有限元分析软件配合压型楼承板钢结构安装施工工法

谭秋香

（广西天祥投资有限公司， 广西 贺州 542800）

近年来， 装配式建筑取得了长足的发展， 在各种建筑类型中得到了广泛的应用。 相较于传统的建筑模式， 装配式建筑采用标准化、 工厂生产预制构件、 现场装配安装的方式来进行建筑施工， 具有建设成本低、 施工效率高、 安装进度快等特点。 就目前来说， 装配式建筑已经在很多大型建设工程项目、高层建筑中得到了广泛应用， 本文基于装配式建筑施工实践， 以贺州市“桂东广场” 项目一期商业写字楼项目为例， 就有限元分析软件配合压型楼承板钢结构施工安装的工法进行一些探讨， 以期能够对相关的施工安装提供一些参考与借鉴。

压型楼承板是装配式建筑中的重要构建， 常规的安装施工往往难以对楼承板浇筑过程中的荷载变化进行有效掌握， 楼承板浇筑过程中受力薄弱部位会因为混凝土荷载过大而发生变形， 从而影响安装施工的质量和结构的外形美观。 本工法采用有限元分析软件配合装配式建筑的构件安装方式， 可以适应各类装配式建筑的安装， 并且能够很好的保证建筑整体的结构与外观要求， 大大降低吊装过程的成本。 尤其在大规模钢构件的安装中， 更能充分体现其节能、 质量和经济效益。 在施工中结合使用Midas civil软件控制施工进度， 只要严格参照软件给出的分析数据， 及时调整现场构件的临时支撑与布置，就可以给工程管理者提供很大的技术方便。 伴随着装配式建筑的发展， 将来越来越多的大型建筑、 高层建筑、 结构形式复杂的建筑会采用装配式的施工工艺， 那么势必会对建筑结构的模型受力分析和施工过程中模拟技术提出更高的要求， 建筑的BIM化管理也将越来越完善， 也必然会遇到与本工法相类似的工程情况， 这使得本工法的成功经验具有了较高的借鉴价值和重要的现实意义。

1 工程概况

贺州市“桂东广场” 一期项目作为广西第二个装配式建筑项目， 是贺州市首个高层钢结构装配式建筑试点项目， 也是全区首个钢结构装配式商业写字楼试点项目， 项目的实施对于贺州市乃至全区发展装配式建筑产业具有重大的意义。 该项目为地下2 层， 地上20 层， 总建筑面积4.18 万m2， 压型楼承板面积3000m2， 总用钢量约5300t， 总体装配率达到69.7%， 建筑结构形式采用国内领先的装配式钢框架-核心筒结构体系。 项目应用BIM技术深化钢结构， 对模型进行合理拆分， 提高装配率； 将BIM模型导入物料平台， 生成二维码对预制构件进行设计、 生产、 运输、 安装等全过程管控。

2 工法特点

压型楼承板是采用镀锌钢板经辊压冷弯成型，其截面成V型、 U型、 梯形或类似这几种形状的波形， 主要用作永久性模板， 也可被选为其他用途。在施工阶段， 压型楼承板可承受施工荷载， 直接铺设到梁上， 进行简单的钢筋绑扎工程便可浇筑混凝土。 由于完全替代了模板功能并且拥有一定的承载能力， 压型楼承板能够减少模板铺设、 拆卸工程及满堂脚手架搭设等相关费用， 在降低了整体造价的同时大大提高了楼板施工效率， 属于新型经济、 节能、 环保、 高效、 安全型建材。 本工法主要是利用有限元分析软件模拟楼承板浇筑过程中的荷载变化，对受力薄弱部位布置支撑脚手架， 可以有效的减少因为混凝土荷载造成的楼承板变形。

