基于 BIM的大跨度空間管析架施工技術(shù)研究

薛瑞凱 徐崗 袁果 高德鑫 余苗

【摘要】成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)國(guó)航基地工程（生產(chǎn)輔助設(shè)施一期）項(xiàng)目包括辦公樓、公寓樓、多功能活動(dòng)中心及食堂，其中活動(dòng)中心由大跨度管析架組成，通過 Revit2018軟件創(chuàng)建主體結(jié)構(gòu)模型，Tekla軟件創(chuàng)建管析架模型，融合多專業(yè)模型，強(qiáng)化應(yīng)用，導(dǎo)入整體模型進(jìn)行施工方案過程模擬，深入研究"地面拼裝、整體吊裝、空中對(duì)接"的施工方案，科學(xué)論證施工部署的可行性，解決了高空吊裝安全問題。

【關(guān)鍵詞】 BIM建模; Tekla; Fuzor;4D模擬;無人機(jī)監(jiān)控

【中圖分類號(hào)】 TU758.15?????????? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A

1工程概況

成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)國(guó)航基地項(xiàng)工程（生產(chǎn)輔助設(shè)施一期）項(xiàng)目活動(dòng)中心屋蓋主要由八福倒三角形管析架及周邊 H 型鋼梁組成，管析架上弦桿小299×14 mm、下弦桿小299×14 mm、腹桿小159×6 mm，管析架呈弧形分布，每福析架梁兩端用銷軸固定在鋼筋混凝土柱頭較座上，柱頂標(biāo)高+6.021 m、+5.787 m、+5.773 m、+7.281 m、+8.262 m、+8.753 m呈兩側(cè)對(duì)稱分布，最外側(cè)兩根柱頂為 H型鋼梁。管析架最大跨度45 m，高寬約2.5 m，梁頂最大頂標(biāo)高+10.189 m，基礎(chǔ)頂標(biāo)高-5.75 m，故梁頂最大凈空約15.939 m。食堂南側(cè)與食堂底板、頂板相連，施工場(chǎng)地較為寬廣，但管析架跨度大、重量大，故施工較為困難。

管析架安裝方式，采取"地面拼裝、整體吊裝、空中對(duì)接"的原則，地面拼裝可以同時(shí)多福析架同時(shí)拼裝作業(yè)，節(jié)省時(shí)間，提升效率，較傳統(tǒng)的高空散件拼裝僅允許單福拼裝，節(jié)省了大量拼裝時(shí)間，還節(jié)省了滿堂架搭設(shè)時(shí)間，在安裝效率上得到了明顯改善。

2構(gòu)建模型

首先結(jié)合建設(shè)方下發(fā)的施工圖，使用 Revit2018軟件將活動(dòng)中心主體結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建完成，大型場(chǎng)館內(nèi)主體結(jié)構(gòu)施工較為簡(jiǎn)易，重難點(diǎn)集中在鋼結(jié)構(gòu)上，故主體結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建完成后復(fù)核主體結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)連接處節(jié)點(diǎn)與標(biāo)高等細(xì)節(jié)。

根據(jù)施工圖管析架及 H型鋼次梁組成的屋蓋體系的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系原點(diǎn)，分析管析架節(jié)點(diǎn)詳圖、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)表、桿件截面表、鋼構(gòu)件材料表，在 Tekla軟件中構(gòu)建管析架與 H型鋼梁等結(jié)構(gòu)模型，連接處節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格按照節(jié)點(diǎn)大樣處理，并使用節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)表復(fù)核標(biāo)高。因?yàn)楣芪黾軐儆诔L(zhǎng)結(jié)構(gòu)，考慮到運(yùn)輸路線與車輛選擇，將管析架分為2～3段加工，通過模型導(dǎo)出加工圖紙，經(jīng)設(shè)計(jì)單位審核確認(rèn)無誤后，可按加工圖生產(chǎn)管析架。

