馬曉文

山西太鋼工程技術(shù)有限公司（030009）

輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工工藝與當(dāng)前制造業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)方式極為類(lèi)似，并且契合國(guó)家當(dāng)前的綠色建筑理念，因此在各種工業(yè)、商業(yè)建筑中都具有極為廣泛的應(yīng)用前景。將輕鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用到冶金廠房工程中，要重點(diǎn)考慮輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的防火設(shè)計(jì)，避免長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下影響建筑物的承重體系或改變內(nèi)部應(yīng)力，從而縮短建筑使用壽命。

1 工程概況

本工程為山西某公司的一處加工車(chē)間，位于XZ 市某村附近。該項(xiàng)目為小型建筑，所用主體材料為輕型鋼結(jié)構(gòu)，建筑規(guī)模長(zhǎng)度66 m，屋面采用100 mm 巖棉隔熱板材料，坡度設(shè)計(jì)為1∶15，屋架截面為梯形結(jié)構(gòu)，跨度18 m，柱距為3 m。該建筑所在地基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2，抗震設(shè)防烈度7 度，基本雪壓為0.25 kN/m2，同時(shí)建筑附帶一臺(tái)雙梁吊車(chē)，載重為20 t。

2 建筑耐火設(shè)計(jì)

2.1 高溫條件下輕鋼結(jié)構(gòu)荷載極限狀態(tài)

輕鋼結(jié)構(gòu)冶金廠房中，由于長(zhǎng)時(shí)間處于高溫作業(yè)環(huán)境，鋼材的力學(xué)性能與熱工性能會(huì)在很大程度上受到影響，進(jìn)而降低自身的承載能力。這一變化通常表現(xiàn)為建筑結(jié)構(gòu)處于極限受火狀態(tài)下時(shí)，鋼構(gòu)件的軸心受拉、受壓平衡遭到破壞，進(jìn)而造成材料的彈性模量及屈服強(qiáng)度迅速改變，變形速率逐漸大于材料的塑性區(qū)域，此時(shí)建筑整體結(jié)構(gòu)便會(huì)遭到破壞[1]。正常狀態(tài)下，可使用下面公式表示:

式中:L——鋼構(gòu)件長(zhǎng)度，mm；δ——構(gòu)件極限撓度變形值，mm；h——構(gòu)件的截面高度，mm；t——持續(xù)受熱時(shí)間，h。

2.2 高溫狀態(tài)下輕鋼結(jié)構(gòu)承載力變化情況

為了更好地體現(xiàn)出輕鋼結(jié)構(gòu)支架在臨近冶金作業(yè)區(qū)高溫條件下的承載力變化，本節(jié)擬定屋架編號(hào)模型。建筑材料擬用H 型鋼，屋架上下弦截面S1為9 218 mm2，豎、斜桿件截面S2為2 190 mm2，材料彈性模量均為2.06×105MPa，荷載參數(shù)設(shè)定為25 kN。

假設(shè)構(gòu)件彼此連接拉力為X1，常溫狀態(tài)下屋架超靜定狀態(tài)可用公式Δ1p+δ1X1=0 來(lái)表示。

其中，Δ1p經(jīng)計(jì)算為，δ1為，則由此可計(jì)算X1=3.5P。利用X1可通過(guò)結(jié)構(gòu)整體平衡公式即可求出超靜定狀態(tài)下，下弦桿1、4、8構(gòu)件的內(nèi)力數(shù)值分別為-35、10、25。

在臨近冶金作業(yè)區(qū)高溫狀態(tài)下，屋架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力情況需要考慮鋼材受熱后的膨脹系數(shù)αs與受熱時(shí)長(zhǎng)Ts（溫度與時(shí)間關(guān)系）。本工程選用的建筑鋼材αs值為1.4×10-5，了解到該工廠臨近冶金作業(yè)區(qū)溫度與時(shí)間關(guān)系為T(mén)S=345l g（8t+1）+20。此時(shí)屋架超靜定狀態(tài)結(jié)構(gòu)變化為:

經(jīng)計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)溫度攀升后，屋架構(gòu)件的內(nèi)力狀態(tài)將快速增大，并在膨脹系數(shù)的作用下使構(gòu)件接觸部分的拉力轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫2]。此時(shí)下弦桿的作用力變化更加明顯，并且由于受力方向的改變，上弦桿與其他腹桿的作用力集中在下弦桿上，因此極易導(dǎo)致超靜定狀態(tài)受到破壞，從而造成建筑結(jié)構(gòu)的損壞。

