特大型垃圾發(fā)電廠房曲面裝配式施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

劉永路

中國(guó)機(jī)械工業(yè)機(jī)械工程有限公司 河南 鄭州 450051

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

圖1 深圳市東部環(huán)保電廠效果圖

深圳市東部環(huán)保電廠項(xiàng)目選址用地位于深圳市龍崗區(qū)，廠區(qū)總用地面積約26萬(wàn)㎡，建筑面積約186144㎡。該垃圾發(fā)電廠建成后，可用作東部環(huán)保電廠的灰渣綜合利用及處置場(chǎng)，將是全球單廠規(guī)模最大、標(biāo)準(zhǔn)最高的垃圾焚燒發(fā)電廠，預(yù)計(jì)每天可以處理約5000噸垃圾，每年將可處理深圳市2000萬(wàn)居民年垃圾總量的1/3。綜合主廠房透空圍護(hù)區(qū)域設(shè)置外部圓形透空圍護(hù)結(jié)構(gòu)，將卸料平臺(tái)、垃圾池、鍋爐、除渣間、汽機(jī)房、煙氣凈化設(shè)施、引風(fēng)機(jī)等六條焚燒線的主生產(chǎn)線均布置在其中。截止目前屬全球最大垃圾焚燒電廠，落成后有效將生產(chǎn)、辦公、生活、教育、旅游結(jié)合一起，形成“五位一體”綠色垃圾焚燒電廠，此項(xiàng)目總體造型是由母線傾角74°的圓錐體削去尖角形成，底部平面為直徑326m的圓形，屋面直徑294.2m，坡度為4°。煙囪處為屋面最低點(diǎn)，高度為45.16m；屋面最高處標(biāo)高65.74m。屋面網(wǎng)架為正方四角錐單層口空網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由弦桿、腹桿、焊接球和螺栓球連接組成[1]。

2 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)

1、依托深圳市東部環(huán)保電廠項(xiàng)目對(duì)超大型異形曲面工業(yè)廠房測(cè)量技術(shù)；利用現(xiàn)場(chǎng)三級(jí)控制測(cè)量點(diǎn)，對(duì)大型工業(yè)廠房的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量定位，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋到三維模型中，然后利用三維模型進(jìn)行精準(zhǔn)下料生產(chǎn)，保證現(xiàn)場(chǎng)的安裝精度。

2、利用三維建模標(biāo)準(zhǔn)化拆分下料和工廠化預(yù)制加工技術(shù)；三萬(wàn)多米的非標(biāo)準(zhǔn)三角百葉金屬幕墻異形構(gòu)件通過(guò)三維建模和標(biāo)準(zhǔn)化拆分成22個(gè)通用尺寸構(gòu)件，通過(guò)工廠化預(yù)制加工生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。利于提前加工制作，極大的縮短了工期，減少了場(chǎng)地占用時(shí)間，并大大減少了材料損耗和構(gòu)件出錯(cuò)率。

3、裝飾構(gòu)件裝配式安裝技術(shù)；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)與理論模型數(shù)據(jù)核對(duì)，利用金屬幕墻檁條安裝進(jìn)行尺寸調(diào)整，使22個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的金屬幕墻構(gòu)件可以順利裝配式安裝，節(jié)約了工作效率。

4、解決大型工業(yè)廠房去工業(yè)化建設(shè)過(guò)程中異形裝飾結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安裝技術(shù)，通過(guò)三維建模技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化加工預(yù)制技術(shù)，將異形金屬裝飾構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化施工，本課題的研究為以后的工廠去工業(yè)化類似項(xiàng)目提供技術(shù)指導(dǎo)，其綜合效益顯著。

