基于BIM模型的雙曲面橢圓形懸挑鋼屋蓋施工技術(shù)*

趙健豪，廖麗芳，任 健，唐 兵，林 江

(中建三局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

曲面鋼結(jié)構(gòu)精度控制、安裝定位是鋼結(jié)構(gòu)施工重難點，借助BIM模型提供的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)為校準(zhǔn)依據(jù)，可對異形鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)定位分析，并以此修正坐標(biāo)定位，從而使異形鋼結(jié)構(gòu)的完成效果達(dá)到最佳。因此以BIM技術(shù)為核心的異形鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計、加工生產(chǎn)及現(xiàn)場安裝定位控制技術(shù)應(yīng)用是鋼結(jié)構(gòu)施工的發(fā)展趨勢。

科學(xué)城天府科創(chuàng)園及配套項目1號地塊工程中的6個橢圓單體屋面均為雙曲面橢圓形鋼屋蓋。以其中的S6號樓為例，鋼屋蓋造型類似馬鞍，南北高、東西低，平面投影外輪廓近似橢圓形，長半軸約18m，短半軸約5m(見圖1)。鋼屋蓋距屋面最高約1 700mm，最大懸挑長度約2 800mm，最小懸挑長度約600mm，為雙曲面異形鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)對設(shè)計、加工、施工過程，如深化出圖、分段加工、工廠預(yù)拼裝、安裝順序、曲形定位控制等進(jìn)行重點分析，以保證建筑完成效果。

圖1 橢圓單體效果

1 鋼屋蓋建模及深化設(shè)計

1.1 鋼屋蓋建模

以S6號樓為例，首先運(yùn)用犀牛軟件建立整體線性模型及鋼屋蓋線性模型，模型生成邏輯及成果如圖2，3所示。

圖2 S6號樓整體線性模型生成邏輯

圖3 S6號樓鋼屋蓋線性模型

將犀牛軟件建立的S6號樓鋼屋蓋線性模型導(dǎo)入Tekla Structures，通過建立軸線，輸入截面、材質(zhì)等信息，建立鋼屋蓋整體三維模型。

1.2 鋼屋蓋受力分析

將鋼屋蓋三維模型導(dǎo)入MIDAS有限元分析軟件，建立結(jié)構(gòu)受力模型后進(jìn)行整體受力分析，得到內(nèi)力、位移、反力結(jié)果。

鋼屋蓋采用Q345B鋼材，由于鋼屋蓋體量較小，因此未參與施工模擬。鋼屋蓋結(jié)構(gòu)受力分析通過后，繪制結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙，確定構(gòu)件材質(zhì)、截面尺寸、坐標(biāo)等。

1.3 鋼屋蓋加工圖深化設(shè)計

通過前期建立的鋼屋蓋三維模型，結(jié)合設(shè)計圖紙中鋼屋蓋構(gòu)件的相關(guān)信息，輸入Tekla Structures軟件后對鋼構(gòu)件進(jìn)行分類編號，從軟件中導(dǎo)出構(gòu)件加工深化圖、材料表、清單報告等。

在Tekla Structures軟件中利用鋼屋蓋三維模型導(dǎo)出的加工深化圖，并根據(jù)項目相關(guān)要求，在CAD軟件中通過人工調(diào)整形成最終的深化加工圖。

2 鋼屋蓋生產(chǎn)加工

2.1 鋼構(gòu)件工廠預(yù)拼裝

雙曲面橢圓形鋼屋蓋施工重難點為外側(cè)圓管圈梁的安裝定位，工廠加工時需保證構(gòu)件生產(chǎn)精度，外側(cè)圈梁定位主要取決于鋼挑梁與外側(cè)圓管圈梁連接點的坐標(biāo)定位，因此將鋼挑梁與外側(cè)圓管圈梁連接點作為安裝定位控制點，通過預(yù)拼裝測量外側(cè)圓管圈梁控制點坐標(biāo)，對比模型導(dǎo)出的控制點三維坐標(biāo)，分析定位偏差是否滿足設(shè)計要求。

