孫云飛

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

隨著鋼結(jié)構(gòu)場(chǎng)館類建筑的大規(guī)模建造，建筑外形逐漸由傳統(tǒng)大型場(chǎng)館的幾何形屋蓋，轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)幾何圖形組合的屋蓋形式。對(duì)于多個(gè)圓形、橢圓形結(jié)合一體的屋蓋施工，如何提高非標(biāo)準(zhǔn)鋼構(gòu)件的制作精度，提高多構(gòu)件拼接質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)大跨度空間內(nèi)機(jī)械最優(yōu)配置，都是必須解決的問(wèn)題。

本文結(jié)合工程案例，通過(guò)充分發(fā)揮BIM三維模擬技術(shù)的可視性、參數(shù)化、模型化特點(diǎn)，對(duì)場(chǎng)館構(gòu)件進(jìn)行建模、定位以及合理分段，利用施工模擬分析，從而優(yōu)化屋蓋吊裝過(guò)程[1-6]。

1 工程概況

本工程基地總面積約4 2 8 5 7 m2，總建筑面積5 436 m2。其中，藝術(shù)館建筑面積4 999 m2，輔助用房建筑面積437 m2，由4個(gè)圓形展覽單元和1個(gè)橢圓形綜合單元組成（圖1）。

圖1 場(chǎng)館平面布置

藝術(shù)館展覽單元圓館半徑約為16 m，建筑高度為7.93 m，綜合單元橢圓館長(zhǎng)軸長(zhǎng)度約53 m，短軸長(zhǎng)度約35 m，建筑高度為10.81 m；輔助用房建筑高度為4 m，均為鋼梁、鋼柱結(jié)構(gòu)形式。

綜合單元：橢圓形結(jié)構(gòu)，由24根方鋼柱（柱頂標(biāo)高＋6.80 m）以及4道環(huán)形屋面鋼梁（約102根）組成，屋面由內(nèi)向外第1道環(huán)形鋼梁為內(nèi)懸挑鋼梁，第4道環(huán)形鋼梁為外懸挑鋼梁。

橢圓館長(zhǎng)軸長(zhǎng)度約53 m，短軸長(zhǎng)度約35 m，其中外側(cè)懸挑鋼梁長(zhǎng)度最長(zhǎng)為9.5 m，最短懸挑長(zhǎng)度為1.0 m，內(nèi)側(cè)懸挑長(zhǎng)度為1.5～4.0 m。

鋼連廊：館與館之間設(shè)有連廊結(jié)構(gòu)，連廊頂標(biāo)高為＋3.35 m，每段連廊兩端與館內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)吊柱焊接連接，其中1#與2#館之間連廊設(shè)有雙曲方管支撐，雙曲方管支撐與倒插式鋼柱（倒插約1.95 m）連接。

2 施工難重點(diǎn)及措施

2.1 藝術(shù)館屋頂鋼梁造型新穎，安裝精度控制難

本項(xiàng)目5個(gè)單元屋頂鋼梁均存在一定的坡度，且屋頂鋼梁涉及大量的懸挑鋼梁，鋼梁安裝過(guò)程中，鋼梁的安裝定位精度控制難。

應(yīng)對(duì)措施：綜合考慮結(jié)構(gòu)形式、安裝工況、構(gòu)件尺寸等因素后，根據(jù)安裝順序合理進(jìn)行構(gòu)件分段，減少懸挑鋼梁的安裝。次梁安裝時(shí)，鋼梁端部設(shè)置靠碼板，安裝時(shí)用高精度全站儀對(duì)每根構(gòu)件進(jìn)行三維定位測(cè)量，以保證鋼梁的安裝精度。

2.2 施工場(chǎng)地狹小，工期緊，吊裝布置困難

本項(xiàng)目5個(gè)單元同時(shí)施工，周邊運(yùn)輸?shù)缆飞形词┕ね瓿?，前期樁基施工時(shí)場(chǎng)地內(nèi)設(shè)有放坡，場(chǎng)內(nèi)道路僅有臨時(shí)便道和5個(gè)單元中間區(qū)域的臨時(shí)道碴堆場(chǎng)，施工場(chǎng)地狹小，鋼結(jié)構(gòu)吊裝設(shè)備無(wú)法靠近構(gòu)件安裝位置，同時(shí)本項(xiàng)目工期要求緊，因此合理的吊裝布置是本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)施工的一大重點(diǎn)。

應(yīng)對(duì)措施：根據(jù)本工程的建筑、結(jié)構(gòu)及施工特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地布置，對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行合理的分段。受場(chǎng)地限制，經(jīng)綜合比選，投入1臺(tái)150 t履帶吊作為主要吊裝施工機(jī)械，另外投入1臺(tái)50 t汽車吊和1臺(tái)25 t汽車吊作為輔助吊裝施工機(jī)械。

2.3 弧形屋面懸挑構(gòu)件類型多，施工效率低

本項(xiàng)目場(chǎng)館存在較多懸挑鋼梁，懸挑鋼梁長(zhǎng)度1.0～9.5 m，懸挑鋼梁質(zhì)量0.5～5.0 t。如何保證焊接質(zhì)量，提高焊接效率是本項(xiàng)目的重大難點(diǎn)。

應(yīng)對(duì)措施：建立弧形屋蓋三維模型，進(jìn)行編號(hào)分類堆放，分館集中進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)安裝。

3 技術(shù)路線及機(jī)械部署

綜合考慮本工程工期緊、施工場(chǎng)地有限等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)總體技術(shù)路線為：場(chǎng)館主體鋼結(jié)構(gòu)施工（3#→4#→5#→2#→1#）→各館夾層鋼結(jié)構(gòu)施工→館間弧形連廊鋼結(jié)構(gòu)施工。

