基于自研計算軟件的地鐵車輛段大跨度高支模施工研究

葉永豐

(中國土木工程集團有限公司 北京 100080)

1 引言

隨著城市化進程的加快、城市經(jīng)濟的飛速發(fā)展，諸多大中型城市為緩解地面交通壓力，開始著手軌道交通建設(shè)[1－3]。然而，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用地供應(yīng)日趨緊張，加之，地鐵周邊土地具有極大的商業(yè)開發(fā)價值，為緩解城市用地緊張問題，充分發(fā)揮地鐵的人流吸引力，創(chuàng)造高附加值產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)眾多地鐵車輛段在設(shè)計時，采用“上蓋＋物業(yè)開發(fā)”的設(shè)計方案，即通過在車輛段上部增加蓋體進行物業(yè)開發(fā)[4]。因此，此類綜合物業(yè)開發(fā)的車輛段是一種值得研究和利用的結(jié)構(gòu)形式[5]。但是，車輛段作為地鐵檢修和停放列車的場所，占地面積大，同時為滿足列車通行，建筑限界也大，需要大量的大跨度高支模施工[6]。為保證地鐵車輛段施工達標，提升高模板系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須加強對高支模架施工的研究[7]。

根據(jù)2018年住建部頒發(fā)的《危險性較大的分部分項工程安全管理規(guī)定》可知，滿足兩個條件之一即可認定為高大模板支撐工程。其一，高度大于8 m的水平混凝土構(gòu)件模板支撐系統(tǒng)；其二，施工總荷載超過15 kN/m2，線荷載超過20 kN/m2，且模板跨度大于18 m[8]。在大跨度和大截面梁板混凝土結(jié)構(gòu)施工中，大跨高支模的合理設(shè)計和搭設(shè)安裝是保證施工安全的重要因素。目前我國規(guī)范對于大跨高支模的要求還不完善[9]。支架設(shè)計不合理、施工管理不到位等因素導(dǎo)致模板支架坍塌事件時有發(fā)生，不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，而且對人身安全帶來了巨大的威脅[10]。

劉浩研[11]總結(jié)了高支模板坍塌事故的16種誘因，指出計算的復(fù)雜性是導(dǎo)致傾覆的重要原因之一，有必要借助數(shù)值分析或軟件進行結(jié)構(gòu)計算；張敏等[12]以某體院館大跨度高支模工程為例，采用數(shù)值計算對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)高支模架進行計算和設(shè)計，成果對預(yù)應(yīng)力在高支模施工中的應(yīng)用具有重要意義；王廣林等[13]基于PKPM計算軟件，對安徽省某商住工程高支模進行實例分析，計算過程復(fù)雜且需要輔助一定的人工計算。由此可知，目前對大跨度高支模的分析計算以輔助施工，已得到了廣泛關(guān)注，但目前尚未有一款簡單實用的軟件得到開發(fā)，將大跨度高支模軟件計算應(yīng)用于地鐵車輛段施工的研究則更為少見。

鑒于此，本文依托深圳地鐵三號線橫崗雙層車輛段大跨度高支模施工作為研究重點，開發(fā)軟件解決地鐵車輛段工程大跨度高支模的計算問題，以發(fā)揮高支模技術(shù)優(yōu)勢，更為規(guī)范地展開高支模施工，以實現(xiàn)工程的安全、質(zhì)量及工期目標，同時結(jié)合軟件計算提出地鐵車輛段高支模施工的主要控制措施。

