基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)管桁架施工在蜀山泵站的應(yīng)用

閆文博

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

1 工程概況

蜀山泵站工程位于合肥市高新區(qū),包括泵站主廠房及控制樓。占地面積6598.69 m2,19.750高程以上總建筑面積14645.63 m2,其中地上建筑面積6701.31m2,地下(19.750高程與26.850高程之間部分)7944.32 m2,地上三層建筑,建筑高度18.900m。

主廠房及控制樓屋頂采用飛檐鋁板幕墻造型,幕墻固定在屋頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)管桁架上,管桁架由鋼管柱及桁架鋼梁組成空間桁架結(jié)構(gòu)。構(gòu)件覆蓋面積約為5000m2;檐口處標(biāo)高約為52.276 m,結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)標(biāo)高52.40m,共分為6個(gè)單體,中間有沉降縫分開(kāi),最大懸挑長(zhǎng)度12.85 m。

管桁架主要桿件形式包括:鋼管φ351×16、鋼管φ299×16等,構(gòu)件材質(zhì)主要為Q355B。懸挑部分均采用鋼桁架結(jié)構(gòu),位于軸線7(懸挑12.85 m)、軸線14(懸挑10.05 m)、軸線29(懸挑9.65 m)、軸線35(懸挑12.85 m)、軸線A(懸挑3.375 m)、軸線F(懸挑3.475 m),共6部分。桁架上弦采用鋼管φ245×16到φ245×12,下弦采用φ245×12到φ245×10,中間腹桿φ140×5連接體近似呈圓環(huán)形布置。

2 BIM技術(shù)的應(yīng)用思路

本項(xiàng)目施工存在的難點(diǎn):

(1)本工程鋼結(jié)構(gòu)體量大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝難度大,工期短,技術(shù)要求高,管桁架與土建二次結(jié)構(gòu)、屋面防水、門(mén)窗等裝飾施工存在大量的多專業(yè)交叉作業(yè)問(wèn)題,如何協(xié)調(diào)各個(gè)專業(yè)的施工順序是保證施工進(jìn)度和工程質(zhì)量的重要措施。

(2)屋頂外檐均為懸挑結(jié)構(gòu),構(gòu)件重量大,最大懸挑長(zhǎng)度12.85 m;前池段高度落差約33 m,安裝高度高,同時(shí),受土建及機(jī)電閘門(mén)安裝施工影響,僅可利用原土建布置的4#、6#塔機(jī),局部須配置25 t/50 t汽車吊作為吊運(yùn)工具,空間狹小,吊裝就位困難。因此,對(duì)構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)的安排、安裝設(shè)備的選擇、施工堆場(chǎng)規(guī)劃與布置成為項(xiàng)目考慮的重點(diǎn)。

(3)采用“分塊加工、分段拼裝”施工工藝,對(duì)預(yù)埋件的預(yù)埋、鋼結(jié)構(gòu)的拼裝和安裝精度要求非常高。

本項(xiàng)目利用Tekla Structures軟件建立了鋼結(jié)構(gòu)管桁架的BIM模型[1],并進(jìn)行了施工圖的深化設(shè)計(jì),基于構(gòu)件加工單位現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的加工能力和現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)具的吊裝能力,對(duì)模型進(jìn)行合理拆分,將BIM模型導(dǎo)入物料平臺(tái),對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、半成品加工、安裝等全過(guò)程管控。

通過(guò)使用BIM模型提前對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行建模深化及碰撞檢查,使鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸、位置與土建、幕墻、機(jī)電等專業(yè)的關(guān)系能在模型中清晰地表達(dá)出來(lái),從而完成桁架分段、桿件切割、板材下料等工作。通過(guò)三維模型,及時(shí)發(fā)現(xiàn)各專業(yè)間的碰撞、錯(cuò)、漏、碰、缺等問(wèn)題,及時(shí)解決,避免施工過(guò)程中的返工、停工現(xiàn)象,減少設(shè)計(jì)變更,確保施工進(jìn)度,實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的快速施工,節(jié)約成本。

