BIM技術(shù)在上海中芯大型電子廠房鋼桁架滾裝施工中的應(yīng)用

(上海寶冶集團(tuán)有限公司工業(yè)工程公司，上海 201900)

引言

在國家大力發(fā)展“中國芯”的背景下，電子芯片行業(yè)發(fā)展迅猛。電子芯片類廠房核心潔凈區(qū)以及無塵室各系統(tǒng)機(jī)電管線布置繁多復(fù)雜，自動(dòng)化程度高，空間管理難度大。核心潔凈區(qū)樓板為華夫板，上部為鋼屋架+組合屋面結(jié)構(gòu),鋼屋架具有跨度大、重量大等特點(diǎn)。傳統(tǒng)鋼桁架屋面主要采用滑移法和吊裝法施工的方法[1]，其中滑移法主要是卸荷難度大、加固措施多，吊裝法安裝吊裝速度慢，汽車吊數(shù)量多，安裝作業(yè)危險(xiǎn)性高。本文以上海中芯電子廠房工程屋面鋼桁架施工實(shí)例為依托，介紹本公司國內(nèi)首創(chuàng)新技術(shù)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

上海中芯項(xiàng)目地處浦東新區(qū)張江高科技園區(qū)，項(xiàng)目主要包括三大單體建筑(SN1、CUB8、PMD8)及配套設(shè)施建筑面積約40萬m2； 項(xiàng)目建成后年產(chǎn)160萬片10～28納米芯片，該項(xiàng)目被列為上海市重點(diǎn)工程。

電子廠房MEP機(jī)電系統(tǒng)分為四大類別，分別為機(jī)械、氣化、水、電力專業(yè)，各個(gè)專業(yè)之間又分為多個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，專業(yè)多、設(shè)備多、管線復(fù)雜[2]。SN1廠房結(jié)構(gòu)型式為混凝土框架結(jié)構(gòu)+鋼屋架，屋架為H型鋼雙弦鋼桁架結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)總量約1.2萬t。屋面鋼桁架最大高度為10.07m，最大單跨42m，單榀桁架最重256.77t。

圖1 中芯國際項(xiàng)目效果圖

圖2 鋼屋架模型圖

1.2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

(1)本項(xiàng)目四周為交通要道，廠區(qū)各單體建筑間布置緊湊，東側(cè)為老廠生產(chǎn)區(qū)，整個(gè)施工場(chǎng)地狹小，平面布置難度大[3]。鋼結(jié)構(gòu)安裝方法受限，再結(jié)合電子廠房施工工期緊的特點(diǎn)，對(duì)施工精細(xì)化管控要求高。

(2)廠房內(nèi)專業(yè)管線多達(dá)26個(gè)系統(tǒng)，工藝復(fù)雜，加上二次配專業(yè)以及后期業(yè)主擴(kuò)充預(yù)留空間； 同時(shí)業(yè)主對(duì)工藝需要不斷變化，增加了整個(gè)空間管理優(yōu)化難度[4]。

(3)SN1生產(chǎn)廠房屋面桁架系統(tǒng)，鋼結(jié)構(gòu)跨度大，構(gòu)件節(jié)點(diǎn)復(fù)雜； 傳統(tǒng)散件安裝方式存在效率低下、危險(xiǎn)性高等問題； 吊裝作業(yè)區(qū)場(chǎng)地狹小，空間受限； 工期緊，任務(wù)重； 利用BIM技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化安裝。

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

通過對(duì)電子廠房項(xiàng)目通過BIM模型的建立，在建筑生命周期中做信息化的應(yīng)用，進(jìn)行空間管理、管綜優(yōu)化，從而指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電安裝。以及電子廠房工程屋面鋼桁架施工基于BIM技術(shù)，加上SPMT模塊車運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)，研發(fā)出一種基于SPMT模塊車大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架滾裝新技術(shù)。

2.2 團(tuán)隊(duì)組織

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，組建BIM實(shí)施團(tuán)隊(duì)，設(shè)有項(xiàng)目總指揮、資源組織協(xié)調(diào)BIM設(shè)計(jì)指導(dǎo)、BIM技術(shù)專家、各專業(yè)BIM建模小組及應(yīng)用實(shí)施小組，為項(xiàng)目提供強(qiáng)有力的BIM 技術(shù)服務(wù)支撐。

