大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房快速建造技術(shù)研究

張新禮，杜營飛，張 浩，郝慧昌（上港集團(tuán)瑞祥房地產(chǎn)發(fā)展有限責(zé)任公司，上海 200120）

0 引 言

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新能源產(chǎn)業(yè)帶動了一批產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。很多工業(yè)建筑都是以園區(qū)的形式呈現(xiàn)，在工業(yè)廠房的建造中，廠房結(jié)構(gòu)通常采用單層鋼架或排架體系[1]，新能源汽車廠也是如此。汽車制造企業(yè)的專業(yè)化水平比較高，擁有大量的專用生產(chǎn)線和設(shè)備，因此，為了適應(yīng)生產(chǎn)的需求，采用了多種形式的大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房在同一時間內(nèi)施工，建立大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房園區(qū)[2]。這種群體廠房的建設(shè)需要工作人員、設(shè)備和材料等多種資源共同支持，需要統(tǒng)籌考慮群體廠房的施工質(zhì)量、施工進(jìn)度和施工環(huán)境安全，有效控制施工成本。因此，國內(nèi)有研究學(xué)者針對工業(yè)大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房的建設(shè)展開研究。

張笑冬等[3]選擇成都京東方潔凈廠作為廠房建造施工的研究對象，通過2臺機(jī)械的抬吊、滑移、分段安裝、起重機(jī)上樓和筏板預(yù)留槽，完成鋼梁的吊裝施工；通過液壓整體吊裝、滑動、分段裝配和全橋吊裝，完成桁架鋼結(jié)構(gòu)的施工。實踐表明，在不同的地區(qū)和環(huán)境條件下，采用合適的施工工藝可以獲取更高的效益。馬云龍等[4]考慮到將鋼框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用到大跨鋼結(jié)構(gòu)廠房中，會導(dǎo)致建造時的鋼梁撓度大于限值，提出鋼梁加固分析。通過監(jiān)測加固之前鋼梁的頂升過程，對比分析了結(jié)構(gòu)的受力情況和變形情況。采用該頂?shù)踉O(shè)備完成鋼梁的頂升，制訂鋼框架梁的加固頂升方案，采用鋼框架梁進(jìn)行頂板加固，既能滿足目前起重機(jī)梁的通行要求，又能保證結(jié)構(gòu)的安全性。上述建造技術(shù)雖然能夠滿足大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房的建設(shè)需求，但是受到實際施工地點和施工環(huán)境的影響，建造群體廠房耗時較長，施工進(jìn)度控制效果不佳，施工效率較低，導(dǎo)致最終的施工成本也受到了影響，增加了建設(shè)投資成本。

為了提高群體廠房的建設(shè)速度，本文引進(jìn)BIM技術(shù)，設(shè)計一種大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房快速建造方法，加快群體廠房建造的進(jìn)度，實現(xiàn)大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房快速建造，提高整體施工效率。

1 基于BIM技術(shù)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房快速建造施工技術(shù)設(shè)計

1.1 工程概況

本文以商丘華商物流投資有限公司新建廠房（二期）項目為研究對象，該項目是福田汽車基于新能源業(yè)務(wù)發(fā)展戰(zhàn)略布局及深耕中原區(qū)域的目標(biāo)，更好地服務(wù)河南市場的需要，通過政企合作共同打造一個集綠色、環(huán)保、科技、智能于一體的新能源商用車制造基地。該項目由商丘華商物流投資有限公司承建，園區(qū)中的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完成后，以出租的形式，交由福田汽車進(jìn)行設(shè)備安裝、調(diào)試、生產(chǎn)等活動。項目的總投資為11億元，整個工程的占地面積約20萬m2，其中有8.6萬m2為建筑面積。二期項目工程包括RDC倉庫、聯(lián)合廠房、油漆車間、危廢庫、垃圾站和污水處理站等單體。車間為單層鋼結(jié)構(gòu)建筑，局部為2～3層，基礎(chǔ)有獨立基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)2種形式。項目建成后可年產(chǎn)新能源汽車3萬輛。二期項目于2022年1月開工，計劃于2023年12月竣工。

1.2 BIM技術(shù)應(yīng)用

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱“BIM”）是一種現(xiàn)代信息社會數(shù)據(jù)化管理工具，是結(jié)合計算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的多維建筑模型信息集成管理技術(shù)，現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計、工程建造和工程管理中。可利用三維可視化技術(shù)對建設(shè)工程進(jìn)行設(shè)計，并模擬建設(shè)過程全生命周期，將全部建設(shè)信息進(jìn)行集成，有利于項目建設(shè)過程的全周期管理。