3 施工工藝流程和操作要點(diǎn)

3.1工藝流程

總體施工工藝流程具體如下:BIM模型建立→深化設(shè)計(jì)→桁架分解、管材下料→加工制作→現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè)及施工準(zhǔn)備→桁架半成品(分塊)加工→半成品安裝→管桁架體系安裝。

3.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 BIM模型建立

根據(jù)施工圖紙,利用Tekla Structures軟件建立BIM模型,各桿件材質(zhì)、尺寸、構(gòu)件所處的位置、構(gòu)件的界面形式、節(jié)點(diǎn)連接信息在構(gòu)件的信息庫(kù)中均有存儲(chǔ)。

3.2.2 深化設(shè)計(jì)及桁架分解下料

結(jié)合測(cè)量復(fù)核的管桁架地腳螺栓的實(shí)際預(yù)埋位置及鋼結(jié)構(gòu)施工圖中構(gòu)件的位置、構(gòu)件截面、節(jié)點(diǎn)技術(shù)要求及施工規(guī)范的規(guī)定,并根據(jù)加工廠的實(shí)際生產(chǎn)條件、現(xiàn)場(chǎng)施工條件,充分考慮運(yùn)輸能力、吊裝能力和安裝能力,采用BIM技術(shù)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行碰撞檢查和二次深化設(shè)計(jì),對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分段,解決構(gòu)件重量大跨度大、安裝高度高、吊裝就位難的問(wèn)題。最后利用Tekla Structures軟件將經(jīng)過(guò)碰撞檢查和二次深化的三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖形,輸出二維的加工圖紙,以便構(gòu)件準(zhǔn)確的制造和安裝[2]。

3.2.3 半成品桁架的組裝

步驟一:將加工廠按照BIM模型分解生產(chǎn)的構(gòu)件運(yùn)輸?shù)戒摻Y(jié)構(gòu)加工廠的指定組裝位置,進(jìn)行半成品組裝。

步驟二:將BIM分段的構(gòu)件模型,按照組裝步驟組裝成鋼桁架半成品[3]。在組裝過(guò)程中須注意采取相應(yīng)的臨時(shí)措施固定牢靠。半成品桁架形式詳見(jiàn)圖1。

圖1 半成品鋼桁架組裝件示意

3.2.4 鋼桁架安裝

以35軸線鋼桁架安裝為例,35軸線鋼桁架懸挑長(zhǎng)度12.85 m,鋼桁架底部離地高度19.9 m,根據(jù)35軸線鋼桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)邊界條件,擬定采用QY50汽車吊單件整體吊運(yùn)組裝?？傮w從上游側(cè)A軸線向下游側(cè)F軸線分段組裝,具體組裝方法如下:

(1)將35軸線鋼桁架縱向和橫向相鄰鋼立柱之間鋼桁架結(jié)構(gòu)分為單個(gè)穩(wěn)定體系,根據(jù)35軸線鋼桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)共分為HJ-1～HJ-5,合計(jì)5部分。其中:HJ-1和HJ-2將鋼柱焊接為整體。構(gòu)件穩(wěn)定體系詳見(jiàn)圖2。

圖2 單個(gè)構(gòu)件穩(wěn)定體系分布示意

(2)從上游側(cè)A軸線向下游側(cè)F軸線依次分段組裝。在鋼結(jié)構(gòu)綜合加工廠將安裝的鋼結(jié)構(gòu)組裝成單個(gè)構(gòu)件體。然后按照HJ-1→HJ-2→HJ-3→HJ-4→HJ-5的順序依次組裝,每次將單個(gè)構(gòu)件體組裝至設(shè)計(jì)位置后,立即對(duì)其加固并固定牢靠。確保安全后,方可開(kāi)展下一個(gè)單個(gè)構(gòu)件體的吊運(yùn)組裝。