3 異型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主控分析

目前深圳市東部電廠項(xiàng)目異形曲面結(jié)構(gòu)是國(guó)內(nèi)最大透空網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，金屬幕墻+側(cè)墻桁架的三角弧面百葉+屋面環(huán)形跑道+通風(fēng)百葉+虹吸系統(tǒng)+BIPV光伏系統(tǒng)的組合形式和連接構(gòu)件模塊化安裝的設(shè)計(jì)理念。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)況特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮在施工過(guò)程中的各種不確定性和施工過(guò)程的累計(jì)超差，在結(jié)構(gòu)檁條與百葉安裝定位排版、分區(qū)以及連接方式等方面都結(jié)合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行工藝布局。使得在實(shí)際安裝三角弧面百葉時(shí)順利的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，確保后期建筑裝飾視感要求。整個(gè)項(xiàng)目中側(cè)墻系統(tǒng)三角弧面百葉8250塊，覆蓋面積65000m2，弧形檁條1550噸，拉伸網(wǎng)35000m2，屋面板28000m2，BIPV光伏面板30000m2，環(huán)形跑道+綠化11000m2，通風(fēng)百葉33500m2。將預(yù)制好的板塊構(gòu)件通過(guò)各自的連接系統(tǒng)，自下至上形成流線型拋物線曲面裝飾結(jié)構(gòu)。

4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

4.1 金屬幕墻裝飾面設(shè)計(jì)

由于內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)主框架造型所致，該項(xiàng)目金屬側(cè)墻與屋面女兒墻處進(jìn)行分割。按標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分就是水平面與側(cè)墻母線傾角74°為建筑結(jié)構(gòu)幕墻，屋面斜切椎體平面為屋面裝飾結(jié)構(gòu)。本工程金屬幕墻與屋面從節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)到強(qiáng)度計(jì)算以及材料使用有很大差異。為確保項(xiàng)目安全性和功能性，項(xiàng)目部在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況進(jìn)行了整體的深化設(shè)計(jì)，從側(cè)墻到屋面進(jìn)行了整體布局和各節(jié)點(diǎn)控制，將其有機(jī)結(jié)合在一起，以達(dá)視感效果呈現(xiàn)。如何控制網(wǎng)架結(jié)構(gòu)幕墻造型，實(shí)現(xiàn)建筑裝飾效果，是此項(xiàng)目的關(guān)鍵。以往的施工過(guò)程中常常通過(guò)常規(guī)圖紙方式表達(dá)立面圖、平面圖、節(jié)點(diǎn)剖面等，并不能給人立體效果呈現(xiàn)以及準(zhǔn)確表達(dá)異形結(jié)構(gòu)幕墻的施工要求和設(shè)計(jì)預(yù)想。建筑幕墻設(shè)計(jì)是由設(shè)計(jì)院提供的Catia三維犀牛模型。三角弧面百葉外觀裝飾模塊的定位與規(guī)格完全按照模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，所有定位節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都需要和設(shè)計(jì)模型進(jìn)行核對(duì)。三角百葉與內(nèi)部結(jié)構(gòu)支撐檁條成斜45°布局，每2°布設(shè)一條，整個(gè)外觀成弧面拋物線形態(tài)。

4.2 外觀裝飾三角弧面百葉模塊

透空維護(hù)造型是以一定角度截?cái)嗟腻F形形體，它是基于主廠房區(qū)域內(nèi)各個(gè)建筑物的幾個(gè)形狀而來(lái)，立面的這種動(dòng)態(tài)和標(biāo)志性的開敞性圍擋能為內(nèi)部設(shè)備裝置提供一個(gè)開放的氣候模式，與此同時(shí)限定出一個(gè)穩(wěn)固和簡(jiǎn)單的建筑形體，側(cè)墻外立面在不同位置，不同角度，不同距離觀察，都有豐富的視覺(jué)變化。從正面觀察，紅赭色三角百葉構(gòu)成的造型螺旋上升形成開敞式的立面圍擋。紅赭色涂層是經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的防污染和自潔涂層，提供自潔和易于維護(hù)的表面。根據(jù)幕墻裝飾三角百葉的構(gòu)造特點(diǎn)，開發(fā)出一套特殊的制作系統(tǒng)，面板采用具有自潔功能的鋅鎂合金板，將受力結(jié)構(gòu)龍骨包裹在內(nèi)部形成一個(gè)整體，通過(guò)對(duì)三角百葉弧面的斜平面安裝分析，將三角百葉規(guī)整為不同長(zhǎng)度的截面模塊與內(nèi)部弧面檁條進(jìn)行過(guò)渡，整體形成拋物線均勻弧形狀態(tài)。這樣既能體現(xiàn)整個(gè)外觀設(shè)計(jì)效果，同時(shí)兼顧風(fēng)載荷、衡荷載以及溫度荷載，有效降低型材板材的造價(jià)，簡(jiǎn)化加工工藝和施工工藝，從而使幕墻的視覺(jué)效果輕盈簡(jiǎn)潔[2]。