借助BIM5D云平臺將BIM模型應(yīng)用到大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房快速建造中[5]，將BIM模型與進(jìn)度計劃相關(guān)聯(lián)，根據(jù)BIM模型獲取廠房墻、屋面板的面積，安裝所需的裝飾材料數(shù)量，門窗、樓梯和屋頂?shù)拈_孔情況等信息，模擬形象進(jìn)度，可形象獲得建筑物隨時間“成長”的過程，得到任一時間節(jié)點完成該分部分項（單位工程）工程所需的資源（包括材料、機(jī)械設(shè)備、勞動力和資金等），形成施工進(jìn)度曲線，為資源的精準(zhǔn)投入提供依據(jù)，減少因資源投入無序和不足造成的工期延誤情況。采用安贏數(shù)智項目管控平臺，利用BIM模型有效集成項目信息，以多方面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)項目業(yè)務(wù)一站式管理，促進(jìn)施工生產(chǎn)與過程管控。

使用PKPM或者Staad/Pro等結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，輸出IFC格式，然后導(dǎo)入BIM軟件，由軟件進(jìn)行運算，自動生成大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房建設(shè)模型。利用BIM模型將項目建造過程以3D可視化的形式直觀、形象地展現(xiàn)出來，可提供建設(shè)信息的添加、查詢、更新和實時訪問的可視化操作，實現(xiàn)項目的快速建設(shè)，提供施工效率?？梢暬脚_鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢索示意圖如圖1所示。

圖1 可視化平臺鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢索示意圖

采用Tekla Structures軟件與Staad/Pro軟件協(xié)同設(shè)計的方法[6]，實現(xiàn)大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在Tekla Structures軟件中，構(gòu)建數(shù)據(jù)分析模型和物理模型，獲取廠房結(jié)構(gòu)的荷載組合；將數(shù)據(jù)分析模型導(dǎo)入到Staad/Pro軟件中，利用Tekla Structures軟件中的基本荷載工況，分別進(jìn)行荷載組合、結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析以及截面優(yōu)化；向Tekla Structures軟件中導(dǎo)入優(yōu)化截面和結(jié)構(gòu)力學(xué)信息，實現(xiàn)大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計。群體廠房效果圖如圖2所示。

圖2 群體廠房效果圖

1.3 快速建造施工技術(shù)

1.3.1 拼 裝

根據(jù)設(shè)計圖紙要求，對鋼結(jié)構(gòu)柱及單元組合梁進(jìn)行拼裝。拼裝方式包括焊接、鉚接和螺栓連接。其中，螺栓連接中的扭剪型高強(qiáng)螺栓受力能力較強(qiáng)，拆換較為方便，并且能夠承受動力荷載，在實際應(yīng)用中具有便捷、安全的特點。使用扭剪型高強(qiáng)螺栓，將組合梁兩端緊固。

組合梁的端部預(yù)鉆孔，螺栓的數(shù)量為600個，間距為300 mm。吊裝前將鋼桁梁上的鋼梁、斜柱支座螺母擰緊形成一個整體。拼裝時要保持橫梁、桁架、主梁和次梁的長度方向平行、高度方向一致，水平方向≥70 mm。構(gòu)件拼裝完成后用水平尺測量其與支架和立柱之間的水平位移量，并做好標(biāo)記。在固定梁時要對構(gòu)件進(jìn)行預(yù)拉伸試驗，確認(rèn)其受力狀態(tài)良好后方可進(jìn)行吊裝。拼裝完成后進(jìn)行檢測、復(fù)檢，確保拼接連接準(zhǔn)確可靠。最后進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)，直至其強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后進(jìn)行吊裝。保證每根構(gòu)件都有足夠的剛度和穩(wěn)定性。