Revit構(gòu)建的主體結(jié)構(gòu)模型與 Tekla構(gòu)建的鋼結(jié)構(gòu)模型兩者結(jié)合才能完成整體模型，做法通過 Tekla模型導(dǎo)出為 CAD版本的3D模型，再將該3D模型導(dǎo)入 Revit軟件中，調(diào)整兩模型的坐標(biāo)原點(diǎn)，使用建筑圖紙中坐標(biāo)復(fù)核模型精確度，再確認(rèn)無誤后保存模型（圖1）。

3施工應(yīng)用

總體施工部署為：工廠分段加工，分段運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)，按施工平面布置要求進(jìn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)使用 M20地腳螺栓將拼裝胎架固定在地下室底板上，使用25 t吊車吊裝分段一管析架至胎架上拼裝固定，吊裝前使用塔機(jī)將與第一福管析架連接的2道次梁安裝完成，待次梁安裝、管析架拼裝完成，使用100 t吊車整體吊裝至相應(yīng)柱頂固定，每一福管析架吊裝完后，拆除胎架，再為下一福管析架安裝固定胎架，依次類推。因場(chǎng)地限制，前兩福管析架在拼裝時(shí)擺放位置調(diào)整至與第三、四福位置相同，故該部分胎架可以暫時(shí)不移動(dòng)，直至第三福管吊裝完成，再移動(dòng)第三福管析架固定胎架至第五福管析架胎架位置。第三福起吊時(shí)先升至正負(fù)零，旋轉(zhuǎn)一定角度，起升至柱頂再次旋轉(zhuǎn)，滿足安裝要求后落鉤，后續(xù)管析架吊裝方式同第三福。

3.1施工模擬

編制專項(xiàng)施工方案要考慮到鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)場(chǎng)、胎架的擺放位置、管析架拼裝方式、起吊流程及注意事項(xiàng)等。使用Fuzor制作4D施工模擬時(shí)重點(diǎn)關(guān)注汽車吊進(jìn)場(chǎng)路線、管析架擺放及起吊路線、吊裝時(shí)管析架旋轉(zhuǎn)方向及角度、汽車吊旋轉(zhuǎn)半徑[4]。

首先設(shè)置汽車吊構(gòu)建屬性的車輛信息，隨后增加汽車吊關(guān)鍵幀，以符合方案中汽車吊進(jìn)場(chǎng)路線，增加汽車吊支撐、調(diào)節(jié)起重臂的關(guān)鍵幀，并鎖定起重臂起吊角度、旋轉(zhuǎn)半徑及起吊高度，只改變旋轉(zhuǎn)角度，避免在吊裝過程中導(dǎo)致管析架失衡。將吊鉤落下后，選擇管析架平衡位置起吊，緩慢收鉤至柱頂標(biāo)高以上，旋轉(zhuǎn)起重臂，同時(shí)旋轉(zhuǎn)管析架，不沖突結(jié)構(gòu)柱與塔吊的情況下，記錄管析架起吊高度最低值，實(shí)際操作時(shí)不得低于該值。

管析架旋轉(zhuǎn)至柱頂后，汽車吊不再旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，緩慢調(diào)整吊鉤高度，將管析架下落至柱頂，固定完成后汽車吊收鉤，再吊裝第二組管析架。

施工動(dòng)畫模擬不僅能針對(duì)方案查缺補(bǔ)漏，還能夠形象地反映施工過程，交底的可視化也讓吊裝過程的管理及監(jiān)控有據(jù)可依，施工人員的職責(zé)更明晰，確保施工過程的規(guī)范化。

3.2管析架安裝

管析架安裝過程中，使用全站儀和線錘對(duì)鋼架的軸線位置進(jìn)行精確校核。管析架對(duì)接時(shí)，胎架根據(jù)管析架軸線及對(duì)接位置進(jìn)行布置。在管析架端扣焊接定位耳板，作為對(duì)接時(shí)臨時(shí)固定措施，對(duì)接后將耳板割除磨平。水平方向使用手拉葫蘆微調(diào)，垂直方向使用千斤頂微調(diào)，管析架主弦管在完成對(duì)口檢查，滿足設(shè)計(jì)要求后，焊接固定主弦管[2]。

