“華龍一號”大型鋼筋籠模塊化施工技術(shù)研究及應(yīng)用

殷廣師

(中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司，福建 漳州 363000)

“華龍一號”是采用國際最高安全標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)設(shè)計(jì)的完全滿足三代核電技術(shù)指標(biāo)百萬千瓦級壓水堆核電機(jī)型。在“華龍一號”重大設(shè)計(jì)改進(jìn)中，將抗震設(shè)計(jì)基準(zhǔn)提高到了0.3g加速度，1臺(tái)“華龍一號”核電機(jī)組鋼筋量達(dá)到了10萬t，其鋼筋量是M310堆型的4倍，墻體立筋普遍采用直徑32 mm和40 mm的大直徑鋼筋，且鋼筋密集，施工難度較大。隨著建筑行業(yè)人口紅利的逐漸消失，勞動(dòng)力緊缺，人工費(fèi)上漲是未來核電建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)。因此，需要優(yōu)化“華龍一號”鋼筋施工工藝來應(yīng)對挑戰(zhàn)。同時(shí)，為了提高“華龍一號”的國際競爭力和整體經(jīng)濟(jì)性，也必須優(yōu)化鋼筋施工工藝，提高施工效率，縮短建造工期。

1 大型鋼筋籠模塊化技術(shù)實(shí)施難點(diǎn)

1.1 BIM與大型鋼筋籠結(jié)合運(yùn)用方面

“華龍一號”核電項(xiàng)目鋼筋工程施工主要結(jié)合設(shè)計(jì)藍(lán)圖，通過CAD軟件進(jìn)行二維轉(zhuǎn)化形成相應(yīng)的施工圖用于現(xiàn)場施工，鋼筋工程現(xiàn)場施工多為逐根綁扎，功效較低且多為高空作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，同時(shí)二維施工方式無法達(dá)到“可視化”程度，無法提前顯示出鋼筋與鋼筋、鋼筋與預(yù)埋件等物項(xiàng)沖突干涉等問題?！叭A龍一號”核電工程建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)異形，安裝、土建物項(xiàng)縱橫交錯(cuò)，在此條件下，大型鋼筋籠施工利用傳統(tǒng)二維方式難度較大，尤其鋼筋籠連接精度為毫米級，因此采用BIM三維模擬鋼筋籠技術(shù)，突破鋼筋工程采用的傳統(tǒng)二維施工方式[4]，實(shí)現(xiàn)大型鋼筋籠全過程“可視化”交底，提前識(shí)別干涉問題進(jìn)而提高鋼筋籠精度控制，利用BIM三維建模確定鋼筋籠吊裝重心等，極大提高鋼筋施工效率，降低了鋼筋施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

為保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)偏心構(gòu)件鋼筋籠順利吊裝，利用BIM技術(shù)對鋼筋籠進(jìn)行1∶1繪制模擬，將鋼筋籠涉及的物項(xiàng)荷載按設(shè)計(jì)圖紙位置均布至鋼筋籠，根據(jù)三維圖形模擬理論重心，進(jìn)而確定吊裝工裝的吊點(diǎn)位置，最后通過對工裝的吊耳計(jì)算、模塊偏擺計(jì)算、有限元計(jì)算、邊界條件分析等措施，確定吊裝工裝。

1.2 大型鋼筋籠加固技術(shù)運(yùn)用方面

“華龍一號”核電項(xiàng)目鋼筋工程傳統(tǒng)施工方法主要采用人工逐根綁扎，綁扎鋼筋尺寸多為3000～12 000 mm不等，鋼筋位置、間距等偏差后采用人工加倒鏈進(jìn)行調(diào)整。采用大型鋼筋籠施工，需解決鋼筋籠加固問題，防止鋼筋籠因變形超差影響鋼筋籠吊裝、安裝。考慮到鋼筋布置密集，墻與墻之間水平鋼筋獨(dú)立設(shè)置，為保證鋼筋籠整體穩(wěn)定性，減少變形，鋼筋籠采用底座底部鋼筋限位、中部內(nèi)置式立柱鎖緊、頂部定位工裝加固的三位一體式預(yù)制工裝加固技術(shù)。

