基于BIM技术的钢结构管桁架施工在蜀山泵站的应用

2023-10-30闫文博

四川水利 2023年5期

闫文博

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都 610066)

1 工程概况

蜀山泵站工程位于合肥市高新区,包括泵站主厂房及控制楼。占地面积6598.69 m2,19.750高程以上总建筑面积14645.63 m2,其中地上建筑面积6701.31m2,地下(19.750高程与26.850高程之间部分)7944.32 m2,地上三层建筑,建筑高度18.900m。

主厂房及控制楼屋顶采用飞檐铝板幕墙造型,幕墙固定在屋顶的钢结构管桁架上,管桁架由钢管柱及桁架钢梁组成空间桁架结构。构件覆盖面积约为5000m2;檐口处标高约为52.276 m,结构最高点标高52.40m,共分为6个单体,中间有沉降缝分开,最大悬挑长度12.85 m。

管桁架主要杆件形式包括:钢管φ351×16、钢管φ299×16等,构件材质主要为Q355B。悬挑部分均采用钢桁架结构,位于轴线7(悬挑12.85 m)、轴线14(悬挑10.05 m)、轴线29(悬挑9.65 m)、轴线35(悬挑12.85 m)、轴线A(悬挑3.375 m)、轴线F(悬挑3.475 m),共6部分。桁架上弦采用钢管φ245×16到φ245×12,下弦采用φ245×12到φ245×10,中间腹杆φ140×5连接体近似呈圆环形布置。

2 BIM技术的应用思路

本项目施工存在的难点:

(1)本工程钢结构体量大,结构复杂,安装难度大,工期短,技术要求高,管桁架与土建二次结构、屋面防水、门窗等装饰施工存在大量的多专业交叉作业问题,如何协调各个专业的施工顺序是保证施工进度和工程质量的重要措施。

(2)屋顶外檐均为悬挑结构,构件重量大,最大悬挑长度12.85 m;前池段高度落差约33 m,安装高度高,同时,受土建及机电闸门安装施工影响,仅可利用原土建布置的4#、6#塔机,局部须配置25 t/50 t汽车吊作为吊运工具,空间狭小,吊装就位困难。因此,对构件进场的安排、安装设备的选择、施工堆场规划与布置成为项目考虑的重点。

(3)采用“分块加工、分段拼装”施工工艺,对预埋件的预埋、钢结构的拼装和安装精度要求非常高。

本项目利用Tekla Structures软件建立了钢结构管桁架的BIM模型[1],并进行了施工图的深化设计,基于构件加工单位现有生产设备的加工能力和现场施工机具的吊装能力,对模型进行合理拆分,将BIM模型导入物料平台,对预制构件进行设计、生产、运输、半成品加工、安装等全过程管控。

通过使用BIM模型提前对项目进行建模深化及碰撞检查,使钢结构的构件尺寸、位置与土建、幕墙、机电等专业的关系能在模型中清晰地表达出来,从而完成桁架分段、杆件切割、板材下料等工作。通过三维模型,及时发现各专业间的碰撞、错、漏、碰、缺等问题,及时解决,避免施工过程中的返工、停工现象,减少设计变更,确保施工进度,实现钢结构的快速施工,节约成本。

3 施工工艺流程和操作要点

3.1工艺流程

总体施工工艺流程具体如下:BIM模型建立→深化设计→桁架分解、管材下料→加工制作→现场复测及施工准备→桁架半成品(分块)加工→半成品安装→管桁架体系安装。

3.2 施工关键技术

3.2.1 BIM模型建立

根据施工图纸,利用Tekla Structures软件建立BIM模型,各杆件材质、尺寸、构件所处的位置、构件的界面形式、节点连接信息在构件的信息库中均有存储。

3.2.2 深化设计及桁架分解下料

结合测量复核的管桁架地脚螺栓的实际预埋位置及钢结构施工图中构件的位置、构件截面、节点技术要求及施工规范的规定,并根据加工厂的实际生产条件、现场施工条件,充分考虑运输能力、吊装能力和安装能力,采用BIM技术对构件进行碰撞检查和二次深化设计,对构件进行分段,解决构件重量大跨度大、安装高度高、吊装就位难的问题。最后利用Tekla Structures软件将经过碰撞检查和二次深化的三维模型转化为二维图形,输出二维的加工图纸,以便构件准确的制造和安装[2]。