采用有限元分析软件配合压型楼承板安装， 可以避免压型楼承板在浇筑过程中发生的局部应力改变和挠曲变形， 能有效保证浇筑过程中以及竣工后的安全、 功能和外形要求。 通过施工过程的计算分析模拟， 为设计与安装过程跟踪监测提供理论数据和对比依据， 为施工方案的选择提供科学的方法。

本工法有如下的关键技术： 1） 使用有限元分析软件Midascivil建立计算模型； 2） 利用非线性分析软件分析各施工阶段可能产生的施工不利情况预警；3） 提前模拟、 预防施工过程中意外事件。

Midascivil是一个通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、 地下结构、 工业建筑、 飞机场、大坝、 港口等结构的分析与设计。 Midascivil结合国内的规范与习惯， 在建模、 分析、 后处理、 设计等方面提供了很多的便利功能， 程序特点主要为： 提供菜单、 表格、 文本、 导入CAD和部分其他程序文件等灵活多样的建模功能； 提供中国、 美国、 英国、德国、 欧洲、 日本、 韩国等国家的材料和截面数据库， 以及混凝土收缩和徐变规范和移动荷载规范；提供桁架、 一般梁/变截面梁、 平面应力/平面应变、只受拉/只受压、 间隙、 钩、 索、 加劲板轴对称、 板（厚板/薄板、 面内/面外厚度、 正交各向异向）、 实体单元（六面体、 楔形、 四面体） 等工程实际时所需的各种有限元模型； 在后处理中， 可以根据设计规范自动生成荷载组合， 也可以添加和修改荷载组合； 可在进行结构分析后对多种形式的梁、 柱截面进行设计和验算等。

3 工艺原理

基于有限元和非线性分析方法， 针对不规则楼承板、 大跨度钢结构施工过程进行辅助分析计算的方法和程序。 通过使用midascivil有限元分析软件建立计算模型， 充分考虑各阶段施工步骤、 施工荷载、 支撑变化、 温度影响、 卸载步距等过程的影响，对施工全过程进行跟踪模拟分析。 同时软件可以输出到CAD软件， 通过软件可以观测、 提取任意位置的变形值、 荷载查询、 内力变化， 指导钢结构的安装， 是一种准确高效的施工辅助方法[1]。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

根据设计施工图布置楼承板临时支撑→使用有限元分析软件Midascivil建立计算模型→利用有限元分析软件验算各施工阶段中结构会产生的施工不利情况→参照软件验算结果对施工组织设计进行调整→严格按照有限元分析软件模拟的过程落实施工→对实际施工过程进行软件模拟监控→如发现实际施工中不一致的情况随时进行验算和调整计算模型和临时支撑布置。

4.2 操作要点

4.2.1 使用有限元分析软件Midascivil建立计算模型

根据分析设计施工图， 选取出楼承板中最不利条件的一跨楼承板， 通过有限元分析软件Midascivil对其进行受力分析。 在MidasCivil建立模型， 并进行网格划分对模型施加边界条件： 根据楼承板边界连接方式， 设定相关参数， 用以得出与实际情况一致的结果。

4.2.2 验算各施工阶段中结构会产生的施工不利情况

利用有限元分析软件Midascivil建立的计算模型， 验算楼承板施工各阶段中可能会出现的各种不利情况。 根据分析结果， 对楼承板的薄弱部位进行结构支撑调整。

4.2.3 按照有限元分析软件模拟过程精确把控落实施工

首先， 对楼承板的安装过程进行严格的质量控制， 也就是要确保在进行有限元软件分析之前， 施工楼承板的质量要与软件模拟条件保持一致。 对于在安装过程中已经产生变形、 折痕的楼承板要及时进行更换， 避免因原材料的结构与软件模拟结构条件不一致而导致的软件验算偏差[2]。

