超高层大跨度异形钢连桥三位一体施工过程控制关键技术

魏德胜　李兵生　骆发江　田志斌　李鹏

摘 要：西安迈科商业中心项目工程施工过程中，针对其超高层钢连桥跨度大、质量大、异形和施工困难的特点，进行了包含施工可视化、数值模拟和施工监测的三位一体虚拟施工过程控制关键技术研究，创造性的解决了该工程在施工中的具体问题，制定出科学合理的施工方案，极大减少了施工风险，也便于进行质量、成本和进度的控制和管理。

关键词：三位一体；施工可视化；数值模拟；变形监测；过程控制

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）08-0096-04

1 工程概况

西安迈科商业中心项目（见图1），办公楼地上45层，建筑高度为207.2m，酒店地上34层，建筑高度为153.7m，裙房地上4层，建筑高度24.0m。主塔楼为钢框架—支撑体系结构，办公塔楼21至23层和酒店塔楼22至24层处设置了空中连桥，空中连桥由两榀桁架以及桁架间的主次梁组成，采用了斜交、不等高设计，结构复杂，单体重量约450吨，跨度约40米。

2 三位一体施工过程控制关键技术

超高超重钢构件空中拼装一直是类似工程的重点及难点，如何保证构件的拼装质量及降低作业人员的安全隐患是值得研究的课题[1]。西安迈科商业中心项目的这种整体上超高超大的不规则钢连桥，在实际工程施工中，面临着高空作业多、施工场地狭窄、施工量大、工程周期长等难题。因此，在施工中采用了三位一体施工过程控制关键技术。

本工程中采用的三位一体施工关键技术，是由施工期可视化技术、施工过程数值模拟和整体提升应变监测三个核心内容组成的。基于BIM软件的施工可视技术能有效解决目前大型钢结构施工过程中遇到的施工安全难点问题，对避免大型钢结构施工事故的发生有非常积极的作用；基于施工过程的数值模拟可以对复杂建筑结构进行施工期控制，保证结构施工期安全和可靠性；基于无线传输技术的应变监测为结构施工的各个阶段提供准确可靠的监测数据，以正确评估各施工阶段的受力状态和結构性能，判断施工期的安全性，同时为施工提出指导性意见。

3 异形钢连桥施工期可视化技术研究

3.1 异形钢连桥施工可视化方案

首先，根据设计图利用Bentley系列软件中的AECOsim Building Designer建立带有信息的三维结构模型，组装形成虚拟施工环境，把连桥整个施工分成提升吊点（牛腿）布设、连桥地面拼装、连桥整体提升、空中对接固定和卸载六个主要过程。其中采用的整体提升技术具有不受桁架自重、桁架需提升的高度（跨度）等限制，实现提升自动化，提高提升的安全性[2]。结构在地面拼装，利用液压设备将整个钢结构连体层提升到设计位置，完成钢结构的安装[3]。

利用可视化技术，对连桥整个施工过程进行模拟把施工过程中的每一个步骤、细节进行事先的直观展现，从而确定合理的施工方案，极大的提高施工效率与施工安全，同时能够有效地指导工人的现场施工，确保连桥的施工质量。其实施过程如图2。

3.2 异形钢连桥可视化实施

3.2.1 吊点布置，安装提升器

根据连桥桁架结构体系的特点，在每榀桁架的两端设置提升吊点（见图3），在提升吊点处将桁架杆件断开，将不参与提升的桁架杆件分段先装好，在外框钢柱外侧设置提升牛腿结构。

在AECOsim Building Designer软件建好的塔楼模型（见图4）上，按照实际大小设置牛腿，并安装提升器。上吊点布置，提升器及牛腿模型见图5。

3.2.2 地面拼装及加固

连桥在地下拼装时，连桥每层端部设置的水平加固杆件随连桥结构杆件一起安装，主要拼装流程如下（见图6）：流程一：拼装桁架下弦杆和底层钢梁；流程二：拼装2榀桁架竖向、斜向腹杆、上弦杆，形成U形结构体系；流程三：依次拼装连桥中间层钢梁；流程四：最后拼装连桥顶层钢梁，拼装完成。