2.3 BIM軟硬件環(huán)境

為確保項(xiàng)目的正常實(shí)施，公司為BM團(tuán)隊(duì)配備了充足的軟硬件設(shè)施，具體軟硬件配置如圖3-4所示。

圖3 本項(xiàng)目軟件配備情況

圖4 本項(xiàng)目硬件配備情況

3 BIM在工程中的應(yīng)用

3.1 BIM機(jī)電深化設(shè)計(jì)

(1)中芯國際項(xiàng)目屬于上海市重點(diǎn)建設(shè)工程，對(duì)芯片行業(yè)有著重大建設(shè)意義。本項(xiàng)目對(duì)質(zhì)量及整體規(guī)劃布置要求極高。對(duì)于本項(xiàng)目SN1生產(chǎn)廠房機(jī)電系統(tǒng)安裝涉及專業(yè)面廣泛，包括暖通空調(diào)、給排水、裝修、電氣、工藝排氣、工藝管道純水、廢水、大宗氣體、特氣、化學(xué)品、GMS以及GDS等多種專業(yè)。從項(xiàng)目前期規(guī)劃到過程的管理，以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)[5]，建立起B(yǎng)IM三維模型，泵房精細(xì)化建模，管線空間管理、預(yù)留洞口、圖紙問題進(jìn)行管理。如圖5所示為SN1綜合機(jī)電模型。

圖5 SN1生產(chǎn)廠房綜合機(jī)電模型

(2)通過搭建各專業(yè)的BIM模型，在虛擬的三維環(huán)境下方便地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的碰撞沖突，從而大大提高了管線綜合的設(shè)計(jì)能力和工作效率[6]。這不僅能及時(shí)排除項(xiàng)目施工環(huán)節(jié)中可能遇到的碰撞[7]沖突，顯著減少由此產(chǎn)生的變更申請(qǐng)單，更大大提高了施工現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)效率，通過BIM模型檢查原有圖紙的問題，進(jìn)行機(jī)電管線綜合管理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電管線施工進(jìn)行管理和指導(dǎo)，從而甄選出最優(yōu)的管道路徑和設(shè)計(jì)方案，在滿足生產(chǎn)工藝需求的同時(shí)，外觀美觀，也便于維修。

3.2 BIM模塊化鋼桁架滾裝施工

3.2.1 BIM模塊化

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)散件安裝存在施工速度慢、交叉作業(yè)多、安裝費(fèi)用高等缺點(diǎn)，為加快施工進(jìn)度將構(gòu)件提前進(jìn)行分塊、分段預(yù)組裝，即形成模塊化，加快施工進(jìn)度，減少高空吊裝作業(yè)。通過BIM軟件對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行信息錄入，根據(jù)吊車起吊能力，進(jìn)行自動(dòng)分段。根據(jù)華夫板承載能力確認(rèn)滾裝模塊單元大小。

3.2.2 BIM鋼結(jié)構(gòu)深化

利用Revit、Tekla等BIM軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)，主要深化設(shè)計(jì)內(nèi)容柱腳、柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)、梁梁節(jié)點(diǎn)、埋件、連接形式、螺栓排布設(shè)計(jì)及合理的計(jì)算，并運(yùn)用BIM模塊化技術(shù)把每個(gè)單元構(gòu)件串聯(lián)起來，組合成每一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)模塊滾裝單元。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)桁架滾裝單元結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.3 桁架分段

考慮每個(gè)區(qū)域場(chǎng)地空間、起吊能力、滾裝順序、施工效率等因素，確定將每榀桁架分成5個(gè)吊裝分段進(jìn)行起吊。分段點(diǎn)如圖7所示。

圖7 桁架分段示意圖

為保證吊裝穩(wěn)定性及安全性，每段吊裝采用四點(diǎn)吊法進(jìn)行吊裝。桁架各分段吊耳的設(shè)置及吊索的掛設(shè)如圖8所示。

圖8 分段吊耳設(shè)置

考慮扳起過程側(cè)向受力問題，采用結(jié)構(gòu)加固措施，即在吊耳的兩邊對(duì)稱加三角形加勁板。吊耳的結(jié)構(gòu)及設(shè)置如圖9所示。

圖9 吊耳結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.4 重型大截面桁架的整體臥式拼裝

桁架拼裝采用地面臥式拼裝法，選用鋼凳式胎架，結(jié)合桁架散件結(jié)構(gòu)形式靈活布置。此種拼裝法施焊方便、組裝速度快、接口精度容易保證，保證焊縫質(zhì)量。