1.3 大型鋼筋籠大容差機(jī)械連接技術(shù)運(yùn)用方面

“華龍一號”鋼筋工程主要采用大直徑鋼筋，鋼筋之間主要采用直螺紋套筒連接方式。螺紋連接套筒對于鋼筋安裝精度要求較高，根據(jù)常用直螺紋套筒產(chǎn)品特點(diǎn)，鋼筋套筒連接鋼筋軸芯容差范圍需≤5 mm，連接鋼筋的兩端端頭需頂緊，無容差。開展大型鋼筋籠施工，需采用一種允許鋼筋大容差的機(jī)械連接技術(shù)，通過研究及應(yīng)用，采用錐套鎖緊式接頭[2]，可有效解決鋼筋施工累計(jì)誤差問題，錐套鎖緊接頭為一種新型接頭，由兩個(gè)錐套、三個(gè)鎖片、一個(gè)保持架組織，接頭與鋼筋通過液壓裝置擠壓連接，鋼筋端頭無需剝絲。鋼筋軸芯容差范圍≤d(鋼筋直徑)，連接鋼筋端頭容差范圍≤15 mm，對于大型鋼筋籠施工極為有利。

2 大型鋼筋籠模塊化施工技術(shù)應(yīng)用

2.1 作業(yè)前技術(shù)準(zhǔn)備

實(shí)施前技術(shù)準(zhǔn)備包括：鋼筋籠BIM模型繪制、預(yù)制及吊裝工裝設(shè)計(jì)。

2.1.1 鋼筋籠BIM建筑模型的繪制

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)文件及鋼筋籠吊裝策劃方案進(jìn)行鋼筋籠三維圖繪制(見圖1)，通過BIM軟件對鋼筋籠進(jìn)行1∶1繪制模擬，深度還原設(shè)計(jì)意圖，確定鋼筋與鋼筋，鋼筋與物項(xiàng)干涉情況，同時(shí)通過三維動(dòng)畫模擬鋼筋籠從預(yù)制到吊裝就位的全過程，達(dá)到鋼筋籠施工全周期“可視化”交底深度，使鋼筋籠吊裝技術(shù)、施工人員直觀了解鋼筋籠施工全過程，減少鋼筋籠實(shí)際施工時(shí)的操作偏差。

圖1 大型鋼筋籠BIM 1∶1模擬效果圖Fig.1 1∶1 simulation effect diagram of large reinforcement cage

2.1.2 預(yù)制、吊裝工裝設(shè)計(jì)

(1)預(yù)制工裝

墻體鋼筋籠模塊化預(yù)制工裝[3]，能夠精準(zhǔn)定位和固定鋼筋位置，保證鋼筋籠模塊與現(xiàn)場預(yù)留鋼筋準(zhǔn)確對接；鋼筋籠作為胎具，能夠在鋼筋制作過程中作為支撐點(diǎn)，同時(shí)能夠保證鋼筋籠不變形；預(yù)制工裝能夠標(biāo)準(zhǔn)化，制作同尺寸的鋼筋籠；預(yù)制工裝具有足夠的強(qiáng)度和剛度；預(yù)制工裝作為鋼筋籠模塊吊裝，能夠承受鋼筋籠模塊的重量。吊耳根據(jù)預(yù)制工裝及鋼筋籠總體重量分布情況，整體均布在預(yù)制工裝上部，預(yù)制工裝吊耳位置與吊裝工裝吊耳位置相匹配。預(yù)制工裝圖見圖2。

圖2 鋼筋籠預(yù)制工裝圖Fig.2 Steel Cage prefabricated tooling drawings1—定位鋼套管；2—槽鋼架；3—豎向骨架；4—橫向骨架；5—挑耳；6—吊耳；7—預(yù)制定位底座；8—開槽定位板

預(yù)制工裝吊耳設(shè)計(jì)：有限元模擬中提取各個(gè)吊點(diǎn)位置的載荷，根據(jù)模塊吊點(diǎn)載荷提取結(jié)果，當(dāng)SG2鋼筋籠上模塊吊裝的時(shí)候，模塊吊點(diǎn)受到最大載荷，其值為83.5 kN。