2.3 輕鋼結(jié)構(gòu)的耐火措施

通常而言，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火設(shè)計(jì)主要有粘貼法、吊頂法、現(xiàn)澆法以及噴涂法等四種措施。本項(xiàng)目為小型建筑結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆法由于會(huì)增加建筑自重，需要延長(zhǎng)工期對(duì)地基進(jìn)行處理。吊頂法是采用鋼絞索來(lái)吊裝防火材料，并提高屋架的承載能力。由于本工程涉及安裝大型雙梁吊車(chē)，采用此種工藝會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行。因此排除吊頂法、現(xiàn)澆法，擬用粘貼法與噴涂法來(lái)共同增強(qiáng)建筑的耐火性能。

2.3.1 噴涂法

噴涂法的作用原理為將隔熱涂料均勻噴涂在鋼結(jié)構(gòu)表面，一旦涂料吸熱之后便會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，自動(dòng)釋放水汽與不可燃?xì)怏w來(lái)驅(qū)散周?chē)鸁崃?，從而?duì)鋼構(gòu)件形成一定的降溫作用。在金屬表面溫度達(dá)到臨界值的情況下，會(huì)自動(dòng)在鋼結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生一層泡沫隔熱層，避免熱源直接侵蝕金屬表面，產(chǎn)生熱橋效應(yīng)，阻止熱量進(jìn)一步向鋼構(gòu)件內(nèi)部傳遞，以此延長(zhǎng)鋼構(gòu)件的極限狀態(tài)。但這一技術(shù)的缺陷在于需要定期進(jìn)行噴涂維護(hù)。對(duì)一些主要承重構(gòu)件進(jìn)行噴涂時(shí)，要在金屬結(jié)構(gòu)表面裝訂鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以確保涂層厚度在4 cm 以上[3]。

2.3.2 粘貼法

粘貼法在輕鋼結(jié)構(gòu)廠房隔熱設(shè)計(jì)中較為普遍，并且有著極為卓越的防火效果。本工程結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)條件，設(shè)計(jì)隔熱面板規(guī)格為100 mm×100 mm，厚度達(dá)25 mm 以上。同時(shí)輕鋼構(gòu)件用巖棉材料緊密包裹，利用射釘與鋼釘將面板固定在鋼構(gòu)件表面，材料接縫處采用25 mm×25 mm 的角鋼材質(zhì)進(jìn)行覆蓋。

3 BIM 輕鋼龍骨自動(dòng)化排布技術(shù)

BIM 技術(shù)目前在輕鋼結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域中擁有極為廣泛的應(yīng)用途徑，其主要功能在于改善輕鋼構(gòu)件的排布效果，根據(jù)建筑承載極限，選擇最為科學(xué)的結(jié)構(gòu)排布方式，能夠提高輕鋼結(jié)構(gòu)建筑建材加工、設(shè)計(jì)、安裝的準(zhǔn)確性，可以促進(jìn)建筑施工質(zhì)量的提升。本工程中采用的BIM 建模軟件為Autodesk Revit，以此替代傳統(tǒng)的CAD 平面設(shè)計(jì)圖形來(lái)輔助人工進(jìn)行施工。

3.1 墻面龍骨排布設(shè)計(jì)

Autodesk Revit 軟件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于根據(jù)施工圖紙對(duì)建筑布局、墻面參數(shù)設(shè)定之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值對(duì)后續(xù)的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)建，并采用智能排布算法保證龍骨排布的合理性。本工程設(shè)置的施工參數(shù)如下。

常規(guī)墻面尺寸:L（寬）×H（高）=3 000 mm×3 000 mm。豎向間距——400 mm，橫向間距——1 200 mm，底部間距——1 225 mm。

由此可計(jì)算墻面豎向龍骨排列為:墻面寬度（L）÷豎向間距=3 000÷400=7 根龍骨，并空余出200 mm 距離。按照墻體兩側(cè)各空置100 mm 間距，補(bǔ)加2 根龍骨進(jìn)行劃分，此時(shí)墻體最外側(cè)龍骨開(kāi)口方向朝向墻體內(nèi)側(cè)。橫向龍骨排列為:（墻面高度H- 底側(cè)間距）÷橫向間距=（3 000-1 225）÷1 200=1，空余575 mm，則補(bǔ)加1 根龍骨。

3.2 垂直相交墻龍骨排布設(shè)計(jì)

在處理垂直相交墻結(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)兩面墻的相連處進(jìn)行處理，主要流程為:

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，判斷兩面墻中哪一面為剪力墻，另一面則判定為主墻。

所有墻體的龍骨排布方式均按照豎向排列參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

墻體的相交點(diǎn)，需要在主墻原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上多設(shè)置2 個(gè)豎向龍骨。例如在A、B 兩面墻體中，B 墻為剪力墻，那么可以認(rèn)定A 為主墻構(gòu)造。系統(tǒng)在創(chuàng)建墻體模型的過(guò)程中，會(huì)自動(dòng)在兩面墻的相交點(diǎn)處為A 墻多設(shè)置2 根龍骨，隨后沿B 墻端點(diǎn)開(kāi)始正常排布。