胎架不僅需要滿足整體穩(wěn)定性，還需要滿足管析架擺放在胎架上的局部穩(wěn)定性、胎架剛度、抗彎要求。胎架進(jìn)場(chǎng)后加工焊接拼裝，在安裝時(shí)首先定位放線，確定方向及胎架位置，鉆孔釘人鋼筋定位，使用吊車轉(zhuǎn)運(yùn)至定位鋼筋內(nèi)，使用水平尺調(diào)整胎架垂直度后用膨脹螺絲固定緊實(shí)（圖2）。

3.3管析架吊裝

在測(cè)站點(diǎn)上架設(shè)全站儀，將每福管析架的軸線定位線投影的位置線預(yù)先放樣在拼裝平臺(tái)，使用全站儀對(duì)管析架上、下弦管的軸線進(jìn)行定位，確保管件的軸線偏差在容許誤差之內(nèi)。為保證管析架按3%起拱的拼裝精度，需用全站儀對(duì)所有上、下弦管每個(gè)對(duì)接口、端口位置的中心軸線標(biāo)高、位置精確測(cè)，然后進(jìn)行焊接加固（圖3），并在吊裝之前對(duì)拼裝完成的管析架進(jìn)行復(fù)測(cè)[3]。

管析架安裝遵循從從左至右安裝的原則，單福管析架梁在地面拼裝從一端開始，先安裝首端段管析架梁兩端胎架，吊裝首段橫管析架梁安裝在固定胎架上，確保首段梁不發(fā)生縱、橫向移位。在首段梁與二段梁接頭部位放置好臨時(shí)支撐架，準(zhǔn)備第二段吊裝（圖4）。

地上拼裝時(shí)，單福梁組對(duì)好后，按照規(guī)范要求調(diào)整好拱度、水平度、彎曲度，使梁的安裝達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，檢查合格后，將接頭部位焊接牢固。當(dāng)單福梁焊接完成后，將其周邊梁、桿安裝到位，確保管析架梁不會(huì)偏移。

拼裝完成后吊裝整福管析架，管析架單根最大重量14.886 t，吊裝最大高度15.939 m，長(zhǎng)45 m，采用四點(diǎn)吊裝，管析架中間與兩端使用手拉葫蘆與鋼鏈連接，在試吊時(shí)檢查平直度，有必要時(shí)使用手拉葫蘆調(diào)整。起吊前應(yīng)在管析架兩端綁扎纜風(fēng)繩，起吊后拉緊，使析架吊起后不發(fā)生大的搖擺，保持其正確位置。

為保證吊裝安全，將施工模擬的模型及吊點(diǎn)設(shè)置通過 MIDAs 建模計(jì)算，因吊裝時(shí)只有吊點(diǎn)受力，故在吊點(diǎn)處增加3個(gè)方向的位移約束，荷載取自重荷載（模型內(nèi)材料總重13.75 t，實(shí)際為14.86 t，故自重系數(shù)取1.1），結(jié)果輸出時(shí)取1.2荷載系數(shù)。最終計(jì)算得知該變形處于可控范圍內(nèi)，最大組合應(yīng)力桿件、最大軸向力滿足要求（圖5）[1]。

將管析架從拼裝位置起吊到距地面200～300 mm高度，檢查各鋼絲繩受力是否均勻，持續(xù)5 min后，再看管析架有變形、桿件有無彎曲等現(xiàn)象，如情況良好，可正式起吊。如有不影響結(jié)構(gòu)安裝的變形量，使用手拉葫蘆調(diào)整至誤差內(nèi)。

起吊時(shí)將管析架提升超過建筑物結(jié)構(gòu)最高安裝位置約300～500 mm，然后通過吊車轉(zhuǎn)臂，纜風(fēng)繩調(diào)整角度將管析架轉(zhuǎn)至吊裝位置上方，最后將管析架緩慢降至安裝位置進(jìn)行對(duì)位，安裝對(duì)位應(yīng)以建筑物的定位軸線為準(zhǔn)。因此在管析架吊裝前，應(yīng)用經(jīng)緯儀或其它工具在門架、結(jié)構(gòu)安裝位置上放出定位軸線。如截面中線與定位軸線偏差過大時(shí)，應(yīng)調(diào)整糾正。