(3)將單個(gè)構(gòu)件穩(wěn)定體系組裝并固定完畢后,依次組裝后續(xù)鋼桁架機(jī)構(gòu)并連接成整體。HJ-3和HJ-4與HJ-1、HJ-2之間鋼桁架組裝作業(yè)平臺(tái)次用鋼管搭設(shè)操作平臺(tái)。HJ-5與HJ1、HJ2之間鋼桁架組裝連接,采取在弦桿上固定吊籃作為操作平臺(tái)。組裝完畢后整體形象詳見(jiàn)圖3。

圖3 35軸外懸挑端鋼桁架梁及水平支撐安裝示意

3.3 鋼結(jié)構(gòu)組裝操作要點(diǎn)

結(jié)合BIM模型鋼結(jié)構(gòu)布置結(jié)構(gòu)和組裝施工特點(diǎn)[4],鋼結(jié)構(gòu)組裝具體操作要點(diǎn)如下。

3.3.1 鋼立柱組裝操作要點(diǎn)

3.3.1.1 鋼立柱組裝準(zhǔn)備

鋼立柱組裝施工前,首先做好進(jìn)場(chǎng)構(gòu)件的檢查驗(yàn)收工作,主要包括(但不限于)以下幾個(gè)方面:

(1)仔細(xì)檢查鋼立柱構(gòu)件數(shù)量、種類、規(guī)格是否與下料單相符。

(2)檢查驗(yàn)收鋼立柱單個(gè)構(gòu)件加工質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)要求,嚴(yán)禁不合格構(gòu)件組裝。

(3)仔細(xì)檢查鋼立柱各構(gòu)件的材質(zhì)及材料各項(xiàng)參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)是否與設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)相符。出廠合格證、自檢記錄等資料是否齊全。

3.3.1.2 登高爬梯、操作平臺(tái)等措施

為減少高空安全風(fēng)險(xiǎn),在鋼立柱組裝前,在鋼立柱上設(shè)置鋼爬梯并加固牢靠,以作為臨時(shí)垂直交通。同時(shí),及時(shí)在鋼立柱頂部搭設(shè)人工站位和摘鉤平臺(tái),以便人工操作。

鋼爬梯與鋼立柱可采用鐵絲或小鋼絲繩綁扎固定,若設(shè)計(jì)無(wú)相關(guān)要求,則可采用臨時(shí)焊接固定,但在拆除時(shí)必須磨平焊疤。固定時(shí)特別要注意鋼爬梯兩端和中間部位均須同鋼立柱做可靠固定。使用爬梯時(shí)與自鎖扣配合使用。

施工過(guò)程中爬梯將可能反復(fù)使用,因此須注意檢查鋼梯焊縫和變形情況,若發(fā)現(xiàn)變形,則及時(shí)校正。

操作平臺(tái)在鋼立柱組裝前固定在鋼立柱上。由于鋼立柱上設(shè)置有連接耳板等構(gòu)件,因此,操作平臺(tái)不能從上部安裝;操作平臺(tái)下部為鋼牛腿,因此,也不能從下部安裝。綜上因素,操作平臺(tái)分為兩部分,安裝就位后,再組合成整體。

3.3.1.3 鋼立柱組裝安全鋼護(hù)

為防止鋼立柱組裝時(shí),在主副廠房屋頂面拖拉造成屋面損壞或鋼立柱損傷,因此,在鋼立柱下方采取墊枕木的方式處理,鋼立柱組裝前,提前將登高爬梯安裝并固定完畢。

3.3.1.4 鋼立柱垂直度校正

(1)鋼立柱垂直度整體考慮,采用倒鏈、鋼絲繩將鋼立柱向同一方向牽拉校正。

(2)在主副廠房屋頂面架設(shè)水準(zhǔn)儀,測(cè)量各鋼立柱頂標(biāo)高,根據(jù)鋼立柱之間的標(biāo)高偏差調(diào)整。若存在偏差,可采取切割上節(jié)鋼立柱襯墊板(3 mm內(nèi))或加高墊板(5 mm內(nèi))的方式調(diào)整上節(jié)鋼立柱標(biāo)高偏差。