注：圖中淺色表示桁架、深色圖塊表示組成胎架的各個(gè)鋼凳，包括扳起用鋼凳在內(nèi)。圖10 桁架地面臥拼胎架示意圖

圖11 現(xiàn)場(chǎng)桁架臥式拼裝圖

為了確保組裝過程中桁架的定位精度，需要足夠數(shù)量的鋼凳。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，暫按照鋼凳沿桁架分段長度方向上的間距控制在8m以內(nèi)來設(shè)置，此時(shí)的上下弦桿自重變形遠(yuǎn)小于1mm。滿足施工規(guī)范要求。

3.2.5 重型大截面桁架高空組裝

二臺(tái)500t履帶吊分別從兩個(gè)拼裝場(chǎng)地將臥式拼裝桁架扳起、吊起短駁至廠房南北兩端吊裝位置。由兩端500t履帶將分段吊裝鋼桁架依次吊至華夫板頂臨時(shí)塔架及柱頂。

圖12 桁架分段起、脫胎位置及短駁路線示意圖

為便于拼裝，在大跨度中間位置預(yù)先搭設(shè)兩組臨時(shí)支撐胎架。每榀桁架吊裝由西向東逐段推進(jìn)，首段吊裝到位后，兩端直接坐落于胎架上。后續(xù)分段吊裝到位后，與前段通過卡瑪板及腹板連接螺栓臨時(shí)固定。每段桁架就位后拉設(shè)纜風(fēng)繩固定； 每二榀桁架組裝成一個(gè)單元。同一單元中的兩榀桁架自西向東逐段交替進(jìn)行吊裝。

圖13 臨時(shí)支撐胎架三維效果圖

圖14 桁架高空吊裝

圖15 桁架高空拼裝及纜風(fēng)繩固定

3.2.6 高空滾裝施工

桁架組裝焊接完成，檢驗(yàn)合格后，采用五縱模塊車(SPMT，三主兩從，共44軸)，利用其自身的液壓升降系統(tǒng)，通過臨時(shí)支撐托架將滾裝單元頂起并運(yùn)輸至安裝軸線位置，再利用自身的液壓升降系統(tǒng)將構(gòu)件降落至安裝位置標(biāo)高處從而完成桁架單元的安裝。頂升高度控制在250mm，模塊車滾裝速度控制在0.2km/H以內(nèi)。

屋面桁架系統(tǒng)滾裝施工分兩個(gè)作業(yè)區(qū)同步進(jìn)行，即：自中間軸線30軸線同步地向廠房南、北兩端逐步滾裝推進(jìn)。每個(gè)區(qū)域共有桁架15榀，其中12榀(即6個(gè)單元)需要滾裝。

圖16 SPMT模塊車照片

圖17 現(xiàn)場(chǎng)滾裝施工圖

3.2.7 補(bǔ)檔作業(yè)

相鄰2組桁架單元滾裝到位后，采用50t汽車吊和現(xiàn)場(chǎng)塔吊配合完成補(bǔ)檔作業(yè)。

圖18 現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)檔作業(yè)

3.2.8 華夫板保護(hù)措施

吊機(jī)及模塊車在華夫板上施工容易對(duì)華夫板孔洞邊緣造成破損，造成結(jié)構(gòu)破壞。根據(jù)施工安全需要對(duì)整個(gè)華夫板進(jìn)行針對(duì)性保護(hù)措施。

(1)汽車吊行走及站位、模塊車行走路線上的保護(hù)。沿汽車吊行走、滾裝路線方向上先滿鋪18mm舊模板一層，再覆蓋20mm厚鋼板一層，寬度4m。

(2)構(gòu)件堆放區(qū)域。需要先滿鋪18mm舊模板一層，再在上部墊150mm厚枕木。

(3)人員行走及工作區(qū)域。需鋪墊18mm舊模板一層。焊接作業(yè)需在焊接底部設(shè)置接火盆和防火毯。動(dòng)火區(qū)域要做好嚴(yán)格防火措施。

