基于midas Civil-BIM的地鐵標(biāo)準(zhǔn)段腳手架穩(wěn)定性分析研究

劉秋雨

(中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130033)

1 引 言

近年來，我國各大城市為了緩解交通壓力，積極推動地鐵建設(shè)項(xiàng)目。目前我國多采用模板支架的方式澆筑地鐵頂板混凝土，支架體系的穩(wěn)定性決定著地鐵建造的成敗。因此對支架體系的穩(wěn)定性進(jìn)行研究是十分必要的。

段玉峰[1]以長沙地鐵6#線為研究對象，總結(jié)了一套安全穩(wěn)定的腳手架施工監(jiān)理方法。劉松沅[2]依托長春地鐵2#線工程，介紹了明挖地鐵結(jié)構(gòu)盤扣腳手架受力精確計(jì)算方法。徐林有等[3]研究了門洞式支架體系的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，在武漢地鐵21#線的應(yīng)用中取得了良好效果。穆永奎[4]以南寧地鐵施工為背景，采用盤扣腳手架杜絕了復(fù)雜環(huán)境下腳手架倒塌事故。張漳榮等[5]運(yùn)用ABAQUS模擬腳手架，對其承載力進(jìn)行模擬計(jì)算，并確定節(jié)點(diǎn)剛度對結(jié)構(gòu)承載力的影響范圍。趙保元等[6]運(yùn)用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)了實(shí)際工程，分析了BIM技術(shù)在建筑腳手架工程方面的優(yōu)勢和前景。石開榮等[7]進(jìn)行了不同工況下套扣式鋼管腳手架節(jié)點(diǎn)的水平受壓承載力試驗(yàn)研究和有限元分析，提出了基于立桿長度的節(jié)點(diǎn)水平向抗壓剛度模型。

基于我國上述學(xué)者對地鐵腳手架和BIM技術(shù)的模板腳手架管理的研究，提出了基于midas Civil-BIM的地鐵標(biāo)準(zhǔn)段腳手架穩(wěn)定性分析研究的方法，并以深圳地鐵懷德站標(biāo)準(zhǔn)段腳手架為例，運(yùn)用有限元軟件midas Civil對標(biāo)準(zhǔn)段頂板腳手架的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并運(yùn)用BIM技術(shù)對該腳手架施工進(jìn)行管理，在3D建模、工程量計(jì)算方面進(jìn)行研究，為今后類似工程提供借鑒和參考。

2 工程概況

深圳地鐵懷德站沿懷德南路鋪設(shè)，地下一層為站廳層，二層站臺層。站臺寬度為11 m，站臺有效長度為140 m，車站部分總長312.1 m。車站采用明挖順筑法施工，盾構(gòu)擴(kuò)大段基坑寬分別為11.1 m和25.1 m，開挖深度為17.1～20.49 m，車站頂板覆土厚約為3.3～5.7 m。懷德站場布模型圖、整體BIM模型圖。

主體結(jié)構(gòu)兩層站豎向施工順序：待各段基坑開挖完成后，接地網(wǎng)、墊層和防水，然后澆筑底板混凝土，接著施工地下負(fù)二層側(cè)墻到地下負(fù)一層中板，然后施工地下負(fù)一層側(cè)墻，最后施工車站頂板。

3 模板體系

模板的中板、頂板、梁模板均采用15 mm膠合木，主楞采用10#工字鋼，次龍骨采用100 mm×100 mm方木，可調(diào)支撐托，主楞豎向采用M16對拉螺栓固定，主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻內(nèi)模采用組合鋼模板，面板厚度6 mm，橫肋采用8#槽鋼，豎肋支撐采用雙12#槽鋼。矩形中立柱使用兩套組合鋼模板，并用Ф22精軋螺紋拉桿及∠100×10角鋼鎖緊，面板厚度為5 mm。模板體系如圖1所示。

圖1 膠合板、主楞、次楞及頂托三維示意圖

4 MLDAS/Civil有限元模擬腳手架穩(wěn)定性研究

為確定修建地鐵時(shí)，澆筑地鐵標(biāo)準(zhǔn)段上頂板混凝土，腳手架自重、混凝土荷載、模板及主次楞自重、施工荷載、風(fēng)荷載、其他可變荷載對腳手架共同作用所產(chǎn)生的應(yīng)力、內(nèi)力及位移變形，利用midas Civil對標(biāo)準(zhǔn)段頂板支撐腳手架進(jìn)行有限元模擬，模擬現(xiàn)場各種工況。

4.1 建立模型

利用midas Civil對標(biāo)準(zhǔn)段頂板支撐腳手架進(jìn)行有限元模擬，對其穩(wěn)定性承載力進(jìn)行分析。首先定義其材料和截面，材料采用鋼材和木材兩種，立桿采用Q345B，橫桿采用Q235，斜桿采用Q195，主楞采用Q235， 次楞木材采用TC15-A。立桿截面采用Ф60×3.2 mm，橫桿采用Ф48 mm×2.75 mm，斜桿采用Ф42 mm×2.75 mm，主楞采用I10，次龍骨采用100 mm×100 mm方木。接著建立節(jié)點(diǎn)和單元，腳手架部分、主次楞采用梁單元，模板采用板單元。