3.2.3 提升连接及试提升

液压提升设备与连桥结构上的对应下吊点连接，下吊点固定地锚，依次将每台提升器的所有钢绞线穿入地锚中，穿出部分留长不小于10cm。液压提升设备与连桥结构上的对应下吊点连接完成后，开始进行设备调试，一切正常后进行预提升。

3.2.4 正式提升

为了更好的使桁架在提升过程中保持同步，提升前在桁架下弦杆上布置六个测控点，各测控点的数据都有统一的基准点。在提升过程中，提升控制人员通过单独控制每个提升点的提升器，使6个点的高差数据差值小于5mm，实时调整桁架的空中姿态，以保证桁架整体的空中姿态平稳。连桥整体提升过程见图7。

3.2.5 空中对接，拆除加固杆和卸载

连桥达到预定高度后，开始进行空中对接（见图8）和拆除临时加固杆件。待连桥与主体结构连接完成，临时加固杆件拆除后，利用液压同步提升系统设备对连桥结构进行整体卸载（见图9），使结构的提升荷载完全转移到塔楼的框架结构上，至此连桥整个施工连接完成。

4 异形钢连桥施工过程数值模拟

4.1 施工期数值模拟方法

本课题采用通用有限元分析软件SAP2000 V15的阶段施工模块对连桥施工的各施工阶段进行了数值模拟，并用ANSYS软件对提升上下吊点进行了模拟。

4.2 连桥地面拼装工况模拟

首先根据设计图纸建立连桥模型，按照施工方案中异形钢连桥的9个支撑点位置，在模型中施加竖向约束，然后在软件中运行设置好的工况，进行相关计算，可得到不同施工阶段各杆件的应力和变形图。应力如图10所示，应变如图11所示。

通过计算得到的应力和变形结果可知，钢连桥在地下各拼装阶段中，各杆件的强度和变形满足要求。

4.3 连桥整体提升工况模拟

因提升工况与结构设计使用工况有所不同，需对结构进行提升工况分析，采用SAP2000 对结构进行模拟分析，桁架单元均采用梁单元进行模拟，在吊点处进行竖向约束和加水平向弹簧约束。连桥在提升过程中，各提升点可能存在一定程度的高度偏差，因此考虑提升过程中各吊点不同步对结构造成的影响，对连桥提升模型进行了同步提升和不同步提升两种情况的校核，如图12和图13所示。

4.4 连桥空中连接卸载模拟

对连桥空中连接卸载过程建立有限元模型，如图14所示。在SAP2000模型中，采用非线性阶段施工进行分析，通过对设置好的工况运行分析，可得到不同施工阶段各杆件的应力和变形图。从图15所示的各工况包络下结构应力比可知，最大应力比不超过0.5，各杆件应力小于许用应力值，结构在施工过程中强度满足要求。

4.5 牛腿提升模拟分析

利用有限元软件ansys，单元类型选择为Solid 186，建立有限元模型。通过计算分析可得到应力云图和位移云图，如图16和17所示。

5 异形钢连桥整体提升应变监测

为了保证连桥在提升过程以及空中连接卸载过程的万无一失，对连桥在整个施工过程中的应变监测是必不可少的。在数值模拟的基础上，结合施工现场的实时监测，为连桥的施工安全提供的双重保障。

在提升过程中，通过运用无线传输技术的数据采集设备，对安装在杆件上的应变数据进行采集，如图18和图19所示，从而能够对连桥在提升过程中及提升后应变较大的杆件进行实时动态的监测。通过客观的应变监测数据表现出的结构受力状态，分析不同的施工步骤对结构受力的影响，从而验证了基于BIM虚拟施工制定的提升方案，并对施工过程进行了安全控制。

6 结语

实践表明，本工程采用的三位一体施工过程控制关键技术创造性地解决了超高层大跨度异形钢连桥施工中的具体问题，有效地帮助了工程技术人员制定出科学合理的施工方案，极大减少了施工风险，也便于进行质量、成本和进度的控制和管理。

参考文献

[1]王永好，李奇志.超高超重空中连廊液压整体提升施工技术[J].广东土木与建筑，2012（10）：22-26.

[2]潘学斌，王永生，齐伟，霍成功.高空大跨度钢结构连廊逆向液压同步提升技术在施工中的应用[J].施工技术，2015，S2：563-566.

[3]高雷雷.高空钢结构连廊整体提升关键施工技术[J].施工技术，2014（02）：38-41.