3.3 門(mén)窗孔洞處龍骨排布設(shè)計(jì)

墻體門(mén)窗孔洞處設(shè)計(jì)時(shí)，Autodesk Revit 軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)以下運(yùn)算流程設(shè)計(jì)，同時(shí)采取局部強(qiáng)化處理技術(shù)，以避免對(duì)建筑物的承載能力造成損傷。

首先，門(mén)窗處建筑龍骨采用豎向排布設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中設(shè)置的門(mén)窗建造參數(shù)，預(yù)留出相應(yīng)大小的孔洞，從門(mén)、窗框上沿繼續(xù)進(jìn)行向上排布。窗洞位置則需要將龍骨分為上下兩個(gè)部分，分別在窗框下沿與上沿處進(jìn)行排布。

其次，門(mén)、窗洞位置需要設(shè)置相應(yīng)的偏移量，為施工過(guò)程中置留出足夠的容錯(cuò)空間。

最后，門(mén)窗洞口兩側(cè)需要設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)龍骨，并與洞口上下兩端的連接梁進(jìn)行固定，以此增強(qiáng)墻體結(jié)構(gòu)的承載力[4]。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要先確定門(mén)窗洞口相鄰位置的豎向龍骨排列，然后將補(bǔ)強(qiáng)龍骨與其進(jìn)行搭接，并且其最終位置需要向兩側(cè)各自移動(dòng)3 mm，以保證盒子梁或過(guò)梁能夠順利鑲嵌至門(mén)框內(nèi)部。

4 施工成效

經(jīng)對(duì)比研究，采用Autodesk Revit 軟件自動(dòng)構(gòu)圖設(shè)計(jì)的建筑圖紙，相較于CAD 設(shè)計(jì)出圖效率提升了42.7%，并且施工過(guò)程中由于有更為直觀的三維立體圖紙指導(dǎo)，使施工周期相較于以往建設(shè)周期縮短了24%[5-7]。另外，在完成三維建模之后，采用算量功能即可精確導(dǎo)出輕鋼構(gòu)件的尺寸規(guī)格與工程料單,因此可以直接與預(yù)制廠家聯(lián)系定制生產(chǎn)。

4.1 設(shè)計(jì)完成后的協(xié)調(diào)處理

完成初步設(shè)計(jì)后，工作人員還需要根據(jù)業(yè)主意見(jiàn)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境等對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行調(diào)試。工作人員可以依托兩點(diǎn)來(lái)糾正設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中存在的誤差。

首先，BIM三維碰撞檢測(cè)技術(shù)在系統(tǒng)自動(dòng)構(gòu)建生成的立體施工圖形中，輸入使用鋼材在高溫狀態(tài)下的各項(xiàng)物理性能極限值，檢測(cè)建筑結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定。

其次，BIM技術(shù)可依托于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)信息共享。這一過(guò)程中設(shè)計(jì)人員可以將完整的建筑模型與系統(tǒng)中的同等規(guī)模建筑模型進(jìn)行合并對(duì)比，并對(duì)差異（承載力、建筑結(jié)構(gòu)、材料用量）進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合使用需求作相應(yīng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，提升設(shè)計(jì)方案速度，結(jié)合系統(tǒng)的模擬測(cè)試反饋來(lái)綜合調(diào)整設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[8-9]。

4.2 施工吊裝管理

BIM 施工技術(shù)可以借助有限元受力分析的方式，對(duì)建筑吊裝施工過(guò)程中各個(gè)單元構(gòu)件的力學(xué)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)搭配、受力極限進(jìn)行分析，避免吊裝施工由于操作失誤而引發(fā)安全問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，BIM技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備對(duì)接，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的作業(yè)參數(shù)，設(shè)置更為合理的分段式吊裝工序。例如，通過(guò)模擬塔式起重機(jī)的作用范圍以及回旋半徑，BIM技術(shù)可以設(shè)定作業(yè)安全區(qū)域，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)感應(yīng)探頭等裝置，共同組成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。一旦作業(yè)人員或設(shè)備超過(guò)安全作業(yè)區(qū)域，BIM系統(tǒng)即會(huì)立即發(fā)出警告，從而控制其與高壓線、附近建筑的安全距離[10-12]。

5 結(jié)語(yǔ)

文章采用輕鋼結(jié)構(gòu)荷載極限公式對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)冶金廠房的耐火措施進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足其功能使用需求，并提出了基于BIM技術(shù)的輕鋼結(jié)構(gòu)龍骨排布計(jì)算方式，確保有效提高施工質(zhì)量，減少施工過(guò)程中的誤差現(xiàn)象，希望能夠促進(jìn)我國(guó)輕鋼結(jié)構(gòu)建筑施工水平的提升。