4.2.1 節(jié)點(diǎn)安裝方法

以側(cè)墻為例，先對(duì)各個(gè)位置上的三角百葉進(jìn)行弧面半徑曲率分析，每塊三角百葉除了滿足自身的性能要求外，還能確保順利安裝，而且每一塊都在一個(gè)方向上進(jìn)行搭接。如果使用常規(guī)做法，無(wú)法滿足百葉更換需求。因此在深化設(shè)計(jì)時(shí)考慮上塊與下塊安裝設(shè)置20mm間隙進(jìn)行對(duì)縫安裝，保證順利安裝的同時(shí)還能便捷更換其他單元百葉，易于角度調(diào)整和檢修。從分析結(jié)果上確定下道三角百葉與上道百葉之間轉(zhuǎn)角過(guò)渡數(shù)據(jù)，形成圓滑過(guò)渡。百葉構(gòu)件模塊外觀裝飾呈半弧形紅色鋅鎂合金板和內(nèi)部龍骨模具，板面成弧形，側(cè)面為不規(guī)則三角形的模塊，在加工廠提前預(yù)制成各式百葉模型：3989*1200*400mm、3970*1200*400mm、3951*1200*400mm等共計(jì)11種規(guī)格型號(hào)三角曲面結(jié)構(gòu)的百葉構(gòu)件，模塊化安裝在側(cè)墻結(jié)構(gòu)上，與內(nèi)部主檁條成交叉菱形結(jié)構(gòu)，在不同部位所拼裝成弧線曲面形態(tài)。百葉的定位和規(guī)格選取在百葉吊裝過(guò)程中基于三維建模，在BIM軟件下進(jìn)行虛擬吊裝建模，以往傳統(tǒng)建模工作量極大，本項(xiàng)目采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)參數(shù)化的建模技術(shù)，能夠快速精準(zhǔn)完成對(duì)結(jié)構(gòu)模型的建模。由于三角百葉屬于外觀裝飾成品，又是不規(guī)則形狀，安裝時(shí)對(duì)成品保護(hù)的要求也極為嚴(yán)苛，為此專門設(shè)計(jì)工裝夾具，通過(guò)犀牛軟件進(jìn)行吊裝模擬，保證順利安裝。

4.2.2 外裝檁條定位

整個(gè)側(cè)墻桁架由105榀豎向桁架，594榀水平桁架組成，最大截面尺寸為P550*28mm，按三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)控制，79個(gè)軸線均勻布置。側(cè)墻桁架由豎向桁架及水平桁架組成，整體向圓心傾斜角度74°，頂部與屋面網(wǎng)架連接，豎向桁架寬度為3.1m～3.6m，水平桁架從下到上共10層，桿件最大截面為P550*28mm?；赗hinoceros軟件建模進(jìn)行三角百葉主檁條布局，百葉主檁條與側(cè)墻桁架隨著高度與跨度的不同，對(duì)載荷大小、節(jié)點(diǎn)形式、平面形狀、支撐情況及起拱等因素有著重大關(guān)系。通過(guò)BIM軟件進(jìn)行荷載受力分析計(jì)算。三角百葉斜檁條與側(cè)墻桁架成45°夾角，360°圓周每2°布置一條檁條，整圈共計(jì)布置180條。檁條上的柱腳檁托與三角百葉底座優(yōu)先場(chǎng)內(nèi)預(yù)制，批量化生產(chǎn)，節(jié)省安裝工期。節(jié)點(diǎn)的選擇直接影響整個(gè)曲面結(jié)構(gòu)的工作性能、安裝質(zhì)量及工程造價(jià)。在檁條布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足功能可靠、構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工安裝便捷且節(jié)約材料的條件下選擇合適的節(jié)點(diǎn)。