3.3 BIM施工模擬

3.3.1 CFD氣流組織模擬

本項(xiàng)目為半導(dǎo)體行業(yè)潔凈室，主要潔凈區(qū)域?yàn)榍Ъ?jí)凈化區(qū)域，部分區(qū)域?yàn)榘偌?jí)實(shí)驗(yàn)凈化區(qū)域，由于需要通過國家GMP認(rèn)證，所以對(duì)潔凈室內(nèi)的潔凈度控制要求較高，為保證整個(gè)潔凈室的潔凈度效果，我司通過BIM軟件對(duì)潔凈室進(jìn)行全仿真建模，然后采用自己獨(dú)立研發(fā)的軟件插件把BIM模型轉(zhuǎn)換成CFD軟件可以識(shí)別使用的模型，然后導(dǎo)入CFD軟件中進(jìn)行氣流組織模擬，整個(gè)模擬過程分為靜態(tài)過程模擬和動(dòng)態(tài)過程模擬，完整模擬整個(gè)潔凈室氣流組織流向及可能存在的干擾因素，并通過模擬對(duì)比找出最佳的風(fēng)口布置方案，優(yōu)化氣流走向，顯著提高潔凈室的潔凈度。

3.3.2 4D施工模擬

項(xiàng)目利用了Fuzor，Naviswork等BIM軟件進(jìn)行施工模擬，通過對(duì)生產(chǎn)廠房SN1和動(dòng)力站房CUB8建筑結(jié)構(gòu)的施工模擬，對(duì)施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行規(guī)劃，使施工工序變得更加優(yōu)化，簡化施工的流程，最大限度節(jié)約工程的成本。

圖19 氣流組織模擬圖

圖20 SN1施工過程模擬

圖21 CUB8施工過程模擬

3.4 安全性驗(yàn)算

3.4.1 25t汽車吊行走及吊裝驗(yàn)算

根據(jù)吊裝路線，確定吊車活動(dòng)范圍。吊車再空載跑動(dòng)屬于在樓板滿跑，因此最不利于荷載布置驗(yàn)算樓板承載力。

根據(jù)主要樓板區(qū)域跨度為4.2×4.8m和9.6m×8.4m。取最不利模型600mm華夫板區(qū)域，最不利跨度9.6m×8.4m跨度， 9.6m為前進(jìn)方向進(jìn)行驗(yàn)算。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。

圖22 華夫板驗(yàn)算模型

采用有限元軟件SAP2000 V17進(jìn)行施工過程分析，吊車在600mm華夫板上行走時(shí)，井字梁最大組合的正彎矩為68.94kN*M，負(fù)彎矩為56.52kN*M。最大組合的剪力為61.26kN。最大標(biāo)準(zhǔn)組合COMB3彎矩為53.49 KN*M。

吊車在600mm華夫板吊裝時(shí)，井字梁最大組合正彎矩為68.42 KN*M，負(fù)彎矩為60.65kN*M。最大組合的剪力為83.71kN。最大標(biāo)準(zhǔn)組合COMB3彎矩為52.4 KN*M。

3.4.2 模塊車組滾裝時(shí)華夫板承載能力驗(yàn)算

運(yùn)輸車由模塊拼裝而成，每個(gè)模塊軸重約4.3t，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分成三組模塊車，根據(jù)Tekla模型，對(duì)三組模塊車總荷載進(jìn)行轉(zhuǎn)換，荷載如表1。

表1 運(yùn)輸車荷載

圖23 模塊車下方的華夫板計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算可得，在基本荷載組合下，模塊車經(jīng)過華夫板的最大正彎矩為172.84 KN*M，負(fù)彎矩為327.36kN*M。最大的剪力為180.36kN。

剛度驗(yàn)算：模塊車1、2、3經(jīng)過華夫板的最大位移分別為4.03mm<9600/400=24mm、0.81mm<4800/400=12mm、3.77mm<9600/400=24mm，均滿足規(guī)范要求，驗(yàn)算合格。

3.4.3 滾裝過程中桁架及臨時(shí)托架穩(wěn)定性驗(yàn)算

(1)桁架自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算

在模塊車作用節(jié)點(diǎn)處設(shè)置Z方向約束，X方向和Y方向設(shè)置彈性約束。沿模塊車行駛方向受慣性力。

經(jīng)計(jì)算分析可得，在標(biāo)準(zhǔn)荷載組合作用下，桁架結(jié)構(gòu)的Z向最大變形為7.36mm<46203/400=115.5mm；桁架結(jié)構(gòu)的X向最大變形為4.75mm。經(jīng)計(jì)算分析可得，臨時(shí)支撐胎架的最大應(yīng)力比為0.32經(jīng)上述分析可得，模塊車滾裝過程中，桁架結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性滿足要求。