以加工車間地坪為水平基準(zhǔn)面，按照三維模型導(dǎo)出的空間坐標(biāo)在車間地面上測放控制點，在每個控制點安裝800mm×800mm×20mm鋼板，并用膨脹螺栓進(jìn)行固定。測量每個鋼板標(biāo)高，結(jié)合三維模型導(dǎo)出空間坐標(biāo)的z值以確定每根鋼柱高度。以鋼管最低點和最高點作為預(yù)拼裝基準(zhǔn)，對接每根鋼管后，暫時進(jìn)行點焊連接，檢查鋼管連接接頭的平順性，調(diào)整至弧線自然順暢。調(diào)整后在鋼管接頭一端焊接定位板，另一端劃標(biāo)記線，作為現(xiàn)場拼裝依據(jù)。鋼構(gòu)件預(yù)拼裝如圖4所示。

圖4 鋼構(gòu)件預(yù)拼裝示意

2.2 預(yù)拼裝與模型控制點坐標(biāo)對比分析

以S6號樓鋼屋蓋外側(cè)圓管圈梁預(yù)拼裝定位調(diào)整為例，根據(jù)鋼挑梁端點個數(shù)設(shè)置25個控制點，通過三維模型導(dǎo)出控制點坐標(biāo)(見圖5)。

圖5 三維模型導(dǎo)出控制點坐標(biāo)

利用全站儀定位測量工廠預(yù)拼裝完成的外側(cè)圓管圈梁，對比分析模型導(dǎo)出的坐標(biāo)，確定外側(cè)圓管雙曲圈梁生產(chǎn)精度。所有三維坐標(biāo)均選擇相同的某點坐標(biāo)作為原點，通過對比相對坐標(biāo)確定定位偏差。模型控制點相對坐標(biāo)A如表1所示。預(yù)拼裝控制點相對坐標(biāo)B如表2所示。相對坐標(biāo)差值如表3所示。

表1 模型控制點相對坐標(biāo)A

表2 預(yù)拼裝控制點相對坐標(biāo)B

表3 相對坐標(biāo)差值(B-A)

通過偏差分析可知，工廠生產(chǎn)的外側(cè)雙曲橢圓形圓管圈梁與模型設(shè)計的形狀偏差滿足設(shè)計要求。

3 鋼屋蓋構(gòu)件安裝施工

3.1 安裝順序

S6號樓鋼屋蓋由鋼柱、箱形鋼梁、箱形圈梁、圓管圈梁組成，其中箱形鋼梁分為柱間鋼梁、次梁、挑梁。安裝順序如圖6所示。

圖6 鋼屋蓋構(gòu)件安裝順序

3.2 安裝方法

1)鋼柱安裝(見圖7) 將鋼結(jié)構(gòu)柱底部標(biāo)高實測尺寸置入結(jié)構(gòu)三維模型中，每個立柱均根據(jù)實測尺寸確定加工尺寸并編號，現(xiàn)場對號安裝。按設(shè)計理論值現(xiàn)場放線，頂部標(biāo)高及與梁連接板按模型進(jìn)行精確定位，保證每個梁柱安裝均符合模型要求。鋼柱根據(jù)編號進(jìn)行安裝，調(diào)整垂直度，擰緊地腳螺栓，鋼柱底板與預(yù)埋件最后焊接。

圖7 鋼柱安裝示意

2)鋼梁安裝 采用工具式吊耳或捆綁法吊裝鋼梁。安裝前將鋼梁分中標(biāo)記引至起重機(jī)梁端頭，以利于吊裝時按柱牛腿定位軸線進(jìn)行臨時定位。梁與柱采用高強(qiáng)螺栓拼接，連接板預(yù)先安裝在結(jié)構(gòu)柱上，連接板均為建模放樣后進(jìn)行數(shù)控加工，以確保加工精度和組裝精度。安裝時先用螺栓就位，全部安裝完成并校正后施焊，最后在上表面蓋板。梁柱連接節(jié)點三維模型如圖8所示。

