基于BIM＋有限元技術(shù)的超大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋液壓整體同步提升施工技術(shù)

胡 鋼 李松晏 潘君華 李紅梅 王瀟鋒 白思敏

中國建筑第四工程局有限公司 廣東 廣州 510665

超大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的安裝，通常采用滑移法[1]、高空散裝法[2]、整體提升法等工藝方法。近年來，整體提升法以其施工效率高、安全性高、施工質(zhì)量高等優(yōu)點，越來越受到施工單位和業(yè)主的青睞。

某工程研發(fā)樓鋼結(jié)構(gòu)大屋蓋為桁架結(jié)構(gòu)，由6榀主桁架與16榀次桁架組成，結(jié)構(gòu)跨度為108.0 m，整體水平，結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為47.3 m，結(jié)構(gòu)高度2.3 m，總質(zhì)量930 t。6榀主桁架與16榀次桁架之間交叉分布形成一個整體，提高了屋面的整體剛度。

在施工過程中，綜合考慮各種施工方案的優(yōu)劣，項目各專業(yè)單位對施工場地的要求，施工難度和質(zhì)量，以及項目整體的交付節(jié)點進行了綜合分析，最終采用基于BIM＋有限元技術(shù)的超大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面液壓整體同步提升施工技術(shù)，順利完成了大屋蓋的整體提升。

目前，該大屋蓋已完成整體提升施工，施工過程和最終效果得到各參建單位的認(rèn)可。相比傳統(tǒng)的施工方案，縮短工期32 d。

1 技術(shù)特點

1）高效提升。液壓整體提升效率高，相比傳統(tǒng)的吊裝方案，可大大縮短施工周期。

2）減少交叉。避免了傳統(tǒng)吊裝方案所需的大量臨時支撐措施的搭設(shè)和拆除，可以在主體結(jié)構(gòu)施工完成之后進行，最大限度地減少對其他專業(yè)施工的影響。

3）質(zhì)量保證。大屋蓋主要在地面完成整體結(jié)構(gòu)的拼裝和焊接工作，相比高空原位拼裝，焊接質(zhì)量能夠得到極大的保障。

4）安全可控。施工前，采用BIM＋有限元軟件，對待提升結(jié)構(gòu)進行分析，模擬施工過程中的各種關(guān)鍵要素，保證施工安全。在地面完成拼裝之后，再進行整體提升，僅需要對周邊進行對接作業(yè)。最大限度地減少了高空作業(yè)量，使安全性得到提升。

5）節(jié)約成本：節(jié)省了大量的臨時支撐措施費用，避免了對其他專業(yè)施工流水的影響，為項目整體成本的控制發(fā)揮了積極作用。

2 技術(shù)關(guān)鍵

基于BIM＋有限元技術(shù)的超大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋液壓整體同步提升施工技術(shù)關(guān)鍵點如下[3-6]：

1）利用BIM創(chuàng)建精確的3D模型，直接導(dǎo)入有限元分析軟件。在提高了模型精度的同時，也解決了有限元分析軟件建模效率低的問題。

2）在對提升全過程進行施工模擬過程中，創(chuàng)新采用BIM模型和有限元分析模型的交互反饋機制，對方案不斷優(yōu)化，達到正向出圖的條件，實現(xiàn)了設(shè)計和施工的融合，最大限度地減少了設(shè)計變更。

3）采用計算機統(tǒng)一控制集群液壓提升設(shè)備，利用液壓設(shè)備無級調(diào)速的特點，使各提升點均能同步、穩(wěn)定工作。

4）在卸載階段，采用計算機控制集群的液壓設(shè)備進行分級卸載，逐步對在高空完成的連接節(jié)點施加荷載，使結(jié)構(gòu)有充足的時間進行應(yīng)力釋放，從而確保結(jié)構(gòu)變形更均勻，施工過程更安全。