其次， 利用有限元分析软件MidasCivil建立计算模型， 对楼承板安装施工过程中可能遇到的各种不利情况进行模拟验算。 MidasCivil可以实现各种条件下的现场安装过程模拟， 可以针对楼承板焊接缺陷、 支撑点位错误、 卸载操作过程不同步等各类情况出现后可能对结构的影响进行模拟计算， 还可有效避免胀模、 爆模等由于混凝土集中荷载过大引起的质量问题。 根据有限元分析软件的模拟分析结果， 管理人员能够预见楼承板安装施工过程中的大部分不利因素和特殊情况， 并提前制定针对性的应对方案。

最后， 根据有限元分析软件的模拟过程和计算分析结果， 制定科学、 合理的楼承板安装施工方案，对楼承板安装施工的实际过程进行精确控制。

4.2.4 对实际施工过程进行软件模拟监控

在“桂东广场” 一期钢结构装配式商业写字楼试点项目中， 压型楼承板的安装施工， 我们采用了有限元分析软件配合压型楼承板施工工艺的工法来进行安装施工。 在安装施工开始前， 施工技术人员利用有限元分析软件Midascivil的辅助验算功能， 对施工中钢结构在各阶段的应力变化、 位移情况进行了相应的验算和修正。 通过给结构加载各项不利组合荷载， 得到了结构最不利的受力情况， 之后按照有限元分析软件的模拟过程设置楼承板竖向支撑脚手架，并对布置支撑脚手架的结构进行验算。 根据软件模拟验算结果， 对安装施工设计中的支撑方案进行比对分析， 如果验算结构超限， 则能及时对原支撑方案重新进行合理设计， 并对施工过程中局部结构变形做出应对措施， 使建筑整体施工管理直观清晰且简便、 安全、 可靠。

在以往的压型楼承板安装施工组织设计中， 对于压型楼承板铺设的薄弱区域会采用搭设临时支撑脚手架的方式来进行强化， 但通常无法准确掌握脚手架对压型楼承板薄弱区域的支撑是否能够满足实际的强度要求， 这使得在一些情况下， 即便在压型楼承板的薄弱区域搭设了支撑脚手架， 但依然会出现压型楼承板发生变形的问题。 利用有限元分析软件Midascivil， 我们对压型楼承板浇筑的薄弱区域进行了最大荷载值的模拟验算， 通过对施工过程的模拟临控， 一旦出现结构失稳、 强度不足等情况， 软件的应力、 稳定性查询功能就会提示进行相应的调整修正， 如采用加密支撑间距或者增加竖向支撑排列数等的措施来增加脚手架的支撑强度， 从而确保支撑脚手架的搭设方案设计能够满足实际的强度要求[3]。

在本工程中， 根据有限元分析软件Midascivil给出的各项参数结果， 我们发现压型楼承板钢结构中受力薄弱区域的受力荷载超出了压型楼承板的最大变形荷载， 因此， 为确保压型楼承板在混凝土浇筑时的变形处于允许值范围内， 需要设置临时的支撑脚手架来进行支护。 利用有限元分析软件Midas civil， 我们对原施工组织设计中所布置的临时竖向支撑脚手架的支撑强度进行比较验算， 优化了支撑方案， 确保其满足结构受力要求； 通过软件模型计算， 调整了相关施工工艺， 从而减少施工带来的不利影响， 将混凝土振捣时压型钢板受到冲击带来的影响降至最低， 减少压型钢板的变形。

综合上述内容可以看出， 利用有限元分析软件来辅助压型楼承板安装施工， 具有诸多的应用优势，其主要特点表现在以下几个方面： 1） 软件具有强大的辅助计算功能， 内置各种模型能够满足各类工程的结构验算要求； 2） 软件的分析数据能够为项目管理人员提供安装施工方案设计依据， 更好的优化施工材料和提高人工效率、 规避安全风险， 从而提高项目整体效益； 3） 对于压型楼承板的安装施工来说， 有限元分析软件的应用能够准确评估计算楼承板安装施工的薄弱区域， 并给出临时支撑脚手架搭设最佳方案的数据支持， 这对于确保压型楼承板安装施工的整体质量十分关键。

