大大降低了在空中作業(yè)的時(shí)間[8]。

支撐架起固定支撐作用，但考慮到如果支撐架的剛性太差，在起升過程中可能因?yàn)橥廨d荷的作用而使支撐架發(fā)生傾斜，進(jìn)而使管道因?yàn)閮A斜而滑落。因此在支撐架的上下端安裝液壓支腿，起升作業(yè)時(shí)，液壓支腿分別頂在隧道天花板和地面上。這樣一來支撐架的剛度便有了保障。另外支撐架上還裝有用于起升的定滑輪。

液壓支腿采用電液系統(tǒng)來控制其伸縮，因此需要配備一個(gè)液壓泵站，液壓泵站與電機(jī)均安裝在支撐架上(圖5)。液壓支腿實(shí)物如圖6所示。

圖5 電液系統(tǒng)

圖6 液壓支腿

鑒于此，采用電液系統(tǒng)控制支撐平臺(tái)的升降，電液系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)鎖緊力方便調(diào)節(jié)、承受負(fù)載變化沖擊；(2)易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；(3)能夠回收支撐平臺(tái)下降能量；(4)電機(jī)功率小、系統(tǒng)功率密度大等。液壓馬達(dá)帶動(dòng)鋼絲繩經(jīng)定滑輪來提升支撐平臺(tái)，支撐平臺(tái)的四個(gè)角點(diǎn)均有一套液壓馬達(dá)-定滑輪系統(tǒng)，且液壓馬達(dá)固定安裝在支撐架上。起升過程需要注意液壓馬達(dá)的同步性，防止支撐平臺(tái)與管道發(fā)生傾斜而導(dǎo)致管道滑落。

輔助作業(yè)平臺(tái)為便攜式、可移動(dòng)的，且具有升降功能，當(dāng)管道提升到目標(biāo)位置時(shí)，調(diào)整輔助作業(yè)平臺(tái)的高度，施工人員站在輔助作業(yè)平臺(tái)上進(jìn)行管道的固定安裝[9]。調(diào)整機(jī)構(gòu)主要用于支撐平臺(tái)與管道在平面上實(shí)現(xiàn)2自由度移動(dòng)，便于螺栓以及管道兩端法蘭連接的準(zhǔn)確性。

2.3.2 支撐架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了便于支撐架的運(yùn)輸，現(xiàn)將支撐架設(shè)計(jì)成兩段式的，且兩段支撐架之間采用機(jī)械的連接方式，便于拆卸與組裝，連接方式如圖7所示。另外支撐架的底端裝有輪子，便于支撐架的移動(dòng)。

圖7 支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.3 支撐平臺(tái)與調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減少起升的重量，降低起升電機(jī)的功率，現(xiàn)選擇支撐平臺(tái)的材料為鋁，并且將支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)成框架的結(jié)構(gòu)，即采用角鋁通過焊接的方式拼接在一起。調(diào)整機(jī)構(gòu)用于支撐平臺(tái)與管道在平面上實(shí)現(xiàn)2個(gè)自由度移動(dòng)，以便螺栓以及管道兩端法蘭連接的準(zhǔn)確性。因此考慮將支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)成三層，第一層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 第一層支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)

在原有的框架式支撐平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加Y方向滾輪，以實(shí)現(xiàn)管道在Y方向的移動(dòng)。另外為實(shí)現(xiàn)管道在X方向的移動(dòng)，考慮在圖8所示結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增加一層結(jié)構(gòu)。第二層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 第二層支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)

第三層支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)成普通的框架式結(jié)構(gòu)，主要用來放置管道，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 第三層支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)

上述三層支撐平臺(tái)一次堆疊，第二層放置在第一層上，第三層放置在第二層上。為了防止支撐平臺(tái)滑動(dòng)，因此在第一層和第二層支撐平臺(tái)上均設(shè)有限位裝置(可折疊式的擋板)，用來限制平臺(tái)的滑動(dòng)。

3 結(jié)束語

前期完成了成都地鐵5號(hào)線杜家碾車站機(jī)電安裝工程各專業(yè)綜合管線BIM模型建立，經(jīng)過BIM技術(shù)優(yōu)化后，得到了精確的綜合管線排布方案。在此基礎(chǔ)上，以20m綜合管段為單元，組合升降系統(tǒng)、支撐平臺(tái)、支撐架、輔助作業(yè)平臺(tái)、調(diào)整機(jī)構(gòu)等機(jī)械，研發(fā)出一種新的吊裝設(shè)備系統(tǒng)，進(jìn)行了綜合管線分段整體吊裝。保證了機(jī)電工程的施工質(zhì)量，提高安裝工程整體工效，最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的綜合效益。

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