5）采用系統(tǒng)＋人工兩級監(jiān)測機制，利用計算機系統(tǒng)的行程及位移傳感檢測，輔以人工利用全站儀、應(yīng)變片等器材的監(jiān)測，達到系統(tǒng)反饋＋人工反饋、微觀監(jiān)測＋宏觀監(jiān)測的目的，實現(xiàn)提升過程的實時控制，保證整個提升過程的同步性。

3 施工工藝

3.1 施工流程

BIM＋有限元建?！┕つM→吊裝方案確認(rèn)→吊點支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置→主桁架散件進場→汽車吊卸車→拼裝胎架就位→拼裝主桁架→拼裝次桁架→整體調(diào)校→地面拼裝構(gòu)件整體檢查→地面涂裝→液壓提升設(shè)備檢查→液壓整體提升→周邊構(gòu)件連接固定→焊接→液壓分級卸載→屋蓋驗收

3.2 操作要點

3.2.1 BIM建模＋有限元建模

應(yīng)用BIM軟件，根據(jù)設(shè)計圖紙，精確搭建鋼結(jié)構(gòu)大屋蓋的1∶1模型。完成BIM模型的建模和復(fù)核后，即可將BIM模型中需要進行施工模擬分析的部分進行提取，并導(dǎo)出為有限元軟件支持的格式，用于有限元分析。

3.2.2 施工模擬

綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)大屋蓋的設(shè)計方案，提取結(jié)構(gòu)自重、防火涂料、防腐涂料、施工措施等的重要信息，在施工模擬過程中予以考慮。按照結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙，建立有限元分析模型，并參照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，分別從被提升結(jié)構(gòu)施工計算、提升架和原結(jié)構(gòu)驗算兩部分出發(fā)進行施工模擬分析：

1）被提升結(jié)構(gòu)驗算。首先導(dǎo)入BIM軟件搭建的待提升結(jié)構(gòu)模型，檢查無誤后，嚴(yán)格按照受力條件，在模型中相應(yīng)位置添加荷載和約束條件，正確合理地選擇分項系數(shù)、自重水平荷載等參數(shù)（圖1）。

圖1 被提升結(jié)構(gòu)施工模擬計算分析

2）提升平臺及原結(jié)構(gòu)驗算。鋼結(jié)構(gòu)大屋蓋的整體提升，采用超大型液壓同步提升技術(shù)，借助周邊主體的部分永久結(jié)構(gòu)作為提升平臺，因此需要對提升平臺及原結(jié)構(gòu)進行驗算。

3.2.3 構(gòu)件現(xiàn)場地面拼裝

對6榀主桁架、16榀次桁架進行地面整體拼裝。屋蓋桁架結(jié)構(gòu)形式相對簡單（圖2），所以只需要一種形式的地面拼裝胎架即可。主桁架起拱度最大為130 mm、最小為30 mm，次桁架起拱度最大為130 mm、最小為0 mm。桁架截面主要包括箱形和H形，其中上下弦桿為箱形截面，最大截面尺寸為350 mm×400 mm×35 mm；腹桿為H形截面，最大截面尺寸為250 mm×250 mm×30 mm×30 mm。屋蓋檁條設(shè)置在屋蓋桁架頂面，每個桁架單元內(nèi)設(shè)置3根，包含LT1、LT2兩種類型，截面尺寸分別為□200 mm× 8 mm和□200 mm×6 mm。

圖2 桁架節(jié)點

屋蓋桁架上弦桿設(shè)置鋼拉索，在邊跨桁架和主桁架的單元內(nèi)設(shè)置4道鋼拉索，4道拉索呈垂直交叉布置，鋼絲抗拉強度等級為1 670 MPa。索體理論最小破斷力為359 kN，拉索靜載荷載不小于索體理論最小破斷力的95%。拉索繃緊，作為構(gòu)造拉索，正常穩(wěn)定狀態(tài)下不對主體結(jié)構(gòu)造成應(yīng)力變化。