2 工程概述

深圳市軌道交通二期3號線橫崗雙層車輛段位于深圳市龍崗區(qū)橫崗六約村，用地18.34公頃，整個場地呈不規(guī)則的多邊形，東西長約1 070 m，南北寬約480 m。橫崗雙層車輛段由運用庫(面積58 200 m2，兩層)、軌行區(qū)(面積61 000 m2)、調(diào)機及工程車庫(面積14 160 m2)、檢修主廠房(面積37 040 m2)組成，建筑高度18.6 m。其中，運用庫是主體，由于是兩層的大跨度框架結(jié)構(gòu)，屋面上又要預(yù)留物業(yè)開發(fā)平臺，以期打造國內(nèi)首座雙層車輛段，因此主體結(jié)構(gòu)采取大梁厚板設(shè)計，工程對高支模施工的要求顯著高于一般工程，模板支撐高度均大于8 m，同期施工高支模體量大，模板支撐體系高度大，荷載較大，施工工期緊，給模板支架結(jié)構(gòu)分區(qū)設(shè)計、安裝控制帶來巨大挑戰(zhàn)，施工安全風險因素極其突出。圖1為運用庫首層圖。

圖1 運用庫首層

3 地鐵車輛段高支模施工的重難點分析

深圳地鐵三號線橫崗雙層車輛段高支模體量巨大，且模板支撐體系高度大，荷載大，實施存在諸多難題。地鐵車輛段高支模施工的重難點主要表現(xiàn)為以下幾個方面:

(1)梁板尺寸種類多，設(shè)計、驗算工作量大。

本工程為“上蓋＋物業(yè)開發(fā)”設(shè)計模式，結(jié)構(gòu)采取大梁厚板設(shè)計，主梁、次梁界面尺寸大且種類多，樓板厚度大，且模板支撐體系高度大，導(dǎo)致不同截面的梁、不同厚度的樓板均需進行理論計算以及驗算方面的工作，因此計算量非常大，加之施工工期緊，更加加大了難度。

(2)兩層的梁板結(jié)構(gòu)，高支模穩(wěn)定性控制難度大。

一方面，為保證雙層車輛段高支模板的側(cè)向穩(wěn)定性，需要在高大梁、板的高支撐模板上布置一定數(shù)量的剪力撐，而在結(jié)構(gòu)外架上則要滿布剪力撐，數(shù)量眾多的剪力撐對鋼管安裝提出較高要求。

另一方面，對于滿堂樓板和梁柱接頭處的模板和高支撐具有特殊要求，梁板模板的穩(wěn)定性控制難度大、安裝復(fù)雜。在縱橫方向上要求每隔10.5～12.5 m設(shè)置1道高支撐；在梁柱結(jié)合處，由于澆筑難度以及力學不利因素的要求，模板需要采用厚度為18 cm的膠合板進行特殊設(shè)置，施作時，采用柱模壓梁底模、梁側(cè)模壓柱模的方式進行搭建。

(3)高支模板安裝工程量大、安全要求高。

無論是從施工要求，還是從施工安全角度考慮，高支模板安裝時，必須要保證模板支撐的牢固性。由于項目高支模板的安裝量大、安裝時間緊張，因此在整個模板安裝過程中對安全控制的要求高。

(4)高支模板使用與拆除技術(shù)要求高。

無論是使用高支模板，還是拆除高支模板，都要逐塊拆卸或是安裝，不能成片操作。在使用和拆除過程中需要遵循的操作規(guī)程、技術(shù)要點嚴格，是高支模施工所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

(5)腳手架搭設(shè)需要編制方案及評審。

在搭設(shè)腳手架之前，先要編制專項施工方案并組織專家評審，并得到審批后搭設(shè)，相關(guān)人員要先進行安全防護以及技術(shù)交底，并由專門的技術(shù)人員在現(xiàn)場進行監(jiān)督和檢測，以確保安裝質(zhì)量以及安裝過程都符合規(guī)定。

4 基于自研計算軟件的高支模板計算應(yīng)用

4.1 自研計算軟件的特點

由于本工程高支模數(shù)量多，設(shè)計、驗算工作量大，為提高工作效率，加快施工進度，研究編寫了高支模施工計算管理程序軟件。其主要特點為:

(1)軟件界面美觀，操作方便，隨時有操作提示，命令調(diào)用都有三種方式(菜單、工具欄、快捷鍵)，交互能力強。

(2)計算過程和計算結(jié)果遵循國家規(guī)范和行業(yè)標準。

為保證計算結(jié)果的可靠度和通用性，軟件開發(fā)中所用計算公式來源皆出自國家規(guī)范、行業(yè)標準或者結(jié)構(gòu)設(shè)計教材，計算依據(jù)豐富和權(quán)威。軟件經(jīng)過工程實例試算，手動計算和其他計算程序?qū)Ρ冗\算，計算結(jié)果滿足現(xiàn)行標準、規(guī)范、規(guī)程要求。

(3)計算參數(shù)的記憶恢復(fù)功能。

不同工程的腳手架類型和計算參數(shù)有所不同。為此，依據(jù)不同工程類型創(chuàng)建的腳手架工程，軟件可以自動保存其計算參數(shù)，以便后續(xù)類似工程計算時進行調(diào)用和調(diào)整，實現(xiàn)參數(shù)的記憶和恢復(fù)。

(4)全程實現(xiàn)電子自動計算，可提供詳實的計算過程和計算結(jié)果。

創(chuàng)建工程和計算參數(shù)輸入完成后，即可進入運行計算，計算過程全程自動化，可提供詳實的計算依據(jù)、計算過程和計算結(jié)果，計算成果以計算書和圖件的形式表達，文本和圖件的排版嚴謹和精美，文本可輸出PDF格式和word格式，圖件可輸出JPG格式、word格式、CAD格式等。

(5)計算結(jié)果的可視化、圖形化。

對腳手架的計算結(jié)果包含結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)施工所需的彎矩圖、剪力圖、軸力圖和變形圖，軟件可以直觀地圖形化表達，也可以直接在圖中讀取參數(shù)，具有高效和可視化特點。軟件可用于建筑和橋梁高支模受力變形計算，也可以應(yīng)用于腳手架的計算。

(6)參考計算結(jié)果可對參數(shù)做出智能調(diào)整。

輸出的計算書中，以不同的顏色表示計算結(jié)果是否滿足工程要求，通常以綠色表示計算通過，黃色表示計算結(jié)果偏壓危險，具有警示作用，而紅色則表示計算未通過，并智能指出不合理的輸入?yún)?shù)，給設(shè)計和計算人員以參考和重新計算。

4.2 自研計算軟件的應(yīng)用

實際施工中，先通過系統(tǒng)主界面彈出【新建腳手架工程】對話框，如圖2所示，在工程名稱編輯框中輸入工程的名稱，再輸入腳手架設(shè)計參數(shù)，如圖3所示，完成【前處理】建模過程。

圖2 新建工程

圖3 軟件參數(shù)輸入

然后，通過【計算】－【運行分析】，自動進行有限元計算，如圖4所示。

圖4 加載圖示

完成計算后，進入【后處理】菜單。后處理模塊有4個功能:【設(shè)計結(jié)論及建議】、【有限元分析結(jié)果】、【生成并查看計算書】、【構(gòu)造要求】，用戶可依次查詢，獲得橫梁的計算模型、變形圖、彎矩圖、剪力圖，相應(yīng)數(shù)據(jù)、圖形或 word文件。如圖5、圖6所示。

圖5 后處理圖示

圖6 生成的計算書

5 基于自研計算軟件的高支模施工控制

5.1 高支模設(shè)計自研軟件計算成果

(1)結(jié)構(gòu)及高支?；厩闆r

運用庫各層的梁板尺寸及高支模的高度情況如表1所示。

表1 運用庫各層結(jié)構(gòu)尺寸

(2)自研軟件高支模計算成果

根據(jù)表1中已知條件，采用自研軟件進行計算，得出運用庫梁板的高支模計算成果，如表2所示。

表2 運用庫梁板高支模計算成果

5.2 基于軟件計算的施工控制措施

(1)鋼管立桿與橫桿的施工措施

鋼管高支撐架搭設(shè)應(yīng)遵循先梁后板的原則，先搭設(shè)梁底鋼管高支撐架，后搭設(shè)滿堂樓板鋼管高支撐。

本工程高支撐采用φ48×3.0 mm鋼管搭設(shè)。腳手架步距為1.2 m，橫桿接長采用對接，上下橫桿的接長位置應(yīng)錯開布置在不同的立桿縱距內(nèi)中，錯開距離l3不小于500 mm，與相近立桿的距離l4不大于立桿縱距a的三分之一，即l4≤a/3。立桿、橫桿接頭位置示意如圖7所示。