為保證偏心構(gòu)件鋼筋籠順利吊裝，采用專門的鋼筋籠吊裝工裝，吊具由型材H300×300×10×15焊接而成，上部設(shè)置8個(gè)吊耳，下部設(shè)置13個(gè)吊耳。該吊具通過吊耳與U型墻體鋼筋籠相連，實(shí)現(xiàn)偏心構(gòu)件吊裝。

2.2 大型鋼筋籠現(xiàn)場應(yīng)用

大型鋼筋籠模塊化施工分兩階段：第一階段為鋼筋籠預(yù)制，第二階段為鋼筋籠吊裝。

2.2.1 鋼筋籠預(yù)制

鋼筋籠預(yù)制工藝流程：預(yù)制工裝底座安裝→預(yù)制工裝立柱安裝→預(yù)制工裝立柱橫向連接角鋼安裝→環(huán)墻內(nèi)側(cè)水平筋安裝→環(huán)墻立筋安裝→環(huán)墻外側(cè)水平筋安裝→直墻內(nèi)側(cè)水平筋→直墻立筋安裝→直墻外側(cè)水平筋安裝→定位頂板安裝→拉筋安裝→埋件安裝→鋼筋籠加固。

已準(zhǔn)備好的預(yù)制場地上進(jìn)行預(yù)制工裝底座定位、拼裝、加固，底座安裝完成后進(jìn)行標(biāo)高基準(zhǔn)線放線，根據(jù)基準(zhǔn)線調(diào)平底座，底座安裝完成后進(jìn)行立柱定位、安裝、加固，立柱安裝可從直墻到環(huán)墻依次安裝，立柱安裝完成后采用角鋼橫向?qū)⒘⒅附?，用角鋼將立柱連接為整體，角鋼焊接位置與立柱挑梁位置相同。立柱連接加固后，進(jìn)行鋼筋籠綁扎，依次進(jìn)行環(huán)墻內(nèi)側(cè)水平筋綁扎、環(huán)墻立筋綁扎、環(huán)墻外側(cè)水平筋綁扎、直墻內(nèi)側(cè)水平筋綁扎、直墻立筋綁扎、直墻外側(cè)水平筋綁扎、加筋、拉筋綁扎，鋼筋采用12#鐵絲滿綁加固、鋼筋綁扎完成后進(jìn)行埋件放線、安裝、加固，埋件完成后對鋼筋籠進(jìn)行加固措施，在鋼筋籠上部定位頂板安裝。鋼筋籠預(yù)制完成見圖3。

圖3 鋼筋籠預(yù)制完成效果圖Fig.3 Effect diagram of reinforcement cage prefabrication

2.2.2 鋼筋籠吊裝

鋼筋籠吊裝工藝流程：吊裝工裝設(shè)計(jì)、加工→吊裝工裝吊裝試驗(yàn)→吊裝工裝擺放→吊車進(jìn)入起吊站位點(diǎn)→吊索具連接吊車及模塊→鋼筋籠操作架拆除→試吊裝→正式吊裝→吊裝就位→摘鉤→吊裝結(jié)束。

(1)吊裝工裝吊裝試驗(yàn)

吊裝試驗(yàn)參照試驗(yàn)大綱進(jìn)行，吊裝試驗(yàn)分兩步進(jìn)行[1]，第一步為額定荷載起升落地，第二步為1.25倍起吊重量起升落地，完成后對吊裝工裝進(jìn)行無損檢查驗(yàn)證吊裝工裝可行性。注意問題：根據(jù)額定荷載提前準(zhǔn)備相應(yīng)的配重，吊裝試驗(yàn)完成后及時(shí)進(jìn)行無損檢測并出具報(bào)告。

(2)吊裝工裝擺放

吊裝工裝試驗(yàn)完成后，需根據(jù)方案中吊車位置及大臂旋轉(zhuǎn)半徑范圍內(nèi)，確定吊裝工裝擺放位置，做到吊裝工裝一次到位，不二次騰挪。注意位置不確定時(shí)可通過測量定位，務(wù)必保證工裝位置準(zhǔn)確，工裝擺放位置需考慮模塊的方向。

