BIM技术在浅圆仓仓顶结构设计和施工中的应用研究

方忠林 张 波 雒炯岗 袁兴国 李 峰 杨 康

（中建七局安装工程有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

浅圆仓传统设计给施工带来较多的难题：脚手架搭设需耗费较多的施工材料；仓顶结构中存在较大的倾斜角度，加上混凝土凝固效果差，使得浇筑振捣的难度提升；无法控制浇筑密度，可能引发结构防水问题；自重较大，防水层容易发生开裂，以致构造遭到破坏，使得仓顶发生漏水，影响结构的稳定；施工过程中，露天作业的施工人员存在人身安全隐患；施工成本高。针对存在的问题，本文运用BIM技术，结合实际情况对浅圆仓仓顶结构的设计和施工进行分析，从而降低施工成本，减少施工时间[1]，增加结构安全性，提升施工质量。

1 运用BIM技术优化浅圆仓仓顶结构的设计与施工

1.1 仓顶结构设计

运用BIM软件对施工项目进行完整3D建模，把施工项目的外观和具体细节信息导入到模型中进行展示。根据BIM的实际特性，将构件数据信息导入到可视化模型中。按照模拟真实场景设计仓顶结构。在模型中完成浅圆仓的仓锥顶浇筑过程。浅圆仓顶浇筑使用支撑塔架减少了拆装过程中消耗的资源，合理设计钢管扣件用量，缓解人力成本的浪费[2]。设计仓顶支撑塔架，并垂直搭建在浅圆仓中，在中间台的位置搭设安装支撑件。支撑件和浅圆仓顶部内部要纵向搭建一定数量的榀钢桁架。在搭设过程中，需要将钢桁架沿筒仓的横向方向按照相同的距离完成建造。在支撑塔架搭建过程中，使用2.3m×2.3m的组合钢格构柱结构，同时，在支撑塔架的顶端加设水平桁架。在底端加设防护支撑增加支撑塔架的整体稳定性。钢格构柱底部与钢筋连接，具体支撑结构如图1所示。

图1 支撑塔架结构图

仓顶外防护支撑结构包括上吊梁和水平支撑梁等。水平支撑梁上面竖向安置两根固定钢筋。浅圆仓顶部内壁沿不同方向依次安置与钢桁架数量一致的支撑板，支撑板的底面依次安置有支撑坪，在下面固定连接三根预埋钢筋。在浅圆仓仓壁内，支撑板上面固定安置垂直方向的固定柱，钢桁架的外侧连接支撑板。钢桁架的外侧下面支撑在支撑板上。该支撑塔架的设计，考虑施工工期较长因素，可先对中立柱进行调节，改变固定高度，以此将钢桁架安置到中心立柱与仓内之间的标高位置，提高钢桁架的固定性[3]。钢桁架由底部支撑、上部吊件和导向轨道组装。轨道与吊件使用螺栓连接。钢桁架吊装的设计，需要设计牵拉及滑动导向，以增加钢桁架在使用中的安全性。

1.2 仓顶结构装配施工

在对浅圆仓进行现场施工时，需要对预制构件进行机械吊装作业。在吊装工作开始前，进行必要的施工准备[4]。对浅圆仓仓顶结构上环梁部分进行整体预制，分别设置预埋连接件位置。设置吊装控制线，检查构件是否满足设计位置线的水平高度，如果不满足要进行适当调整。松钩后，要对预制构件的位置和高度进行二次检查，并按照位置信息误差值进行调整。如果误差值较大，需要再次进行吊装。运用分离式机械连接件进行连接，在完成构件吊装后，才能将构件与连接件进行焊接。在施工现场，要严格控制钢格构是否符合质量标准，并安装支撑塔架，将柱与塔架组合后进行焊接。根据设计方案，用塔吊将上环梁安置在支撑塔架上，并且修正位置。安装固定支护用来固定。根据支撑梁设计，在支撑梁预埋件处标记等高线，等到吊装支撑梁达到放置线后完成吊装，并与连接件进行焊接。吊装仓顶结构预制构件后，用止水橡胶密封填充板缝，并用防水卷材对仓顶结构进行防水处理，以满足对仓体水密性的要求[5]。

2 有限元模拟及分析

为了进一步研究浅圆仓仓顶结构在竖向荷载下的受力特性，运用ABAQUS有限元分析软件对竖向均布荷载下浅圆仓仓顶结构进行有限元模拟。分析仓顶结构竖向的承载力作用下内应力的变化情况。仓顶结构的夹层异形板开裂荷载为5kN/m2。预期目标为在内应力2.5N/m2时，仓顶结构的竖向荷载要小于5kN/m2。设置5个小组，对浅圆仓仓顶结构承载力水平进行测试。

2.1 仓顶结构承载力测试

某新建的浅圆仓数量为10个，内部半径为25m。一个浅圆仓的高度为36.5m，占地面积约为2820.01m2。浅圆仓1、2、3号的总容量均为10万t。施工过程中，该浅圆仓结构为钢筋混凝土结构，建筑的抗震系数为8度，结构安全等级为3级。

根据浅圆仓仓顶板设计标准，浇筑5个构件。构件的尺寸为5000mm×1200mm，夹层板跨度为5000mm。构件设计信息如表1所示。

表1 构件设计信息

分布式连接预埋件的上、下锚板均采用厚度12mm的E545级钢板，长锚筋选用15mm 的二级钢筋与连接件锚板焊接。板内钢筋直径为8mm，构件中混凝土保护层厚度为15mm。运用ABAQUS 对夹层板进行数值模拟，以实体单元对混凝土进行建模，选用R5G36表示实体单元、三维桁架、单元中的节点数目。在均匀荷载分布下，梁截面弯矩计算公式为：

式中：

M——模拟协调值；

l——梁长度。

在对浅圆仓仓顶结构进行建模的过程中，为了防止上部混凝土压碎破坏，连接件下部锚板预埋进预制夹层板下部混凝土板。在有限元分析模型中，下环梁添加5个自由度的约束，建立浅圆仓仓顶结构模型。在实际工程中，上下环梁与预制仓顶板使用螺栓相连，在预留的接口处后浇灌浆料。

2.2 结果分析

在竖向荷载作用下，试件得到的位移-荷载曲线如图2所示。

图2 仓顶结构混凝土荷载-内应力图

由试验结果可知，在加载过程中，由于竖向板缝的存在，对结构整体刚度产生变化。在加载初期，5个小组的结构都处在弹性阶段，内应力值均增加。而后期内应力较为平缓，在内应力为2.5N/m2时，5个小组的竖向荷载值均<5kN/m2。结果均符合预期目标。

3 结束语

本文针对浅圆仓传统设计和施工中存在的问题，应用BIM技术对浅圆仓仓顶结构设计和施工进行优化。运用BIM软件对施工项目进行完整3D建模，把施工项目的外观和具体细节信息导入到模型中进行展示。根据BIM的实际特性，将构件数据信息导入到可视化模型中。按照模拟真实场景设计仓顶结构。为进一步研究浅圆仓仓顶结构在竖向荷载下的受力特性，运用ABAQUS有限元分析软件对竖向均布荷载下浅圆仓仓顶结构进行有限元模拟。分析仓顶结构竖向的承载力作用下内应力的变化情况。由试验结果可知，5 个小组的竖向荷载值均<5kN/m2，结果均符合预期目标，为实际施工中的规划提供了有力的数据支撑。