圖7 立桿、橫桿接頭位置示意

(2)高支模板的安裝

為保障高支模板的安裝質(zhì)量，安裝時需按以下要求進行:①模板整體好，接縫嚴密，錯縫平整。為確保對接縫不漏漿滲水，板之間填充厚度為5 mm的自粘海綿條，表面縫采用水泥清漿或水泥膩子粉進行封堵；②施作時，梁板間的安裝原則為梁側(cè)面模板包板底模、頂板模壓梁側(cè)面模板，梁柱接觸處的安裝原則為柱模板壓梁底模，梁側(cè)面模板壓柱模板。高支模鋼管搭設(shè)具體見圖8。

圖8 高支模鋼管架搭設(shè)示意

(3)高支模地基施工要求

本工程的運用庫具有結(jié)構(gòu)梁大、板厚、體重的特點，而高支模板為適應(yīng)結(jié)構(gòu)要求，存在高度大、跨度大的特點，因此為了保障高支模板的穩(wěn)固，需要對地基提出一定的承載力要求。

依據(jù)大量的工程經(jīng)驗以及同類工程的對比，在搭設(shè)高支模之前，對地基處理如下:①場地平衡和壓實至標高－1.4 m，采用黏性土進行夯實回填，壓實度不小于94%；②水泥石粉渣穩(wěn)定層鋪設(shè)，鋪設(shè)厚度為30 cm，壓實度不小于94%；③鋼筋混凝土地面澆筑，混凝土厚度為20 cm，混凝土等級為C20，配置φ10@150鋼筋網(wǎng)?；炷恋孛鏉仓? d后，即可開始搭設(shè)高支模鋼管支撐架。搭設(shè)鋼管前，應(yīng)在混凝土地面上滿鋪鋼板、槽鋼，以保證高支撐鋼管的支撐穩(wěn)定性。

(4)高支模的施工安全防護措施

高支模安全防護措施，主要為以下四點:①所有施工人員進入現(xiàn)場后要佩戴好安全帽，高空作業(yè)則必須佩帶安全帶，上工前做好安全防護設(shè)備的檢查；②使用設(shè)備在使用前均要進行檢查，尤其是扳手等工具要牢牢用繩鏈系住，釘子等則要按照規(guī)范放置在工具袋內(nèi)；③安裝和拆除模板，都要先搭建腳手架和設(shè)置防護欄桿，并站在指定的安全地點操作，避免出現(xiàn)同一垂直面的操作情況，且操作人員在施工過程中需主動規(guī)避吊物；④支模時，若是要中途停歇，先要將支撐和搭頭等牢牢釘緊，且要將腳手架上堆放的大批模板卸下來，妥善運走或是堆放模板或是牽杠、支撐，以避免出現(xiàn)踏空或是扶空的情況。

6 結(jié)束語

以深圳市軌道交通二期3號線橫崗雙層車輛段項目為依托，展開地鐵車輛段高支模施工研究，開發(fā)的高支模計算軟件，解決了快速施工計算問題，根據(jù)計算結(jié)果及大跨度高支模的工程特點，提出相應(yīng)的高支模施工控制措施，以規(guī)范大跨度高支模施工，為本工程高質(zhì)量、高效率、高經(jīng)濟效益和高社會效益地實現(xiàn)各項目目標起到保障作用，也確保了工程安全。研究成果一方面可推廣應(yīng)用于其他建筑工程或橋梁工程施工；另一方面也可借助計算機技術(shù)與工程施工的緊密融合，支持施工方案優(yōu)化及調(diào)整，進一步提高高支模的智能計算和施工水平。