1.3.2 節(jié)點連接

大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房的主次梁連接節(jié)點是連接不同構(gòu)件的重要節(jié)點[7]，應(yīng)注意把握其承載力、彈性模量、屈服極限以及塑性變形等性能指標(biāo)，并滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。連接節(jié)點主要由梁端連接梁、支撐構(gòu)件、連接節(jié)點和連接件組成。根據(jù)每一個構(gòu)件獨立的平面布置圖中的尺寸要求，選取合適的節(jié)點形式。根據(jù)節(jié)點的數(shù)量計算節(jié)點中心線應(yīng)在同一水平面上。為了保證節(jié)點連接不出現(xiàn)空位、錯位情況，節(jié)點要采用錨固節(jié)點連接的做法。如采用螺栓連接，要保證螺栓強(qiáng)度與基礎(chǔ)水平，由于其具有剛度較小、承載力較高的特點，且節(jié)點與螺栓之間形成合力后具有一定的變形量，故其承載力較低。若采用焊接連接，由于節(jié)點本身采用焊接的結(jié)構(gòu)方式連接，在焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷，使連接強(qiáng)度大大降低。因此，必須要確保焊接后不出現(xiàn)松動現(xiàn)象，將連接部分焊接完成后應(yīng)對其進(jìn)行檢驗與調(diào)整。

1.3.3 節(jié)點連接部位焊接

節(jié)點連接部位焊接質(zhì)量的好壞，直接影響到工程質(zhì)量。為了實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)的有效連接，在應(yīng)用焊接技術(shù)時，盡可能避免鋼結(jié)構(gòu)工程因連接處不當(dāng)操作而形成的焊接縫隙[8]。對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房節(jié)點焊接，焊接前應(yīng)首先了解其構(gòu)造、結(jié)構(gòu)特點及施工要求，并對相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，確保焊接質(zhì)量可靠。焊接前應(yīng)對各焊件進(jìn)行外觀檢查，對焊縫不均勻率進(jìn)行校核及焊縫強(qiáng)度試驗，保證焊縫質(zhì)量的同時，避免出現(xiàn)焊接不牢固的現(xiàn)象。焊件應(yīng)符合設(shè)計要求并滿足焊接強(qiáng)度的要求，接頭表面應(yīng)光潔、無砂眼。焊縫應(yīng)均勻，間隙控制在1/2范圍內(nèi)，邊緣及兩面均應(yīng)無漏焊，焊縫有缺陷時不得超過3處。焊接時，必須用電弧焊進(jìn)行熔化保護(hù)。焊件的焊接接頭在焊接前應(yīng)進(jìn)行焊接強(qiáng)度試驗及焊工的無損檢測和外觀檢查，檢驗合格后就可以進(jìn)行節(jié)點安裝。節(jié)點連接部位應(yīng)采用同位素焊條進(jìn)行焊接。焊接應(yīng)確保焊接質(zhì)量可靠，焊件表面應(yīng)平整光滑、光潔、無裂紋和氣孔，焊縫熔深符合要求。焊接接頭應(yīng)按設(shè)計要求處理好各焊縫，外觀質(zhì)量檢查符合要求后，方可進(jìn)行下一道工序施工。焊接過程中焊接熱輸入不超過150 ℃，以滿足焊接接頭在連接時的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

1.3.4 主梁制作

大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房的主梁由腹桿和立柱組成，2個立柱的受力在2個支座處連接，立柱可直接通過焊接連接而成，上部采用桁架或框架結(jié)構(gòu)的桿件以加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的剛度，減少局部荷載下拉應(yīng)力和剪力，減少了廠房的變形；下部通過腹桿與節(jié)點板之間產(chǎn)生剪切力，在節(jié)點處設(shè)置拉桿與受力柱。采用桁架連接的主梁由梁節(jié)點、橫梁和桁架組成的網(wǎng)架體系構(gòu)成[9]。大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房采用大跨度整體柱系桁架形式焊接成為單元組合梁體系。主梁應(yīng)符合設(shè)計規(guī)范要求、設(shè)計圖紙要求，并滿足結(jié)構(gòu)承載力和抗震設(shè)計要求。

1.4 檢查、驗收

大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房桁架吊裝采用懸臂吊裝，桁架就位后，進(jìn)行分段吊裝，應(yīng)嚴(yán)格按施工順序進(jìn)行，避免因桁架吊裝順序錯誤從而影響屋面及其他建筑物的進(jìn)度。在吊裝前，應(yīng)將各桁架與主次梁進(jìn)行連接牢固，注意不要在每個構(gòu)件上布置節(jié)點鋼柱，以保證節(jié)點受力的穩(wěn)定性。吊裝前對吊裝場地進(jìn)行清理和衛(wèi)生檢查，在吊裝過程中要保證構(gòu)件處于水平狀態(tài)，以保證桁架不受影響。吊裝前應(yīng)按設(shè)計要求進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時糾正，確保吊裝時無遺漏。吊裝前須對桁架進(jìn)行檢查、驗收。主要包括以下幾點：