圖8 梁柱連接節(jié)點三維模型

鋼挑梁端部標(biāo)高、坐標(biāo)位置是重點控制項，每根挑梁端部按模型理論數(shù)據(jù)在現(xiàn)場使用紅外儀進(jìn)行控制，以確保與圈梁的安裝對接精度，保證圈梁平滑連接。圈梁安裝前，必須完成挑梁和鋼柱的焊接。

圈梁為雙曲構(gòu)件，出廠前進(jìn)行預(yù)拼裝，在拼裝位置、連接頭下口設(shè)置2個安裝定位件，每根鋼梁均做好編號，現(xiàn)場根據(jù)編號就位安裝。鋼管圈梁安裝順序如圖9所示。

圖9 鋼管圈梁安裝順序

4 杠桿式免錨固懸挑操作平臺搭設(shè)

屋面鋼結(jié)構(gòu)懸挑部分安裝時，現(xiàn)場橢圓體外立面幕墻正在施工，導(dǎo)致無法在外側(cè)搭設(shè)落地式腳手架。橢圓體主體結(jié)構(gòu)已施工完成，未在屋面預(yù)埋錨環(huán)固定懸挑工字鋼，導(dǎo)致傳統(tǒng)懸挑外架也無法搭設(shè)。

為保證屋面鋼結(jié)構(gòu)懸挑部分正常施工，創(chuàng)新發(fā)明杠桿式免錨固懸挑操作平臺，如圖10所示。平臺由圍護(hù)體系、操作平臺、支撐體系、懸挑工字鋼和動力體系組成。其中圍護(hù)體系由豎向立桿、水平防護(hù)桿和安全網(wǎng)在懸挑工字鋼外圍形成1圈圍擋，在距離懸挑工字鋼端部100mm處焊接100mm長φ25定位鋼筋，用于固定豎向立桿，桿件采用直徑48.3mm、壁厚3.6mm的鋼管，豎向立桿搭設(shè)高度≥1 200mm，水平防護(hù)桿步距600mm。操作平臺采用沖壓鋼板鋪設(shè)在懸挑工字鋼上，沖壓鋼板使用鍍鋅鋼絲穿孔箍繞2～3圈固定。支撐體系由懸挑工字鋼、支撐工字鋼、鋼板組成，懸挑工字鋼長度和支撐工字鋼高度取決于現(xiàn)場需求，將其焊接為整體，鋼板尺寸為150mm×200mm×5mm，通過焊接連接支撐工字鋼底部，從而形成穩(wěn)定底座。懸挑工字鋼通過焊接將圍護(hù)體系、支撐體系連為整體，通過鍍鋅鋼絲與操作平臺連為整體。動力體系由2根16號豎向工字鋼以合適的間距焊接固定在懸挑工字鋼尾部，再使用2根M20螺栓穿過2根豎向工字鋼上方腹部，從而夾住主體花架或鋼結(jié)構(gòu)，利用杠桿原理將懸挑操作平臺荷載傳遞到主體花架或鋼結(jié)構(gòu)上，從而使操作平臺受力平衡。

圖10 杠桿式免錨固懸挑操作平臺

操作平臺前端支撐布置在女兒墻內(nèi)側(cè)，底部用木板墊實，后端用M20螺栓固定或使用抱箍栓接固定在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)圈鋼骨架上，每個接頭部位為角焊縫，焊縫總長度≥120mm，如圖11,12所示。