場(chǎng)館鋼柱、鋼梁（包括部分懸挑鋼梁）吊裝階段，因施工場(chǎng)地內(nèi)施工道路限制，主要施工機(jī)械有1臺(tái)150 t履帶吊、2臺(tái)50 t汽車吊（圖2）。

圖2 施工機(jī)械平面布置

館內(nèi)夾層鋼結(jié)構(gòu)吊裝采用卷?yè)P(yáng)機(jī)和手拉葫蘆配合安裝，汽車吊負(fù)責(zé)構(gòu)件翻運(yùn)至起吊所需位置。

館間連廊鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)，主體結(jié)構(gòu)和吊夾層已施工完成，受限于運(yùn)輸車輛不得超寬，因此連廊鋼結(jié)構(gòu)考慮分段進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，地面拼裝成整體后安裝就位。連廊采用50 t汽車吊安裝，25 t汽車吊作為輔助施工機(jī)械用以翻運(yùn)構(gòu)件及場(chǎng)地內(nèi)拼裝。

4 鋼結(jié)構(gòu)安裝施工

4.1 平面及三維模型定位

結(jié)合弧形異形鋼構(gòu)件建筑結(jié)構(gòu)平面圖，利用Tekla軟件制作BIM三維模型，施工前復(fù)核模擬主體結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的優(yōu)化分段、館間夾層施工、節(jié)點(diǎn)處構(gòu)件的安裝組合（圖3）。

圖3 橢圓形鋼結(jié)構(gòu)三維模型

1#、2#館間的鋼連廊斜支撐為不規(guī)則單曲面構(gòu)件，建立BIM構(gòu)件模型，利于提取構(gòu)件相關(guān)尺寸信息，以便構(gòu)件加工，減少安裝誤差（圖4）。

圖4 連廊斜支撐三維模型

4.2 構(gòu)件分段設(shè)計(jì)

4.2.1 鋼柱分段

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙及項(xiàng)目總體施工流程，鋼柱分為2段吊裝，第1段為預(yù)埋段，標(biāo)高為－1.90～＋1.10 m，第2段標(biāo)高為＋1.10～＋6.90 m。

4.2.2 連廊斜支撐分段

場(chǎng)館之間的連廊長(zhǎng)度（約13 m）滿足運(yùn)輸要求，但寬度存在超寬，因此將連廊沿長(zhǎng)度方向分為2個(gè)部分。另外較長(zhǎng)的館間連廊根據(jù)結(jié)構(gòu)形式及長(zhǎng)度尺寸，在長(zhǎng)度上將連廊分為3段，每段長(zhǎng)度13～15 m，每段同樣沿長(zhǎng)度方向分為2個(gè)部分。1#～2#館連廊斜支撐分為3段（圖5）。

圖5 斜支撐分段及質(zhì)量

4.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝

4.3.1 鋼柱吊裝

先進(jìn)行預(yù)埋段鋼柱安裝。鋼柱安裝前進(jìn)行柱腳螺桿安裝，按照坐標(biāo)放置定位鋼板，在預(yù)埋段鋼柱吊裝前進(jìn)行安裝質(zhì)量復(fù)核。

第2節(jié)鋼柱最大質(zhì)量為7.3 t，吊裝半徑為40 m，大臂長(zhǎng)度66 m，起重量為8.8 t，滿足要求。構(gòu)件為3.6 t時(shí)，吊裝半徑為56 m，起重量為4.1 t，滿足要求。

4.3.2 屋面鋼梁吊裝

1 t以下構(gòu)件由2臺(tái)50 t汽車吊在26 m以內(nèi)半徑吊裝，50 t汽車吊大臂長(zhǎng)度32.75 m，起吊半徑26 m時(shí)，起重量為1.4 t，滿足要求。

1 t以上構(gòu)件，屋面鋼梁最大質(zhì)量為6.0 t，采用1臺(tái)150 t履帶吊吊裝施工，主臂長(zhǎng)度66 m，吊裝半徑為40 m時(shí)，起重量為8.8 t，滿足吊裝要求。

4.3.3 操作腳手架設(shè)計(jì)

鋼柱安裝完成后搭設(shè)腳手架進(jìn)行鋼梁的安裝，操作平臺(tái)圍繞鋼柱設(shè)垂直爬升通道，搭設(shè)1.2 m×1.2 m、步距1.8 m的鋼管操作平臺(tái)。

4.3.4 連廊安裝工藝

館間連廊斜撐安裝：先安裝倒插式鋼柱，再安裝兩側(cè)斜撐。安裝斜撐時(shí)，在斜撐懸挑端設(shè)置胎架作支撐，采用φ609 mm支撐，支撐下設(shè)置路基箱，待1#、2#連廊安裝完成后拆除支撐（圖6）。

圖6 連廊斜支撐分段及安裝示意

鋼連廊主要由4根主鋼管（φ203 mm×8 mm）組成，鋼管之間每間隔1 m采用鋼管（φ108 mm×5 mm）構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)散拼。館間鋼連廊分3榀進(jìn)行拼裝就位，先在安裝平面位置正下方散拼完成，再利用50 t汽車吊將3榀鋼連廊進(jìn)行整拼吊裝，安裝就位。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用BIM三維模擬技術(shù)，對(duì)圓形橢圓形屋蓋，館間連廊、連廊單曲面斜支撐等構(gòu)件進(jìn)行建模。因?yàn)閼姨艚Y(jié)構(gòu)多，長(zhǎng)度不一，應(yīng)力和變形較復(fù)雜，進(jìn)行模擬建造，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件合理分段，分段構(gòu)件信息的信息精準(zhǔn)提取，優(yōu)化了場(chǎng)館施工路線，保證了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作精度，減少了吊裝拼接誤差，有效縮短了屋蓋吊裝施工工期。