(3)鋼立柱校正過(guò)程中,在主副廠房屋頂面架設(shè)經(jīng)緯儀,即:在鋼立柱X、Y兩個(gè)方向的軸向上分別架設(shè)一臺(tái),同時(shí)對(duì)鋼立柱的垂直度調(diào)整。具體方法如下:

①當(dāng)鋼立柱吊運(yùn)至安裝位置正上方200 mm時(shí),立即停機(jī)穩(wěn)定,然后對(duì)準(zhǔn)螺栓孔和十字線后,緩慢下落。須注意下落過(guò)程中,避免磕碰地腳螺栓絲扣。

②當(dāng)鋼立柱腳剛剛與基礎(chǔ)面接觸便停止下落,仔細(xì)檢查鋼立柱四邊中心線與基礎(chǔ)十字軸線對(duì)準(zhǔn)情況(四邊要兼顧)和鋼立柱腳下鋼墊板位置、數(shù)量是否正確,如存在不符則立即調(diào)整(調(diào)整時(shí),需三人操作,一人移動(dòng)鋼柱,一人協(xié)助穩(wěn)固,另一人進(jìn)行檢測(cè))。

③調(diào)整鋼立柱的就位偏差控制在3 mm以內(nèi)后,再下落鋼立柱,使之完全與基礎(chǔ)面接觸。然后收緊四個(gè)方向纜風(fēng)繩,擰緊地腳鎖緊螺母。若受環(huán)境條件限制,不能拉設(shè)纜風(fēng)繩時(shí),則采取在相應(yīng)方向上以硬支撐的方式固定和校正。

④首先,在鋼立柱柱身標(biāo)定標(biāo)高基準(zhǔn)點(diǎn),然后,以水準(zhǔn)儀測(cè)定其差值,通過(guò)調(diào)整鋼立柱腳底板下螺母來(lái)調(diào)整鋼柱標(biāo)高和垂直偏差,或增加、減少鋼立柱腳底板下斜墊片和墊塊調(diào)整鋼立柱標(biāo)高。鋼立柱墊板、基礎(chǔ)面及鋼立柱地面三者必須保持平整,接觸緊密。在澆筑鋼立柱外包混凝土前,墊板間必須焊接牢固可靠。

⑤當(dāng)受螺桿長(zhǎng)度影響,螺帽無(wú)法調(diào)整時(shí),可以在基礎(chǔ)上設(shè)置墊板墊平。即:在鋼立柱四角設(shè)置墊板,由測(cè)量隊(duì)專業(yè)人員跟蹤抄平,使鋼立柱直接安裝就位即可。每組墊板宜不多于4塊。鋼立柱墊板、基礎(chǔ)面及鋼立柱地面三者必須保持平整,接觸緊密。

(4)鋼立柱校正完畢后,在鋼立柱頂部采用鋼卷尺丈量?jī)筛摿⒅g距離,復(fù)核間距準(zhǔn)確無(wú)誤后,方可進(jìn)入下一道工序。

3.3.1.5 梁、柱臨時(shí)固定

在加工廠提前將鋼桁架梁制作成單榀運(yùn)至安裝現(xiàn)場(chǎng),采用塔吊(或汽車吊)進(jìn)行吊裝,調(diào)至相應(yīng)位置后進(jìn)行焊接固定,以達(dá)成穩(wěn)定體系。臨時(shí)固定詳見(jiàn)圖4。

圖4 梁、柱臨時(shí)固定示意

3.3.2 鋼桁架梁組裝操作要點(diǎn)

鋼桁架梁在鋼立柱校正復(fù)核完畢后開(kāi)展,鋼桁架梁組裝采用兩點(diǎn)對(duì)稱綁扎吊運(yùn)就位組裝的方式。鋼桁架起吊后距鋼立柱基準(zhǔn)面100 mm時(shí)慢慢就位,待鋼桁架就位后,對(duì)接調(diào)整校正,然后固定連接。鋼桁架組裝時(shí),隨時(shí)組裝隨時(shí)采用經(jīng)緯儀校正,有偏差隨時(shí)糾正。