(3)吊索具連接吊車及模塊

將吊索具運(yùn)至吊裝工裝存放場地，根據(jù)吊裝方案依次將主鋼絲繩選擇壓制鋼絲繩φ70 mm×30 m、可調(diào)拉桿、卸扣及配套銷軸、吊裝鋼架組成的吊索具系統(tǒng)進(jìn)行組隊(duì)連接(見吊索具清單)，注意鋼筋絲繩長度嚴(yán)格按照計(jì)算長度進(jìn)行。吊索具應(yīng)符合以下要求：

1)吊索具在存放過程中，做好保養(yǎng)和檢查，相關(guān)記錄齊全，在使用前經(jīng)相關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行檢查，合格后方可使用。

2)吊裝鋼架、鋼絲繩、可調(diào)拉桿、吊耳均進(jìn)行編號，連接時(shí)一一對應(yīng)。

3)吊索具使用前需檢查合格，具備相關(guān)合格證明、產(chǎn)品的銘牌或技術(shù)參數(shù)資料、儲(chǔ)存保養(yǎng)記錄，并在吊具荷載試驗(yàn)。

4)吊索具完好存放于現(xiàn)場存放點(diǎn)，鋼絲繩按編碼序號單根拉直整齊排放，放置于鋼筋籠預(yù)制場南側(cè)，確保與起重機(jī)吊鉤的掛設(shè)距離。

5)使用前應(yīng)對其質(zhì)量文件和實(shí)際的工況狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格仔細(xì)的聯(lián)合檢查，檢查驗(yàn)收按吊索具使用說明文件進(jìn)行。

吊索具與吊車連接好后，將吊裝工裝移動(dòng)至鋼筋籠處，通過吊索具與鋼筋籠連接，將吊裝工裝緩慢提升，測量人員全程對平整度進(jìn)行跟蹤，通過調(diào)節(jié)花籃螺桿調(diào)整吊裝工裝平整度，吊裝工裝調(diào)平后完成吊索具與鋼筋籠連接。

(4)試吊裝

按照設(shè)計(jì)的吊點(diǎn)將鋼架吊具下部的吊索與模塊上對應(yīng)的吊點(diǎn)連接，檢查無誤后，起升吊鉤收緊鋼絲繩，逐步加載使之處于微受力狀態(tài)。由司索工檢查鋼架吊具下部與鋼筋籠模塊之間的花籃螺栓受力情況，對拉緊后的花籃螺栓逐一搖曳，若發(fā)現(xiàn)可晃動(dòng)，則通過調(diào)整花籃螺栓長度，使每根花籃螺栓受力均勻。吊索具調(diào)整完畢后，緩慢起升吊鉤，直至模塊下口連同底座起升約100 mm，停止起吊。

(5)正式吊裝

鋼筋籠模塊吊裝步驟：

1)起鉤至模塊下口距離地面15 m，起重機(jī)變幅至作業(yè)半徑66.828 m，調(diào)整主臂與水平面仰角為62°，吊車緩慢起鉤，模塊提升至下口距離地面77 m處停止。

2)通過在行走路面上的到位標(biāo)記線進(jìn)行控制，主車向就位方向向西行走49.266 m+向東行走0.146 m，同時(shí)輔車沿十字型臺(tái)向北行走2.079 m+向南行走40.239 m。起重機(jī)大臂沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)114°，此時(shí)模塊位于就位點(diǎn)中心上方，吊鉤垂足位置調(diào)整對準(zhǔn)就位點(diǎn)(偏差控制在±200 mm以內(nèi))。

3)吊車正常速度落鉤，至模塊下口距安裝標(biāo)高500 mm時(shí)停止，牽拉攬風(fēng)繩轉(zhuǎn)動(dòng)模塊角度，使模塊的環(huán)向限位裝置與下部鋼筋籠上環(huán)向限位貼合，然后掛設(shè)好周向調(diào)節(jié)倒鏈。

