基于BIM 技術(shù)的核電廠結(jié)構(gòu)模塊就位安裝

劉虹澤，朱茂林，劉 帥

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院股份有限公司，上海 201100）

0 引言

核電作為一種穩(wěn)定高效的清潔能源，近年來在我國發(fā)展迅速。核電建造工藝的提升也勢在必行，通過模塊化施工，不僅能提升核電現(xiàn)場建造進(jìn)度，同時(shí)有利于核電現(xiàn)場建造質(zhì)量的控制，因此模塊化施工在核電廠建造中的應(yīng)用也越來越廣泛。但大型結(jié)構(gòu)模塊的就位安裝工作也對現(xiàn)場施工提出了新的考驗(yàn)。BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)的應(yīng)用很好地解決了大型結(jié)構(gòu)模塊就位安裝時(shí)的干涉問題。

1 概念介紹

1.1 模塊

模塊是指一個(gè)由材料和部件組裝而成的組合件。模塊化施工是一種先進(jìn)的施工理念，它對傳統(tǒng)施工理念進(jìn)行優(yōu)化，大量引入平行作業(yè)，使廠內(nèi)的使用作業(yè)從串行施工變?yōu)椴⑿惺┕?。依靠先進(jìn)技術(shù)，將土建、安裝、調(diào)試等工序進(jìn)行深度交叉，從而大大縮短了核電站建設(shè)工期，進(jìn)而降低工程造價(jià)。典型非能動核電廠的模塊主要分為機(jī)械模塊、結(jié)構(gòu)模塊、免拆除澆筑模板、樓梯模塊等。

1.2 結(jié)構(gòu)模塊

結(jié)構(gòu)模塊一般由鋼板和型鋼及內(nèi)部混凝土構(gòu)成，形成完成廠房的結(jié)構(gòu)。其目的是取代傳統(tǒng)的棒式鋼筋綁扎和模板材料支設(shè)。一旦將組裝好的模塊安裝就位，混凝土澆筑施工就能與房間完成和設(shè)備模塊安裝平行進(jìn)行。典型的結(jié)構(gòu)模塊主要包括兩側(cè)面板、兩側(cè)面板中起支撐和連接作用的型鋼、面板內(nèi)側(cè)的剪力釘?shù)龋▓D1）。

以CA20 結(jié)構(gòu)模塊為例，該模塊是結(jié)構(gòu)模塊中最大的模塊之一，位于輔助廠房6 區(qū)（1/K 軸-N 軸與2 軸-4 軸線之間區(qū)域）標(biāo)高-10.200 m 的底板上，主要用于乏燃料的貯存、傳輸、熱交換以及廢物收集等，是由27 個(gè)墻體模塊和18 個(gè)樓板模塊及角鋼梁構(gòu)成的箱盒板式鋼構(gòu)構(gòu)筑物，具體安裝位置如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)模塊位置

模塊的外形尺寸為17.75 m×15.55 m×22.85 m（長×寬×高，圖3），外形尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其就位底板布置大量插筋，就位時(shí)與模塊墻體內(nèi)的型鋼、剪力釘以及模塊內(nèi)已安裝好的管道等結(jié)構(gòu)沖突的風(fēng)險(xiǎn)極大（圖4）。如果在就位過程中處理干涉問題，則會增加吊裝風(fēng)險(xiǎn)，因此提前識別并消除干涉，對于CA20模塊的就位安裝至關(guān)重要。

圖3 CA20 模塊外形

圖4 CA20 模塊就位基礎(chǔ)

1.3 BIM 技術(shù)

BIM 是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，是基于三維圖形、物件導(dǎo)向、建筑學(xué)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。目前，國內(nèi)BIM 技術(shù)在民建施工中的應(yīng)用已趨于成熟，針對道路、橋梁的BIM 技術(shù)應(yīng)用也在逐步深化中。在核電建設(shè)土建施工過程中，BIM 技術(shù)的應(yīng)用還在初步探索階段[1]。BIM 模塊化施工的核心理念是“虛擬建造，事前反饋”[2]。

2 基于BIM 技術(shù)的CA20 結(jié)構(gòu)模塊就位安裝

利用BIM 技術(shù)，在CA20 模塊的安裝就位前對基礎(chǔ)部位的鋼筋和模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，提前識別出干涉部位，并按照允許的技術(shù)要求進(jìn)行處理，能有效避免吊裝時(shí)的干涉問題，降低吊裝風(fēng)險(xiǎn)，其主要包括數(shù)據(jù)采集、碰撞檢測、干涉處理3 個(gè)步驟。

2.1 數(shù)據(jù)采集

設(shè)計(jì)圖紙中已經(jīng)提供了結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)的型鋼、剪力釘及模塊基礎(chǔ)上鋼筋等的布置位置，但在實(shí)際執(zhí)行過程中會產(chǎn)生各種偏差最終導(dǎo)致干涉碰撞的產(chǎn)生，產(chǎn)生偏差的因素如下：