圖11 懸挑操作平臺搭設(shè)示意

圖12 懸挑操作平臺平面布置

5 鋼屋蓋定位控制

5.1 三測對比定位分析

雙曲面鋼屋蓋構(gòu)件安裝精度決定成型效果，精度控制是施工重點。柱間鋼梁通過建模放樣、數(shù)控加工連接板以確保加工精度和組裝精度。

鋼挑梁端部坐標(biāo)位置是重點控制項，決定雙曲鋼管圈梁和箱形圈梁安裝精度。每根鋼挑梁端部按模型理論數(shù)據(jù)在現(xiàn)場使用全站儀進(jìn)行控制，確保與圈梁的安裝對接精度，保證圈梁平滑連接。雙曲構(gòu)件精度控制采用連接點的三測對比，即鋼挑梁同外側(cè)圓管圈梁連接點坐標(biāo)與模型坐標(biāo)進(jìn)行3次對比糾偏，分別為模型坐標(biāo)與工廠預(yù)拼裝測量坐標(biāo)、鋼挑梁安裝端點測量坐標(biāo)、外側(cè)圓管圈梁安裝控制點測量坐標(biāo)進(jìn)行對比分析，對偏差較大的區(qū)域進(jìn)行糾偏，從而滿足設(shè)計撓度變形要求。

以S6號樓屋面鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)雙曲橢圓形圓管圈梁定位為例，外側(cè)圓管圈梁工廠預(yù)拼裝控制點測量坐標(biāo)與模型坐標(biāo)對比如表3所示。鋼挑梁端點安裝控制點相對坐標(biāo)如表4所示。鋼挑梁安裝模型、控制點、相對坐標(biāo)差值如表5所示。

表4 鋼挑梁端點安裝控制點相對坐標(biāo)C

表5 相對坐標(biāo)差值(C-A)

當(dāng)坐標(biāo)在對比分析過程中偏差較大時，應(yīng)采取糾偏措施進(jìn)行調(diào)整，降低坐標(biāo)偏差。

外側(cè)圓管圈梁安裝控制點相對坐標(biāo)D如表6所示。外側(cè)圓管圈梁安裝控制點、模型相對坐標(biāo)差值如表7所示。

表6 安裝控制點相對坐標(biāo)D

表7 相對坐標(biāo)差值(D-A)

通過對比分析，控制定位偏差滿足設(shè)計要求。

5.2 定位糾偏措施

主要糾偏鋼挑梁端部安裝標(biāo)高、縱橫軸線(包括直線度和軌道軌距)和垂直度，根據(jù)三維坐標(biāo)進(jìn)行檢查和調(diào)整。

1)標(biāo)高調(diào)整 使用全站儀在梁上或?qū)ｉT搭設(shè)的平臺上，測量每根梁兩端標(biāo)高，計算標(biāo)準(zhǔn)值。通過增加墊板進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到規(guī)范要求。

2)縱橫軸線校正 首先使用經(jīng)緯儀，將每軸列中端部柱基的正確軸線引到牛腿頂部水平位置，定出正確軸線距梁中心線距離，在梁頂面中心線拉通長鋼絲(或用經(jīng)緯儀)，逐根進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)2排縱橫軸線達(dá)到要求后，復(fù)查梁與梁間的跨距。

3)垂直度校正 從梁上翼緣掛錘球，測量線繩到梁腹板上下兩處距離。使用楔鐵塊調(diào)整梁傾斜程度，使線錘與腹板上下相等，縱橫軸線和垂直度可同時進(jìn)行校正，重型梁宜在吊裝時同步進(jìn)行校正。

6 結(jié)語

通過BIM模型可降低異形鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計、生產(chǎn)加工、安裝施工難度，而異形鋼結(jié)構(gòu)施工管理重點是安裝定位的精確度，通過三測對比定位分析管理模式可在缺乏高端定位技術(shù)的條件下，盡可能控制異形鋼結(jié)構(gòu)安裝定位。創(chuàng)新發(fā)明的杠桿式免錨固懸挑操作平臺可同時施工屋面結(jié)構(gòu)和外立面裝飾，縮短總工期，降低現(xiàn)場管理難度，避免由于未提前考慮預(yù)埋錨環(huán)無法搭設(shè)懸挑操作平臺導(dǎo)致懸挑鋼結(jié)構(gòu)無法施工的問題。