在屋蓋桁架地面拼裝時需要194個拼裝胎架，不考慮周轉(zhuǎn)使用，在屋蓋提升之后才能拆除（圖3）。

圖3 構(gòu)件現(xiàn)場地面拼裝

提升平臺是鋼結(jié)構(gòu)大屋蓋提升的重要組成部分，邊跨預(yù)裝部分桁架支撐于大樓頂部的支座上，該支座為滑動支座，需設(shè)置限位措施，將支座鎖死；邊跨桁架向外懸挑6 m，需設(shè)置臨時支撐措施，以保證提升階段整體穩(wěn)定。每個提升點處的支撐措施設(shè)置大致相同，共20處（圖4）。

圖4 提升器安裝

3.2.4 整體提升

為確保屋蓋桁架提升單元及主體結(jié)構(gòu)提升過程的平穩(wěn)、安全，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，采用“吊點油壓均衡，結(jié)構(gòu)姿態(tài)調(diào)整，位移同步控制，順序卸載就位”的同步提升和卸載落位控制策略。

項目吊裝過程中，設(shè)置28個提升吊點，為國內(nèi)僅有的2個需要由2臺計算機控制提升過程的項目，6榀主桁架與16榀次桁架之間交叉分布形成一個整體，提高了屋面的整體剛度。整體提升過程分為以下環(huán)節(jié)：同步吊點設(shè)置、提升分級加載、結(jié)構(gòu)離地檢查、姿態(tài)檢測調(diào)整、整體同步提升、提升過程微調(diào)、整體提升就位。

4 安全控制措施

1）編制液壓整體提升安全文明施工專項方案，明確鋼爬梯、水平安全網(wǎng)、懸掛式操作平臺（吊籃）、立桿式安全繩及抱箍式安全繩、囤料平臺等的安裝和使用方法。

2）編制現(xiàn)場安全管理組織架構(gòu)，明確安全管理責(zé)任，審核特種作業(yè)人員資料，保證人證合一，信息準(zhǔn)確。

3）制定提升安全控制措施，制定防雨、防風(fēng)和防臺風(fēng)安全控制措施，制定停電、電力復(fù)送等措施。

4）制定安全常規(guī)控制措施，防止高空墜落、物體打擊，制定起重吊裝作業(yè)操作規(guī)定。

5）制定安全應(yīng)急預(yù)案，明確安全應(yīng)急職責(zé)，明確安全應(yīng)急程序和措施。

5 效益分析

5.1 社會效益

深圳市某工業(yè)基地項目通過BIM＋有限元技術(shù)輔助設(shè)計師進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠更好地提升方案的實施性。節(jié)省成本，縮短工期，提高實施安全性，更加節(jié)能環(huán)保，為項目增值。

5.2 經(jīng)濟效益

深圳市某工業(yè)基地項目在項目工期滯后的情況下，通過BIM＋有限元整體同步提升技術(shù)的應(yīng)用，保證了總工期目標(biāo)的達成。同時，大大提高了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和實施的安全性。免去了大量臨時支撐措施，成本控制效益明顯。綜合經(jīng)濟效益1 352 792.45元。

5.3 工期效益

該工藝免去了臨時支撐措施的設(shè)計、深化、采購、加工、安裝、拆除，以及大量的高空焊接過程。大屋蓋的整體施工周期較傳統(tǒng)施工方法的工期縮短約32 d。

6 結(jié)語

基于BIM＋有限元技術(shù)的超大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋液壓整體同步提升施工技術(shù)，在結(jié)合了BIM和有限元分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用計算機控制集群液壓提升器，對大跨度結(jié)構(gòu)進行整體同步提升和卸載。

該技術(shù)能夠在方案制定階段，就事先模擬出吊裝過程中可能出現(xiàn)的意外情況，從而提前進行方案的優(yōu)化，避免施工過程中臨時整改帶來的不利因素。地面整體預(yù)拼裝能夠提前對整體結(jié)構(gòu)進行尺寸的復(fù)核，降低高空調(diào)整的難度，減少了高空焊接作業(yè)，大大提高了安全性，促進了成本的節(jié)約。

同時，該技術(shù)也省去了原位拼裝大量使用的支撐體系，大大減少了現(xiàn)場的措施費用，減少了對其他專業(yè)作業(yè)面的影響，施工效率高。