管析架起吊過程中應(yīng)注意防護(hù)措施是否滑落。當(dāng)管析架逐漸落到安裝位置上時(shí)應(yīng)特別小心，防止損壞預(yù)埋板的承力面，此時(shí)可以察看管析架支座底板的中心線與預(yù)埋件的中心線是否吻合，并在管析架懸吊狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)整。

緩慢下落至預(yù)埋錨板上后，汽車吊司機(jī)持續(xù)關(guān)注儀表盤數(shù)據(jù)，荷載開始減輕，證明支座開始受力，安裝入員觀察管管析架是否存在變形，如無意外，再進(jìn)行后續(xù)安裝作業(yè)（圖6）。

3.4工程監(jiān)控

起吊過程吊車司機(jī)及安全旁站監(jiān)督員時(shí)刻監(jiān)控儀表盤，保證作業(yè)半徑在限制范圍內(nèi)，各項(xiàng)數(shù)值安全可靠。另將無人機(jī)起飛，在空中監(jiān)控吊裝過程，全程錄像，保證吊裝過程與施工模擬同步，確保施工安全和方案的落實(shí)。

陸空結(jié)合的施工監(jiān)控系統(tǒng)，讓危險(xiǎn)無處遁行，一旦出現(xiàn)汽車吊各項(xiàng)指標(biāo)超出監(jiān)控值，或者空中無人機(jī)發(fā)現(xiàn)有操作人員未按要求施工，立即通報(bào)施工指揮，發(fā)出預(yù)警，停止吊裝過程，整改后才允許繼續(xù)（圖7）。

3.5效益分析

根據(jù)場(chǎng)地大小選擇同時(shí)拼裝多福管析架，節(jié)省時(shí)間，提升效率，一福管析架吊裝后在安裝過程中另外一福拼裝焊接，同時(shí)胎架周轉(zhuǎn)至下一福，等待管析架進(jìn)場(chǎng)卸車，不同作業(yè)面同時(shí)作業(yè)使得鋼結(jié)構(gòu)安裝效率最大化。胎架的重復(fù)利用減少了前期準(zhǔn)備工作，避免大量生產(chǎn)專用胎架。

項(xiàng)目關(guān)鍵線路工期節(jié)約至少10天以上，不僅提前完成節(jié)點(diǎn)任務(wù)，而且大大節(jié)約了機(jī)械設(shè)備及周轉(zhuǎn)架料的投入，同時(shí)規(guī)避了工期風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

4經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

正是 BIM全方位的應(yīng)用使重大危險(xiǎn)源的施工過程監(jiān)控更有據(jù)可依，提前預(yù)知施工過程的站位、鋼構(gòu)件的移動(dòng)路徑等。施工交底不再拘泥于紙上，視頻動(dòng)畫更加直觀可靠，可視化的交底讓所有現(xiàn)場(chǎng)施工人員都能了解每一步的流程，流程背后的含義以及存在的危險(xiǎn)，這是過去的交底無法做到的。

傳統(tǒng)施工只能通過圖紙和經(jīng)驗(yàn)來確認(rèn)方案的可行性，具有一定的局限性，容易考慮不周全，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)出現(xiàn)不可控因素，如結(jié)構(gòu)沖突、場(chǎng)地限制、機(jī)械性能等，對(duì)人力和工期都會(huì)產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。

動(dòng)畫模擬后不僅對(duì)施工起到了指導(dǎo)的作用，還更有利于對(duì)比分析，調(diào)整后續(xù)的施工部署，讓施工管理更加符合"智慧施工"的理念。

管析架模型創(chuàng)建，吊裝模擬是施工成功的重點(diǎn)，施工方案的編制缺失可行性的驗(yàn)證，僅代表了理論上可以實(shí)施，通過 BIM各類型軟件模擬了吊裝過程后，立即得到大家的認(rèn)同，方案實(shí)操可行，在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中重點(diǎn)關(guān)注安全及質(zhì)量把控即可。

參考文獻(xiàn)

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