（1）檢查桁架是否有開裂、變形、脫節(jié)等缺陷；

（2）檢查桁架截面尺寸是否符合設(shè)計要求；

（3）檢查吊裝荷載是否合理。

在桁架上設(shè)置限位裝置并檢查其狀態(tài)，不允許超出限位范圍。對桁架上的螺栓應(yīng)采取相應(yīng)預(yù)埋件予以固定，在桁架吊臂就位前要做好支撐點預(yù)張拉準(zhǔn)備。吊裝時用千斤頂對焊縫進(jìn)行檢查，若焊縫存在不齊等缺陷時，應(yīng)及時糾正，必要時做表面預(yù)處理，調(diào)整支座位置。同時要調(diào)整吊鉤位置及偏移量，調(diào)整到要求位置。吊裝時保證所有桁架連接牢固，調(diào)整桿件使其與主次梁受力軸線一致，適當(dāng)增加桁架的抗拉強(qiáng)度，以減小水平荷載，使桿件扭轉(zhuǎn)變形減小而產(chǎn)生拉力[10]。每一節(jié)桁架都應(yīng)進(jìn)行力矩校核分析并按規(guī)定進(jìn)行校核，校對吊裝過程中各桁架的位置和荷載變化情況及吊裝參數(shù)，調(diào)整桁架軸線及其間距。

2 效果分析

為檢驗應(yīng)用大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房快速建造技術(shù)進(jìn)行群體廠房建造的有效性，對現(xiàn)階段建設(shè)效果展開分析。商丘華商物流投資有限公司新建廠房（二期）項目工程包括RDC倉庫、聯(lián)合廠房、油漆車間、危廢庫、垃圾站和污水處理站等單體，由于該項目整體施工還未完成，因此對已完成的部分項目進(jìn)行分析。

油漆車間主體結(jié)構(gòu)的建設(shè)于2022年9月30日完成，油漆車間箱型柱高度在21.4～22.5 m之間，車間內(nèi)部為2～3層，鋼柱也分為3層安裝。根據(jù)工期計劃，主要鋼結(jié)構(gòu)需要在35 d內(nèi)完成3層的鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、安裝工作，重量約1 500 t。但由于油漆車間箱型柱分為多層安裝，需要大量的現(xiàn)場焊接作業(yè)，且均在高空作業(yè)，不易于質(zhì)量控制和施工安全防護(hù)；箱型柱分為多層拼接，工期緊張，存在工程量較大的困難。因此，通過BIM技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，施工過程模擬驗算，桁架深化分段，車間分段胎架預(yù)拼裝，桁架間采用高強(qiáng)螺栓連接形式，采用模塊化制作，現(xiàn)場整體拼裝、吊裝的方式，有效縮短施工周期、減小高空作業(yè)量，在開工后第30 d完成油漆車間主體結(jié)構(gòu)建設(shè)施工，滿足工期進(jìn)度要求，實現(xiàn)了大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房快速建造。

為檢驗施工技術(shù)的有效性，根據(jù)GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》，對油漆車間主體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量進(jìn)行檢測。規(guī)范要求，鋼結(jié)構(gòu)整體垂直度的允許偏差不應(yīng)大于25.00 mm；鋼結(jié)構(gòu)整體平面彎曲的允許偏差不應(yīng)大于25.00 mm；焊縫坡口角度允許偏差±5°；柱子定位軸線允許偏差1.00 mm。

隨機(jī)選取10個驗收點標(biāo)記為A～J點，檢驗施工結(jié)果是否滿足規(guī)范要求。驗收數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 油漆車間主體結(jié)構(gòu)驗收數(shù)據(jù)

由表1可知，油漆車間主體結(jié)構(gòu)的整體垂直度偏差、整體平面彎曲偏差、焊縫坡口角度偏差和柱子定位軸線偏差均能夠滿足規(guī)范要求，說明施工質(zhì)量滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)，能夠使大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房項目在快速建造的同時實現(xiàn)高質(zhì)量的施工。

3 結(jié) 語

本文對大跨度鋼結(jié)構(gòu)群體廠房快速建造技術(shù)進(jìn)行研究，并通過工程驗收證明該技術(shù)可在快速建造的同時實現(xiàn)高質(zhì)量的施工。在之后的研究中，將對廠房建造風(fēng)險進(jìn)行評估和廠房在建造過程中產(chǎn)生的建筑垃圾量進(jìn)行重點關(guān)注，在保證群體廠房后期使用安全性的同時，保護(hù)施工環(huán)境，實現(xiàn)綠色環(huán)保施工。