5 质量控制

5.1 质量控制措施

1） 施工前， 由工长根据施工方案对操作班组长进行详细的技术交底， 并落实责任。

2） 认真执行自检、 互检、 交接检 “三检制”制度。

3） 工具式脚手架主要的构配件应包括： 水平支承桁架、 竖向主框架、 附墙支座、 悬臂梁、 钢拉杆、竖向桁架、 三角臂等。 当使用型钢、 钢板和圆钢制作时， 其材质应符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700 中Q235 -A级钢的规定。

4） 工程用钢管的质量控制措施： ①钢管使用用途及规格： 本工程钢管主要用于附着式升降脚手架、外挂式防护架架体搭建， 钢管规格为Φ48 ×3.5； ②工程用钢管的质量控制： 所有入场的工程用钢管，需要具备生产厂家的产品质量合格证， 以及由厂家提供的符合现行国家标准有关规定的钢管质量检验报告； 所有入场钢管应满足平直性要求， 弯曲度大于管长1/500 的钢管视为劣质产品不得入场； 所有入场钢管应保持品相良好， 外形完整， 铜管两端端面不平整、 有斜口或裂缝的均视为劣质产品不得入场； 钢管表面有硬弯、 硬伤或深划痕以及被压扁等状况的视为废管， 不得入场使用； 所有钢管在使用前应进行防锈处理， 钢管表面存在锈蚀情况的， 应先除锈再涂刷防锈漆进行防锈处理， 锈蚀深度超过0.25mm的钢管视为废管不得入场使用。

5） 焊接质量控制措施： 工程焊接质量的控制主要包括两个方面， 一个是焊接工艺的质量控制， 一个是焊接材料的质量控制。 就目前来说， 工程焊接主要分为手工焊接、 自动焊接和半自动焊接。 自动焊接和半自动焊接的工艺质量控制较为简单， 因此，工艺质量控制的重点在于手工焊接， 对焊接工人的技术水平提出了较高的要求。 在焊接材料的质量控制方面， 手工焊接主要是焊条质量的控制， 自动和半自动焊接主要是焊丝和焊剂的质量控制。 焊接材料的质量控制关键在于材料应符合国家现行相关标准的规定， 且焊接材料应与结构主体的金属力学性能相适应。 因此在质量控制措施方面， 应重点加强焊接材料入场的相关检验工作， 如焊接材料的出厂质量合格证、 质量检验报告， 以及入场的焊接材料型号是否与现场要求的相匹配等。

6） 安装工程用螺栓的质量控制： 安装工程所用螺栓主要为普通六角冰龙螺栓和锚栓， 其质量控制主要在于螺栓质量要满足国家现行标准。 因此， 现场质量控制的主要手段和措施为： 严格检查入场螺栓的出厂质量合格证以及质量检验报告； 重复使用的螺栓应做好除锈防锈措施； 无法满足现场安装施工要求的螺栓严格禁止使用[4]。

7） 混凝土浇筑的质量控制措施： 混凝土浇筑是压型楼承板安装施工的关键环节， 其质量控制在很大程度上关系到安装工程的整体质量。 从工程施工流程的角度来说， 混凝土浇筑的质量控制主要包括以下几个重点环节： 在混凝土浇筑之前， 压型楼承板安装施工、 支撑脚手架布设、 钢筯绑扎、 预埋管线铺设等必须要施工到位， 并办理必要的隐蔽工程验收和预检等手续， 只有这些混凝土浇筑前的必要施工工序验收合格后， 才能进入混凝土浇筑施工环节。 ①要严格控制泵送混凝土质量。 当泵送混凝土出现泌水、 离析、 泵送困难等问题时， 应立即停止现浇泵送， 然后对泵送混凝土的配合比、 泵及泵送工艺等进行查验， 找出问题的原因并采取相应的措施解决问题后再进行混凝土泵送； ②在混凝土浇筑过程中， 要严格控制混凝土的浇筑速度， 并有专人对压型楼承板、 支撑架等的荷载变化进行监护， 一旦在浇筑过程中发生楼承板变形或是钢筋位移等现象， 应及时进行加固； 对于关键部位的浇筑， 必要时应安排钢筋工和架子工跟班作业， 确保出现突发或意外情况时能够及时现场解决； 根据施工浇筑的计划安排， 应配置足够的工人确保混凝土的连续浇筑作业， 必要时可轮班作业； 浇筑过程中要严格控制混凝土浇筑作业的连续性以及振捣质量； 浇筑作业开始之前要充分考虑到天气和环境变化情况， 在尽量避开雨天施工的同时， 还要考虑到高温、 高湿度等环境因素， 尽可能做好预防措施以确保混凝土浇筑质量。