(1)鋼桁架組裝前注意事項(xiàng)

①鋼桁架梁組裝前,及時(shí)清理主副廠房屋頂表面污物,對(duì)產(chǎn)生浮銹的連接板和摩擦面在組裝前進(jìn)行除銹處理。

②鋼桁架組裝前,對(duì)鋼桁架兩端螺栓連接孔檢測(cè),同時(shí)對(duì)鋼桁架組裝所需兩根鋼立柱牛腿間尺寸檢查核對(duì),以確保鋼桁架高空對(duì)接精度。

③鋼桁架標(biāo)高和軸線校正過(guò)程中,必須確保已安裝完畢鋼桁架結(jié)構(gòu)整體安裝精度。

④鋼桁架翼板與鋼立柱牛腿間對(duì)接焊縫時(shí),嚴(yán)格按照焊接原則施焊:鋼立柱兩側(cè)對(duì)稱施焊。

(2)鋼桁架組裝就位及臨時(shí)固定措施

鋼桁架嚴(yán)格按照BIM模型的位置組裝就位,施工過(guò)程必須注意鋼桁架的靠向。針對(duì)鋼桁架焊接和高強(qiáng)螺栓連接操作平臺(tái)采用吊籠。操作平臺(tái)吊籠需反復(fù)使用,因此,過(guò)程中注意仔細(xì)檢查鋼桁架與吊籠接觸點(diǎn)情況及圓鋼節(jié)點(diǎn)焊接情況(是否有脫焊情況、焊縫是否存在裂紋等)。

(3)墻面檁條安裝操作要點(diǎn)

由于檁條截面較小,重量較輕,因此,擬定采取成片吊運(yùn)組裝的方式。檁條校正主要包括:間距、平直度等內(nèi)容。間距檢查采取利用樣桿順著檁條桿件之間來(lái)回移動(dòng),若存在誤差,則放松或擰緊螺栓校正。平直度采取拉線和鋼尺檢查的方式校正,最后采用螺栓固定牢靠。

4 BIM技術(shù)的特點(diǎn)

4.1 模擬施工方案

施工準(zhǔn)備階段,借助Tekla Structures軟件建立BIM模型,根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)狀和特點(diǎn),對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬進(jìn)度編排,全方位地梳理鋼桁架桿件,充分結(jié)合各種數(shù)據(jù)信息制定更加科學(xué)可行的拼裝方案,為施工方案及管控措施的制定提供可靠的數(shù)據(jù)參數(shù)[5],通過(guò)模擬可以驗(yàn)證施工方案的合理性、可靠性和安全性。

4.2 可視化技術(shù)交底

BIM技術(shù)能夠通過(guò)建筑模型將鋼結(jié)構(gòu)的成型效果展示出來(lái),能夠直觀地看到不同構(gòu)件間的聯(lián)系,能夠更好地對(duì)圖紙進(jìn)行優(yōu)化,完成各專業(yè)之間的碰撞檢測(cè)、預(yù)留預(yù)埋等;同時(shí),利用BIM模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)交底。一方面,有助于施工人員直觀了解自身的任務(wù)和技術(shù)要求;另一方面,能夠有效提高信息傳遞的準(zhǔn)確性和及時(shí)性,最大限度地避免在施工過(guò)程中發(fā)生技術(shù)問(wèn)題,降低返工概率。

4.3 經(jīng)濟(jì)效果高

BIM技術(shù)不僅可以提高工作效率,還能對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的人、材、機(jī)及施工工序等進(jìn)行科學(xué)合理的分配和調(diào)整,有效地控制工程成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)蜀山泵站鋼結(jié)構(gòu)管桁架施工的經(jīng)驗(yàn),建立BIM鋼結(jié)構(gòu)模型,對(duì)工程進(jìn)行可視化分析,有效降低了施工難度,加快了施工進(jìn)度,同時(shí),具有良好的經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)后續(xù)類似工程施工具有較好的參考及借鑒價(jià)值。