4.2.3 三角百葉內(nèi)側(cè)拉伸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)布置

確定三角百葉安裝位置后，內(nèi)部鋁制拉伸網(wǎng)的定位顯得更加重要，拉伸網(wǎng)的的精準(zhǔn)定位與否直接影響到整體成型裝飾效果?？紤]此裝飾工程造型多變，桁架軸線較多以及主結(jié)構(gòu)屬于非標(biāo)結(jié)構(gòu)定位困難等各種因素，在BIM軟件上進(jìn)行模擬?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員只需按圖紙檁條編號(hào)按深化設(shè)計(jì)提供的坐標(biāo)來(lái)安裝檁條，每個(gè)檁托焊接點(diǎn)都有一個(gè)坐標(biāo)表達(dá)，基于三角百葉與檁條上已安裝的定位底座坐標(biāo)高度吻合，每條結(jié)構(gòu)檁條附著在主體結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)檁條角度的安裝精度直接影響三角百葉裝飾面和內(nèi)部拉伸網(wǎng)的安裝精度，每個(gè)部位的結(jié)構(gòu)件務(wù)必按設(shè)計(jì)定位點(diǎn)進(jìn)行安裝，否則無(wú)法保證外觀整體的協(xié)同性。

4.2.4 鱗狀外觀裝飾拉伸網(wǎng)安裝工藝

①鋁合金拉伸網(wǎng)尺寸為統(tǒng)一規(guī)格，局部與百葉制作交叉部位收口處的異型拉伸網(wǎng)則需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)1:1建模，排版后特殊加工。

② 利用多種測(cè)量方法與測(cè)量工具對(duì)百葉間距、鋁合金拉伸網(wǎng)板面、平行板面與板間縫隙成線性控制，力圖滿足滿足施工規(guī)范以及觀感要求。

③為便于拉伸網(wǎng)邊與邊框之間銜接緊密，先將裝飾拉伸網(wǎng)在BIM模型圖上進(jìn)行排版，設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)以及固定方式確定。圖紙與現(xiàn)場(chǎng)校核的方法，結(jié)合水準(zhǔn)儀、全站儀等多種測(cè)量工具，對(duì)拉伸網(wǎng)進(jìn)行粗排和精排。確保安裝尺寸準(zhǔn)確，精排后出具準(zhǔn)確的排版圖，通過(guò)平面圖的控制劃分拉伸網(wǎng)之間的定位信息，保證每一塊的安裝定位都在受控范圍內(nèi)。

④ 先將鋁合金拉伸網(wǎng)與主檁方向一致斜45°固定在三角百葉肋板上，安裝過(guò)程中長(zhǎng)邊間隙貼緊，自攻絲固定在角鋼內(nèi)側(cè)。短邊通過(guò)利用U型鋁合金轉(zhuǎn)接件將拉伸網(wǎng)與百葉底部肋板進(jìn)行角度調(diào)整，達(dá)到鋁合金拉伸網(wǎng)的安裝設(shè)計(jì)要求為準(zhǔn)。槽型鋁合金轉(zhuǎn)接件的定位安裝是施工過(guò)程中的主控項(xiàng)目，否則直接影響后續(xù)拉伸網(wǎng)的穩(wěn)定性和安裝效果。

⑤ 異型部位鋁合金拉伸網(wǎng)板面的安裝，針對(duì)三角百葉底座交叉局部位置的收口節(jié)點(diǎn)處，采用現(xiàn)場(chǎng)切割加工方式，對(duì)整塊拉伸網(wǎng)安裝后留存的收口板每塊進(jìn)行單獨(dú)放樣，通過(guò)CAD繪制節(jié)點(diǎn)大樣。進(jìn)行二次批量化加工，配套進(jìn)行安裝施工，對(duì)局部少量臨時(shí)調(diào)整的異型切口板塊。