4)吊車緩慢落鉤，至下口距安裝標(biāo)高200 mm時(shí)停止，通過倒鏈微調(diào)模塊，使模塊與環(huán)向限位裝置(在地面墻體每90°一塊限位板)對中。

5)模塊下落至下口距安裝標(biāo)高200 mm時(shí)，模塊吊裝階段結(jié)束，轉(zhuǎn)入模塊安裝階段。

(6)吊裝就位

在鋼筋籠進(jìn)行吊裝前首先在地面進(jìn)行鋼筋籠接頭進(jìn)行校正和清理，并在混凝土地面接頭上提前擰上鋼筋錐套。

起吊開始后，作業(yè)人員牽引鋼筋籠上的攬風(fēng)繩控制，嚴(yán)禁直接用手扶住鋼筋籠下口。當(dāng)鋼筋籠距離現(xiàn)場接頭約100 mm時(shí)，下方才能用短鋼管或撬棍校正或使用斗形調(diào)整裝置調(diào)整對中。

當(dāng)鋼筋籠大部分立筋距離現(xiàn)場接頭約0～15 mm時(shí)，立筋接頭對中完成，然后擠壓錐套鎖緊接頭。在下落過程中出現(xiàn)下部整體水平度超差時(shí)在地面操作架平臺(tái)調(diào)整鋼架下部花籃螺栓，控制就位時(shí)的鋼筋籠模塊下口平整度在15 mm內(nèi)。

模塊就位后，要對鋼筋籠接口處機(jī)械連接質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收，錐套鎖緊接頭現(xiàn)場檢驗(yàn)按照現(xiàn)場同條件取樣，每種規(guī)格500個(gè)接頭取一組，現(xiàn)場檢驗(yàn)做抗拉強(qiáng)試驗(yàn)。針對部分無法達(dá)到連接要求的，具體保障措施如下：1)個(gè)別地面立筋接頭與上部鋼筋籠立筋水平錯(cuò)位大于100 mm或臨時(shí)無法調(diào)整對中，宜在摘鉤后從地面鋼筋接頭新接入立筋綁扎；2)當(dāng)個(gè)別地面鋼筋接頭與上部鋼筋籠立筋水平錯(cuò)位超出錐套鎖緊工藝偏差要求，通過調(diào)整后角度偏角大，無法使用錐套連接，可采用焊接，但連接工藝需經(jīng)設(shè)計(jì)同意后執(zhí)行；3)當(dāng)?shù)孛驿摿⒔钆c上部鋼筋籠接頭立筋垂直錯(cuò)位重疊時(shí)且靠近時(shí)，用切割機(jī)對長出部分立筋現(xiàn)場切除；4)對接立筋垂直高差大于錐套連接對中要求，宜在摘鉤后通過松動(dòng)鋼筋籠立筋扎絲往下調(diào)整連接。

(7)摘鉤

當(dāng)豎向接頭連接完成80%后設(shè)置臨時(shí)加固措施，加牢固后才能摘除掛鉤，隨后在墻上對剩余部分的鋼筋錐套接頭與現(xiàn)場連接牢固，摘鉤后對鋼筋籠剩余接頭進(jìn)行調(diào)整安裝，直至安裝完畢。鋼筋籠模塊最終摘鉤完成情況見圖4。

圖4 鋼筋籠摘鉤完成情況Fig.4 Completion of rebar cage hook removal

3 結(jié)論

“華龍一號”大型鋼筋籠模塊化施工技術(shù)改變了傳統(tǒng)的現(xiàn)場綁扎施工方式，實(shí)現(xiàn)了由“人工”向“機(jī)械”的轉(zhuǎn)變，將核電建造“模塊化”“機(jī)械化”由理論變成了現(xiàn)實(shí)，將鋼筋工程施工由“串行”轉(zhuǎn)化為“并行”，實(shí)現(xiàn)了工期優(yōu)化，同時(shí)避免建安交叉，減少了安全風(fēng)險(xiǎn)，為“華龍一號”核電工程的安全高效建設(shè)提供了強(qiáng)力保障。