BIM技術(shù)在大跨度屋面網(wǎng)架累計(jì)滑移中的應(yīng)用

楊 華， 張 恒, 黃金艷, 謝 飛

(1.中國(guó)建筑第四工程局有限公司，廣東廣州 510630;2.中建四局第三建設(shè)有限公司，四川成都 610041)

大型體育場(chǎng)館，大都采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有重量輕，強(qiáng)度高，整體性能好等特點(diǎn)，所以得到廣泛運(yùn)用，特別是在大跨度建筑物中的運(yùn)用。傳統(tǒng)采用搭設(shè)滿堂腳手架安裝屋面網(wǎng)架的方式已經(jīng)無法滿足項(xiàng)目的安全、進(jìn)度和成本等需求，網(wǎng)架拼裝滑移是一種新型安裝技術(shù)，場(chǎng)館建筑造型各異，無統(tǒng)一的系統(tǒng)性解決方法，特別是大跨度的網(wǎng)架拼裝滑移技術(shù)要求越來越高，給現(xiàn)場(chǎng)的施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

本文以高新區(qū)體育中心多功能館為背景，通過BIM技術(shù)對(duì)網(wǎng)架進(jìn)行受力分析，得出所需預(yù)起拱值，再通過BIM技術(shù)模擬網(wǎng)架滑移，運(yùn)用BIM輔助網(wǎng)架滑移交底，提前預(yù)知滑移過程中所能遇到的問題，提前處理，解決了大跨度屋面網(wǎng)架累計(jì)滑移技術(shù)的施工難題。

1 工程概況

某多功能館屋蓋平面呈六邊形，橫向最大跨度111.6 m，兩側(cè)分別懸挑15.9 m及21.5 m，縱向最大跨度86.4 m，兩側(cè)分別懸挑25.65 m。結(jié)構(gòu)形式為正交正放四角錐雙層焊接球網(wǎng)架，厚度5.0 m。網(wǎng)架沿看臺(tái)外邊緣設(shè)置多點(diǎn)支撐，支撐柱為混凝土柱，網(wǎng)架支座均采用成品單向彈性滑動(dòng)支座，支座處標(biāo)高22.8～30.2 m(圖1)。多功能館網(wǎng)殼為不規(guī)則的四角錐曲面網(wǎng)殼，結(jié)構(gòu)安裝精度控制難度大，需要計(jì)算出精確的網(wǎng)殼預(yù)起拱值，確定球節(jié)點(diǎn)拼裝坐標(biāo)，保證網(wǎng)架拼裝精度，是本工程的重點(diǎn)。采用累計(jì)滑移施工方法，擯棄了傳統(tǒng)的高空散拼裝，避免搭設(shè)大量支撐腳手架，降低施工措施投入，節(jié)約施工成本，同時(shí)給網(wǎng)架下部建筑施工提供作業(yè)空間。對(duì)于平臺(tái)位置的選擇，滑移方向的確定，是本工程的重點(diǎn)。

圖1 高新體育中心多功能館屋面網(wǎng)架BIM模型效果

2 BIM技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)架受力分析

多功能體育館，橫向最大跨度111.6 m，豎向最大跨度86.4 m，東西兩側(cè)分別懸挑15.9 m及21.5 m，南北兩側(cè)分別懸挑25.65 m。利用BIM技術(shù)進(jìn)行第一步到第十七步的模型計(jì)算(圖2)，得出如下數(shù)據(jù)(表1)，最終結(jié)果分析：結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力比0.91<1，施工成型階段結(jié)構(gòu)跨中豎向位移較大(大于1.15×72=83mm)，因此需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)起拱，起拱值設(shè)定為20 mm。通過分步計(jì)算，得出了正確的起拱值，從而確定了球節(jié)點(diǎn)拼裝坐標(biāo)，保證網(wǎng)架拼裝精度。

表1 網(wǎng)架變形、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖2 網(wǎng)架施工受力分析

3 BIM技術(shù)進(jìn)行滑移方案模擬

多功能體育館的網(wǎng)架滑移方案有兩個(gè)預(yù)選擇項(xiàng)，東西向搭設(shè)軌道進(jìn)行滑移或者南北向搭設(shè)軌道進(jìn)行滑移。通過BIM技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)架施工過程模擬分析。模擬安裝完成階段與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的相對(duì)下?lián)现担玫筋A(yù)偏數(shù)據(jù)，再根據(jù)軌道布置的原則：軌道布置在結(jié)構(gòu)桿件節(jié)點(diǎn)較強(qiáng)的位置，如支座、桿件節(jié)點(diǎn)處等；軌道布置盡量利用原有的結(jié)構(gòu)柱、梁進(jìn)行架設(shè)；滑軌布置數(shù)量必須滿足滑移施工狀態(tài)結(jié)構(gòu)撓度小于自重下設(shè)計(jì)狀態(tài)結(jié)構(gòu)撓度，最終確定如下滑移方案。

3.1 滑移平臺(tái)搭設(shè)

滑移平臺(tái)位寬度10 m，采用格構(gòu)式支撐架搭設(shè)。吊裝機(jī)械投入：4臺(tái)塔吊，1臺(tái)50 t汽車吊(圖3)。

圖3 模擬滑移平臺(tái)搭設(shè)