圖2 頂板鋼管支架有限元模型

4.2 定義邊界條件

模型建立完畢后，對模型進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，立桿與地面連接處固接，因此采用一般支撐，主楞與側(cè)模連接處采用只約束x方向的一般支撐，主楞彎曲懸臂及梁兩端懸臂采用一般支撐。立桿與主楞及主楞與次龍骨之間采用彈性連接。

5 腳手架有限元模擬結(jié)果分析

現(xiàn)對腳手架穩(wěn)定性進(jìn)行有限元分析，顏色的深淺代表所受應(yīng)力、軸力等大小。

強(qiáng)度分析：整個(gè)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力處在靠近邊緣處的板底立桿頂部，最大壓應(yīng)力為214.6 MPa，最大拉應(yīng)力處在橫桿處，最大拉應(yīng)力為76.4 MPa；腳手架立桿的最大拉力為10 kN，最大壓力為-5.3 kN；主楞的最大剪應(yīng)力27.7 kN，結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力與剪力均滿足施工要求和設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)是安全的。如圖3、圖4所示。

圖3 腳手架組合應(yīng)力有限元模擬結(jié)果圖

圖4 腳手架各桿件軸力有限元模擬結(jié)果圖

剛度分析：結(jié)構(gòu)最大位移為3.125 mm，小于規(guī)范值，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 BIM技術(shù)概述

6.1 BIM技術(shù)在模板腳手架中的應(yīng)用

為了更好地對深圳地鐵懷德站標(biāo)準(zhǔn)段腳手架施工進(jìn)行管理，將建好的腳手架模型從midas Civil導(dǎo)入到Revit中，通過建立腳手架BIM模型，實(shí)現(xiàn)模型與實(shí)物的對照，能夠更清晰的從模型中反映出實(shí)際腳手架的外觀，更好地設(shè)計(jì)施工方案，從而更有效的實(shí)現(xiàn)了腳手架管理。通過BIM廣聯(lián)達(dá)設(shè)計(jì)軟件對腳手架各部件材料及數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的成本估算。腳手架BIM模型與腳手架材料統(tǒng)計(jì)表如圖5和表1所示。

圖5 BIM模板腳手架設(shè)計(jì)圖

6.2 BIM技術(shù)在模板腳手架管理中的優(yōu)勢

BIM強(qiáng)化了模板腳手架施工的安全管理，在模型中加入了安全信息，能夠讓施工人員更清楚地看到腳手架存在的安全問題，并及時(shí)采取相應(yīng)措施加以補(bǔ)救。其次，BIM技術(shù)節(jié)約了施工的成本，相比傳統(tǒng)模板腳手架設(shè)計(jì)，BIM技術(shù)為施工單位減少了人員配置。在材料成本方面，BIM技術(shù)在一定程度上避免了購買模板或加工模板時(shí)造成的浪費(fèi)，從而也在一定程度上提高了腳手架的重復(fù)使用率。

BIM設(shè)計(jì)出來的模板腳手架模型相對于傳統(tǒng)腳手架管理設(shè)計(jì)出的模板腳手架更立體，另外，傳統(tǒng)腳手架管理缺乏完整的技術(shù)指導(dǎo)。在BIM軟件當(dāng)中就可解決此類問題，BIM技術(shù)不僅可以提前確定并改進(jìn)搭設(shè)方案，還能將模板腳手架顯得更加生動具體。施工人員完全可以通過BIM設(shè)計(jì)圖構(gòu)想出模板腳手架的搭設(shè)方法，并確保其安全性，這將大大降低施工過程中由于工作人員經(jīng)驗(yàn)不足所造成的安全隱患。

7 結(jié) 語

介紹了深圳地鐵懷德站標(biāo)準(zhǔn)段頂板模板與支撐體系，將模型從midas Civil導(dǎo)入Revit，運(yùn)用BIM技術(shù)對整個(gè)模板腳手架體系進(jìn)行了建模，并運(yùn)用BIM廣聯(lián)達(dá)軟件對模板腳手架各部分構(gòu)件的材料用量進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)，表明BIM技術(shù)在管理模板腳手架方面具有一定的可靠性。通過有限元軟件midas Civil對該體系建模并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出如下結(jié)論。

(1)整個(gè)模板腳手架結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力發(fā)生在模板轉(zhuǎn)角處的板底立桿頂部，最大壓應(yīng)力為214.6 MPa，最大拉應(yīng)力發(fā)生在橫桿處，最大拉應(yīng)力為76.4 MPa，說明在澆筑混凝土?xí)r，應(yīng)力最大通常出現(xiàn)在模板轉(zhuǎn)角處，應(yīng)設(shè)置斜撐對轉(zhuǎn)角處的模板進(jìn)行支撐。

(2)腳手架立桿的最大拉力為10 kN，最大壓力為75.3 kN；主楞的最大剪應(yīng)力27.7 kN；整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大位移為3.125 mm，各項(xiàng)指標(biāo)均處于安全范圍內(nèi)。

經(jīng)過分析，整個(gè)模板支撐體系的穩(wěn)定性均滿足構(gòu)造要求。本文為地鐵施工過程中，模板腳手架的穩(wěn)定性問題積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，可為今后類似工程施工提供借鑒。