5.2 成品质量保护

混凝土成品质量的防护措施主要包括两个方面：1） 根据不同的养护方式， 严格按照养护要求作业，确保达到规定的养护时间， 如此可使混凝土达到设计强度； 2） 在混凝土浇筑后达到一定的强度， 才能上其它工序， 如果在混凝土浇筑后未达到相应强度而又必须要上人作业时， 必须要做好相应的防护措施才可上人作业， 避免混凝土被人为踩踏破坏。

6 安全措施

6.1 预防高处坠落的安全技术措施

1） 凡在坠落高度基准面2m以上（含2m） 有可能坠落的高处进行的作业均属高处作业。 所有高处作业人员应接受高处作业安全知识的教育， 特种高处作业人员应经过专业技术培训及专业考试合格，持证上岗， 且上岗前应进行专门的安全技术交底；2） 进行高处作业时， 施工作业人员应正确佩戴安全帽和使用安全帽、 安全带等安全防护用品； 3） 施工现场按类别有针对性将各类安全警示标志悬挂于相应部位， 且夜间施工期间应设红灯示警； 4） 高处作业前， 由安全员组织有关人员对安全防护设施进行检查和验收， 经验收合格后方可作业； 5） 同一垂直方向上进行立体交叉作业时， 作业人员应戴好安全帽， 并设置安全防护棚， 无隔离措施不得在同一垂直面内上下交叉作业[5]。

6.2 预防物体打击的安全技术措施

1） 管理人员认真进行安全技术交底， 使工人在施工中增强安全意识， 做到不伤害自己、 不伤害别人、 也不被他人所伤害。

2） 认真贯彻文明施工， 材料堆放整齐、 平稳，作业场地及时清扫， 每天做到工完场清。

3） 为了防止物体坠落伤害头部， 安全规程明确规定进入施工现场的所有人员， 必须戴好符合安全标准， 具有检验合格证的安全帽， 并系好安全帽带。

4） 搭设或拆除脚手架时， 必须在作业区域设置警戒区， 并由专人负责警戒， 严禁无关人员穿越警戒区。 拆除的架料、 扣件， 必须堆放整齐， 统一吊运到地面。 严禁从高处向下投掷架管， 扣件等， 翻架板时应事先清扫板上杂物。

5） 上下传送材料， 特别是易滑的钢材， 绳结必须系牢， 防止材料散落伤人。

7 结语

有限元分析软件配合压型楼承板钢结构安装施工工法应用越来越广泛， 在钢结构施工中， 传统的施工工艺， 存在许多效率低、 风险高、 冗余投入大的问题， 而且施工过程许多安全隐患不能及时发现，不能真实考虑施工中可能出现的特殊情况， 也无法验算； 有限元分析软件进行施工过程分析是一种可靠、 快速、 安全而经济的施工技术， 而采用本工法中所介绍的非线性有限元分析软件辅助安装应用技术后， 钢结构的施工组织工作做到了尽可能的完善周全， 使安装模拟实际过程的操作得到安全保证。