3.2 滑移軌道布置

沿軸線布置三條滑移軌道，單個(gè)軌道長(zhǎng)約130 m。兩條軸線滑移軌道利用該軸線的混凝土柱與支撐架結(jié)合的方式搭設(shè)，沒有混凝土梁的部位在軌道下方設(shè)置型鋼軌道梁。另一軸線滑移軌道采用支撐架搭設(shè)，軌道下方設(shè)置臨時(shí)支撐架和桁架式軌道梁?；栖壍涝O(shè)置成折線形，接近網(wǎng)架下弦曲線弧度?；栖壍澜Y(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)滑移過程中，起到承重、導(dǎo)向和橫向限制支座水平位移的作用。軌道由滑移梁及擋塊組成。滑移梁在滑移過程中起到承重作用。擋塊規(guī)格為20 mm×40 mm×150 mm(材質(zhì)Q345B)，焊接在滑移梁上，起到抵抗滑移支座推力作用。側(cè)擋塊焊縫采用雙面角焊縫，焊腳高度不小于10 mm。

3.3 頂推點(diǎn)布置

多功能體育館屋蓋網(wǎng)架滑移共設(shè)置15個(gè)頂推點(diǎn)，6臺(tái)頂推器(圖4)。根據(jù)不同位置，將滑移支座分為四種類型。類型一為支座球頂推點(diǎn)；類型二為網(wǎng)架下弦桿(結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換桿)頂推點(diǎn)，類型三為增設(shè)焊接球頂推點(diǎn)；類型四為K軸線焊接球頂推點(diǎn)(圖5)；第一階段滑移完成后，6臺(tái)頂推器倒運(yùn)至第二階段使用。西側(cè)全部滑移完成，東側(cè)再安裝3臺(tái)頂推器。液壓頂推器前端通過銷軸與被推移構(gòu)件上的耳板進(jìn)行連接固定，用以傳遞水平滑移頂推力。連接耳板厚度為20 mm，材質(zhì)Q345B。頂推點(diǎn)設(shè)置在網(wǎng)架下弦球節(jié)點(diǎn)處。在南北兩個(gè)軌道上，由于網(wǎng)架網(wǎng)格不規(guī)則布置，下弦球與滑移軌道上沒有處在一個(gè)水平線上，存在一定的距離差。需采取措施，設(shè)置轉(zhuǎn)換桿件將網(wǎng)格結(jié)構(gòu)通過滑靴落位到滑移軌道上。

圖4 頂推點(diǎn)位布置

圖5 三維模擬頂推點(diǎn)位

3.4 滑移分塊及滑移方向

以拼裝平臺(tái)為界限，首先累積滑移平臺(tái)西側(cè)鋼結(jié)構(gòu)(由東向西累積滑移)，再累積滑移平臺(tái)東側(cè)鋼結(jié)構(gòu)(由西向東累積滑移)，最后補(bǔ)裝平臺(tái)區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)。屋蓋網(wǎng)架共分為12個(gè)分塊，以平臺(tái)為界，分為西、東兩個(gè)滑移區(qū)域，西側(cè)分10個(gè)分塊拼裝滑移，其中西側(cè)的10個(gè)分塊拼裝滑移分為2×5個(gè)分塊拼裝滑移，先拼裝滑移塊1～5(圖6)，滑移到位后再拼裝塊6～10,完成西側(cè)滑移。東側(cè)分1個(gè)分塊拼裝滑移(圖7)，最后原位拼裝平臺(tái)處的第12分塊，完成屋面網(wǎng)架的整體滑移(圖8)。

圖6 西側(cè)1～5塊整體滑移

圖7 東側(cè)分塊滑移

圖8 第12個(gè)分塊拼裝

4 結(jié)束語

高新區(qū)體育中心屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用BIM技術(shù)模擬計(jì)算，在場(chǎng)外集中加工，專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行下料、卷制、對(duì)接頭焊接等工作,實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)外加工、制作的專業(yè)化，批量化。同時(shí)數(shù)字化模擬安裝與驗(yàn)收技術(shù)，節(jié)約了大量的原材料、能源和勞動(dòng)力，縮短了建設(shè)工期，節(jié)省了工程造價(jià)，降低了施工難度。該單項(xiàng)工程施工前，為解決上述難題，公司成立了超大跨度弧形屋面網(wǎng)架多軌道高空滑移BIM實(shí)施施工專題研究組，最終確定采用BIM技術(shù)模擬網(wǎng)架滑移整個(gè)過程，確定最優(yōu)滑移方案，合理布置頂推點(diǎn)位，在取得設(shè)計(jì)院確認(rèn)后反映至深化圖紙上。

拼裝時(shí)先利用BIM計(jì)算得出的預(yù)起拱值確定基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置獨(dú)立的軸線控制網(wǎng)，用可調(diào)節(jié)拼裝胎架和活動(dòng)定位裝置確定拼裝分區(qū)中心已修正坐標(biāo)的起始端下弦球位置，安裝固定后由此球節(jié)點(diǎn)向四周擴(kuò)散進(jìn)行組裝，把網(wǎng)架拼裝誤差消除在每個(gè)單元內(nèi)。大跨度屋面網(wǎng)架累積滑移施工技術(shù)，在大型場(chǎng)館類建筑中有廣泛應(yīng)用前景，具有安全可靠，節(jié)約成本，節(jié)省工期等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色施工發(fā)展要求。