5 現(xiàn)場(chǎng)施工中的應(yīng)用

本在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工階段中，引入深化后的BIM進(jìn)行指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安裝，極大的提高現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的工作效率，提高施工正確率，降低工作難度。具體表現(xiàn)為以下幾方面：

5.1 協(xié)助安裝

超大型異形曲面工業(yè)廠系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜，分層頻繁，少量的平面布置圖很難表達(dá)清楚，而圖紙?zhí)鄬?duì)施工人員來(lái)時(shí)又是個(gè)較重的負(fù)擔(dān)，利用現(xiàn)場(chǎng)三級(jí)控制測(cè)量點(diǎn)，對(duì)大型工業(yè)廠房的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量定位，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋到三維模型中，利用三維模型進(jìn)行精準(zhǔn)下料生產(chǎn)，保證現(xiàn)場(chǎng)的安裝精度。將BIM模型引入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)安裝，極大方便施工。并且可以對(duì)前期排料，構(gòu)件編號(hào)的提取，現(xiàn)場(chǎng)材料的查找，構(gòu)件的定位都可以通過(guò)該軟件篩選和查找，提高安裝效率，節(jié)省人工、機(jī)械、材料成本。

5.2 主題結(jié)構(gòu)安裝配合

金屬裝飾幕墻安裝前期，通過(guò)和主結(jié)構(gòu)BIM模型的相互配合，可及早確定和金屬幕墻裝飾結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系。如是否需要增加后植構(gòu)件施工，是否需要對(duì)三角百葉底板進(jìn)行避讓，確定百葉底座與拉伸網(wǎng)的安裝形式及標(biāo)高，通過(guò)三維坐標(biāo)系確定拉伸網(wǎng)與百葉底座交叉安裝的預(yù)留量，提前預(yù)判，避免批量返工。

5.3 變更調(diào)整

當(dāng)側(cè)墻桁架女兒墻系統(tǒng)因需要按業(yè)主的要求或者主結(jié)構(gòu)存在安裝偏差進(jìn)行更改時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)女兒墻及勁平板也要隨主廠房結(jié)構(gòu)流程做出相應(yīng)調(diào)整。為了方便及時(shí)準(zhǔn)確地完成變更，首先可在BIM模型中進(jìn)行調(diào)整，配合其他專業(yè)的模型，調(diào)整出可行的方案后按照模型進(jìn)行材料提取和安裝，一次到位，避免重復(fù)施工，隨后在模型中進(jìn)行調(diào)整后，為最終結(jié)算做準(zhǔn)備，同時(shí)也極大降低高空作業(yè)所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。

5.4 進(jìn)度控制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝進(jìn)度對(duì)BIM模型進(jìn)行節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，隨時(shí)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)度，基于軟件查詢方便，隨時(shí)能查取安裝的工作量，控制現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，對(duì)人材機(jī)合理調(diào)配入場(chǎng)時(shí)間，準(zhǔn)確切入，合理規(guī)劃施工工期。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要闡述了解決大型工業(yè)廠房去工業(yè)化建設(shè)過(guò)程中異形裝飾結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安裝技術(shù)，通過(guò)BIM三維建模技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化加工預(yù)制技術(shù)，將異形金屬裝飾構(gòu)件可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化施工，使得現(xiàn)場(chǎng)安裝精度大大提高、節(jié)約了調(diào)整就位時(shí)間、避免重復(fù)施工、降低了高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)、保證了金屬幕墻整體穩(wěn)定性、功能性，大大減少吊裝作業(yè)頻次。在人、材、機(jī)等方面得到有效節(jié)約，為以后的超大型工廠去工業(yè)化類似項(xiàng)目提供技術(shù)指導(dǎo)，其綜合效益顯著，應(yīng)用前景非常廣闊，對(duì)于類似的工程有著較好的借鑒作用。將碳中和，盡早實(shí)現(xiàn)達(dá)峰，快速減排，為全面中和助力。