3.2.3 半成品桁架的组装

步骤一:将加工厂按照BIM模型分解生产的构件运输到钢结构加工厂的指定组装位置,进行半成品组装。

步骤二:将BIM分段的构件模型,按照组装步骤组装成钢桁架半成品[3]。在组装过程中须注意采取相应的临时措施固定牢靠。半成品桁架形式详见图1。

图1 半成品钢桁架组装件示意

3.2.4 钢桁架安装

以35轴线钢桁架安装为例,35轴线钢桁架悬挑长度12.85 m,钢桁架底部离地高度19.9 m,根据35轴线钢桁架结构特点及现场边界条件,拟定采用QY50汽车吊单件整体吊运组装。总体从上游侧A轴线向下游侧F轴线分段组装,具体组装方法如下:

(1)将35轴线钢桁架纵向和横向相邻钢立柱之间钢桁架结构分为单个稳定体系,根据35轴线钢桁架结构特点共分为HJ-1～HJ-5,合计5部分。其中:HJ-1和HJ-2将钢柱焊接为整体。构件稳定体系详见图2。

图2 单个构件稳定体系分布示意

(2)从上游侧A轴线向下游侧F轴线依次分段组装。在钢结构综合加工厂将安装的钢结构组装成单个构件体。然后按照HJ-1→HJ-2→HJ-3→HJ-4→HJ-5的顺序依次组装,每次将单个构件体组装至设计位置后,立即对其加固并固定牢靠。确保安全后,方可开展下一个单个构件体的吊运组装。

(3)将单个构件稳定体系组装并固定完毕后,依次组装后续钢桁架机构并连接成整体。HJ-3和HJ-4与HJ-1、HJ-2之间钢桁架组装作业平台次用钢管搭设操作平台。HJ-5与HJ1、HJ2之间钢桁架组装连接,采取在弦杆上固定吊篮作为操作平台。组装完毕后整体形象详见图3。

图3 35轴外悬挑端钢桁架梁及水平支撑安装示意

3.3 钢结构组装操作要点

结合BIM模型钢结构布置结构和组装施工特点[4],钢结构组装具体操作要点如下。

3.3.1 钢立柱组装操作要点

3.3.1.1 钢立柱组装准备

钢立柱组装施工前,首先做好进场构件的检查验收工作,主要包括(但不限于)以下几个方面:

(1)仔细检查钢立柱构件数量、种类、规格是否与下料单相符。

(2)检查验收钢立柱单个构件加工质量是否满足设计要求,严禁不合格构件组装。

(3)仔细检查钢立柱各构件的材质及材料各项参数、技术指标是否与设计要求标准相符。出厂合格证、自检记录等资料是否齐全。

3.3.1.2 登高爬梯、操作平台等措施

为减少高空安全风险,在钢立柱组装前,在钢立柱上设置钢爬梯并加固牢靠,以作为临时垂直交通。同时,及时在钢立柱顶部搭设人工站位和摘钩平台,以便人工操作。

钢爬梯与钢立柱可采用铁丝或小钢丝绳绑扎固定,若设计无相关要求,则可采用临时焊接固定,但在拆除时必须磨平焊疤。固定时特别要注意钢爬梯两端和中间部位均须同钢立柱做可靠固定。使用爬梯时与自锁扣配合使用。

施工过程中爬梯将可能反复使用,因此须注意检查钢梯焊缝和变形情况,若发现变形,则及时校正。

操作平台在钢立柱组装前固定在钢立柱上。由于钢立柱上设置有连接耳板等构件,因此,操作平台不能从上部安装;操作平台下部为钢牛腿,因此,也不能从下部安装。综上因素,操作平台分为两部分,安装就位后,再组合成整体。

3.3.1.3 钢立柱组装安全钢护

为防止钢立柱组装时,在主副厂房屋顶面拖拉造成屋面损坏或钢立柱损伤,因此,在钢立柱下方采取垫枕木的方式处理,钢立柱组装前,提前将登高爬梯安装并固定完毕。

3.3.1.4 钢立柱垂直度校正

(1)钢立柱垂直度整体考虑,采用倒链、钢丝绳将钢立柱向同一方向牵拉校正。

(2)在主副厂房屋顶面架设水准仪,测量各钢立柱顶标高,根据钢立柱之间的标高偏差调整。若存在偏差,可采取切割上节钢立柱衬垫板(3 mm内)或加高垫板(5 mm内)的方式调整上节钢立柱标高偏差。

(3)钢立柱校正过程中,在主副厂房屋顶面架设经纬仪,即:在钢立柱X、Y两个方向的轴向上分别架设一台,同时对钢立柱的垂直度调整。具体方法如下:

①当钢立柱吊运至安装位置正上方200 mm时,立即停机稳定,然后对准螺栓孔和十字线后,缓慢下落。须注意下落过程中,避免磕碰地脚螺栓丝扣。

②当钢立柱脚刚刚与基础面接触便停止下落,仔细检查钢立柱四边中心线与基础十字轴线对准情况(四边要兼顾)和钢立柱脚下钢垫板位置、数量是否正确,如存在不符则立即调整(调整时,需三人操作,一人移动钢柱,一人协助稳固,另一人进行检测)。

③调整钢立柱的就位偏差控制在3 mm以内后,再下落钢立柱,使之完全与基础面接触。然后收紧四个方向缆风绳,拧紧地脚锁紧螺母。若受环境条件限制,不能拉设缆风绳时,则采取在相应方向上以硬支撑的方式固定和校正。

④首先,在钢立柱柱身标定标高基准点,然后,以水准仪测定其差值,通过调整钢立柱脚底板下螺母来调整钢柱标高和垂直偏差,或增加、减少钢立柱脚底板下斜垫片和垫块调整钢立柱标高。钢立柱垫板、基础面及钢立柱地面三者必须保持平整,接触紧密。在浇筑钢立柱外包混凝土前,垫板间必须焊接牢固可靠。

⑤当受螺杆长度影响,螺帽无法调整时,可以在基础上设置垫板垫平。即:在钢立柱四角设置垫板,由测量队专业人员跟踪抄平,使钢立柱直接安装就位即可。每组垫板宜不多于4块。钢立柱垫板、基础面及钢立柱地面三者必须保持平整,接触紧密。

(4)钢立柱校正完毕后,在钢立柱顶部采用钢卷尺丈量两根钢立柱之间距离,复核间距准确无误后,方可进入下一道工序。

3.3.1.5 梁、柱临时固定

在加工厂提前将钢桁架梁制作成单榀运至安装现场,采用塔吊(或汽车吊)进行吊装,调至相应位置后进行焊接固定,以达成稳定体系。临时固定详见图4。

图4 梁、柱临时固定示意

3.3.2 钢桁架梁组装操作要点

钢桁架梁在钢立柱校正复核完毕后开展,钢桁架梁组装采用两点对称绑扎吊运就位组装的方式。钢桁架起吊后距钢立柱基准面100 mm时慢慢就位,待钢桁架就位后,对接调整校正,然后固定连接。钢桁架组装时,随时组装随时采用经纬仪校正,有偏差随时纠正。

(1)钢桁架组装前注意事项

①钢桁架梁组装前,及时清理主副厂房屋顶表面污物,对产生浮锈的连接板和摩擦面在组装前进行除锈处理。

②钢桁架组装前,对钢桁架两端螺栓连接孔检测,同时对钢桁架组装所需两根钢立柱牛腿间尺寸检查核对,以确保钢桁架高空对接精度。

③钢桁架标高和轴线校正过程中,必须确保已安装完毕钢桁架结构整体安装精度。

④钢桁架翼板与钢立柱牛腿间对接焊缝时,严格按照焊接原则施焊:钢立柱两侧对称施焊。

(2)钢桁架组装就位及临时固定措施

钢桁架严格按照BIM模型的位置组装就位,施工过程必须注意钢桁架的靠向。针对钢桁架焊接和高强螺栓连接操作平台采用吊笼。操作平台吊笼需反复使用,因此,过程中注意仔细检查钢桁架与吊笼接触点情况及圆钢节点焊接情况(是否有脱焊情况、焊缝是否存在裂纹等)。

(3)墙面檩条安装操作要点

由于檩条截面较小,重量较轻,因此,拟定采取成片吊运组装的方式。檩条校正主要包括:间距、平直度等内容。间距检查采取利用样杆顺着檩条杆件之间来回移动,若存在误差,则放松或拧紧螺栓校正。平直度采取拉线和钢尺检查的方式校正,最后采用螺栓固定牢靠。

4 BIM技术的特点

4.1 模拟施工方案

施工准备阶段,借助Tekla Structures软件建立BIM模型,根据项目现状和特点,对施工过程进行动态模拟进度编排,全方位地梳理钢桁架杆件,充分结合各种数据信息制定更加科学可行的拼装方案,为施工方案及管控措施的制定提供可靠的数据参数[5],通过模拟可以验证施工方案的合理性、可靠性和安全性。

4.2 可视化技术交底

BIM技术能够通过建筑模型将钢结构的成型效果展示出来,能够直观地看到不同构件间的联系,能够更好地对图纸进行优化,完成各专业之间的碰撞检测、预留预埋等;同时,利用BIM模型进行动态交底。一方面,有助于施工人员直观了解自身的任务和技术要求;另一方面,能够有效提高信息传递的准确性和及时性,最大限度地避免在施工过程中发生技术问题,降低返工概率。