圖24 桁架的變形圖(Z方向)

圖25 桁架的應(yīng)力比柱狀圖

(2)模塊車上方臨時(shí)支撐托架穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用MIDAS(邁達(dá)斯)等軟件對(duì)臨時(shí)支撐塔架，托架的承載能力驗(yàn)算。

圖26 鋼構(gòu)件拼裝吊點(diǎn)受力驗(yàn)算

圖27 SPMT模塊車受力驗(yàn)算

圖28 支撐鋼凳受力驗(yàn)算 圖29 支撐塔架受力驗(yàn)算

(3)模塊車上方臨時(shí)支撐托架穩(wěn)定性驗(yàn)算

桁架高空對(duì)接拼裝完成后，需要在桁架下方軸線C、P、R、AA、AC設(shè)置模塊車進(jìn)行滾運(yùn)，模塊車位置圖30所示。

圖30 臨時(shí)支撐胎架和模塊車的位置

模塊車上方的臨時(shí)支撐托架結(jié)構(gòu)分兩種：單縱12軸、8軸模塊車頂部受荷載梁截面分別采用型鋼H635*400*15*20、H435*450*15*20。支撐塔架均采用100噸級(jí)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，其平面尺寸為1.5m×1.5m，四個(gè)立柱均采用， 2.3*16，底部H型鋼支座截面H500*200*10*16，H型鋼材質(zhì)均為Q345B，立柱、斜撐等均為Q235B。

經(jīng)計(jì)算分析可得，在標(biāo)準(zhǔn)荷載組合作用下[8]，臨時(shí)支撐塔架下方墊梁和上方型鋼的最大變形為-1.538mm-(-2.532)mm=0.994mm<1500/400=3.75； 整個(gè)臨時(shí)支撐胎架的最大變形為6.66<8100/400=20.25mm。臨時(shí)支撐塔架下方墊梁和上方型鋼的最大應(yīng)力比為0.49； 整個(gè)臨時(shí)支撐胎架的最大應(yīng)力比為0.49。

經(jīng)驗(yàn)算，滾裝過程中，模塊車上方臨時(shí)托架的穩(wěn)定性滿足要求。

4 結(jié)語

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)

成功借鑒近年來發(fā)展應(yīng)用的重型運(yùn)輸施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，通過上海中芯電子廠房鋼結(jié)構(gòu)屋面桁架安裝施工，形成一套基于SPMT模塊車的大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架滾裝施工新技術(shù)，此施工技術(shù)屬國內(nèi)首創(chuàng)。解決了傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)滑移法、吊裝法等諸多施工難題，實(shí)現(xiàn)鋼屋架快速安裝，可為后續(xù)類似大跨度鋼桁架屋架安裝提供一定的參考和借鑒。

4.2 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

通過本項(xiàng)目電子廠房BIM技術(shù)運(yùn)用，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際本身[9]，BIM技術(shù)在實(shí)施過程中，遇到很多實(shí)際問題，也是現(xiàn)在BIM技術(shù)推廣的現(xiàn)實(shí)問題。在許多業(yè)主方?jīng)]有明確哪一方主導(dǎo)BIM空間管理，造成BIM套圖很難往前推進(jìn)。由于電子廠房里面涉及到二次配工藝內(nèi)容，方案遲遲不能確定，導(dǎo)致一次配專業(yè)系統(tǒng)BIM規(guī)劃完成后，又得重新規(guī)劃管線布局。以及在管線排布中，不僅要考慮到支架安裝的空間，同時(shí)也要考慮各個(gè)專業(yè)的施工空間。

4.3 應(yīng)用的實(shí)際效果

本項(xiàng)目利用BIM技術(shù)，通過碰撞檢查功能、精確定位預(yù)留洞、凈高檢查、快速資源計(jì)算、可視化交底等功能，幫助項(xiàng)目及時(shí)找出各專業(yè)沖突、減少返工、快速協(xié)同施工，以加快工期； 利用BIM技術(shù)，及時(shí)識(shí)別危險(xiǎn)源、施工模擬、可視化安全交底等應(yīng)用，提升項(xiàng)目安全控制能力。運(yùn)用BIM模塊化鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)，提高預(yù)拼裝合格率、高強(qiáng)螺栓穿孔率精確度和減少措施材料用量的同時(shí)，能夠有效地提高鋼結(jié)構(gòu)的安裝效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約施工成本，為鋼結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)新的方向。