（1）結(jié)構(gòu)模塊拼裝過程中焊接引起的模塊變形。

（2）結(jié)構(gòu)模塊吊裝、翻轉(zhuǎn)過程中由于磕碰等原因引起的模塊變形。

（3）結(jié)構(gòu)模塊組裝拼裝過程中產(chǎn)生的累計(jì)誤差。

（4）模塊基礎(chǔ)澆筑過程中鋼筋發(fā)生位移。

因此，僅用設(shè)計(jì)圖紙中的數(shù)據(jù)進(jìn)行BIM 模型的搭建來進(jìn)行碰撞檢測是不可行的，應(yīng)結(jié)合圖紙利用三維掃描儀器對實(shí)體進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，并用采集的數(shù)據(jù)來搭建BIM 模型（圖5、圖6）。

圖5 三維掃描儀器

圖6 三維掃描數(shù)據(jù)收集

2.2 碰撞檢測

在數(shù)據(jù)采集完成后，可利用合適的軟件平臺建立BIM 模型。BIM 技術(shù)在國際上已有上百種相關(guān)軟件，針對不同的問題采取不同的軟件能在保證節(jié)省效率的同時(shí)提高模型精度[3]。常見的軟件平臺有Autodesk Revit、Tekla、Rhino、ArchiCAD 等，其中Revit軟件具備相對簡單、操作界面友善、兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

完成BIM 模型的建立后可導(dǎo)出WC/IFC/DXF 格式文件，將其導(dǎo)入到Navisworks 碰撞檢測軟件中進(jìn)行檢測，校核精確度，可得到節(jié)點(diǎn)碰撞模型（圖7）。

圖7 整體干涉

2.3 干涉處理

在得到節(jié)點(diǎn)干涉碰撞模型后，可依照設(shè)計(jì)允許的方式進(jìn)行干涉處理。常見的處理方式有修改結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)的構(gòu)件和修改基礎(chǔ)鋼筋。

2.3.1 修改基礎(chǔ)鋼筋

當(dāng)結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)的構(gòu)件與基礎(chǔ)發(fā)生干涉時(shí)，一般采取修改基礎(chǔ)鋼筋的方式來進(jìn)行干涉處理，該處理方式主要包含兩類。

2.3.1.1 鋼筋彎曲避讓

當(dāng)模塊內(nèi)的構(gòu)件與基礎(chǔ)鋼筋干涉較小，通過適當(dāng)避讓即可規(guī)避時(shí)，可采用彎曲鋼筋的形式進(jìn)行避讓。鋼筋適當(dāng)?shù)膹澢粫绊懫渖烊牖炷恋拈L度和與混凝土的接觸面積，即不會影響整體的受力和結(jié)構(gòu)性能，因此可做適當(dāng)彎曲來進(jìn)行干涉避讓，對于易操作的鋼筋可直接進(jìn)行綁扎彎曲，對于不易彎曲的鋼筋可按照設(shè)計(jì)批準(zhǔn)后的方式進(jìn)行熱彎處理（圖8）。

圖8 鋼筋彎曲避讓

2.3.1.2 切割鋼筋并恢復(fù)

當(dāng)干涉情況較嚴(yán)重，不能通過鋼筋彎曲進(jìn)行排除時(shí)，可在吊裝之前進(jìn)行部分切除，待模塊就位后恢復(fù)。鋼筋恢復(fù)采用全焊透對接焊的形式進(jìn)行焊接，焊接接頭采用100 % 目測及磁粉檢測，鋼筋恢復(fù)后需保證至原設(shè)計(jì)高度。在進(jìn)行鋼筋恢復(fù)時(shí)，需要對模塊本體進(jìn)行切割創(chuàng)造鋼筋恢復(fù)和焊接空間，鋼筋恢復(fù)完成后對模塊切割部位進(jìn)行恢復(fù)，恢復(fù)鋼板開坡口，進(jìn)行單V 全熔透焊接。

2.3.2 修改模塊內(nèi)的構(gòu)件

除修改基礎(chǔ)鋼筋外，還可以通過修改模塊內(nèi)構(gòu)件位置的方式進(jìn)行干涉避讓。以修改剪力釘位置為例，對于剪力釘?shù)男薷目刹捎脧澢茏尯筒鸪蠡謴?fù)兩種方式：剪力釘彎曲避讓，一般可將剪力釘扳彎不超過30°，待吊裝就位完成后復(fù)位到不超過15 °，且彎弧直徑不小于4 d，復(fù)位后檢查根部焊縫是否有裂紋，保證不影響剪力釘強(qiáng)度。若需切除剪力釘，可在吊裝之前進(jìn)行切除，在切除時(shí)應(yīng)采取措施避免傷及母材，吊裝完成后在被切除剪力釘周圍75 mm 內(nèi)恢復(fù)被切除的剪力釘。

3 總結(jié)

在結(jié)構(gòu)模塊就位安裝前，利用BIM 技術(shù)對結(jié)構(gòu)模塊及其就位基礎(chǔ)進(jìn)行碰撞檢測，能有效地識別出干涉部位，從而使得干涉問題得以提前處理，降低結(jié)構(gòu)模塊吊裝就位過程中的風(fēng)險(xiǎn)。以CA 20 結(jié)構(gòu)模塊就位安裝為例，對結(jié)構(gòu)模塊利用BIM 技術(shù)進(jìn)行碰撞檢查并處理干涉的過程進(jìn)行了總結(jié)，為后續(xù)結(jié)構(gòu)模塊的就位安裝提供參考。