BIM技术辅助大跨度异形曲面球型网壳安装施工技术

BIM技术辅助大跨度异形曲面球型网壳安装施工技术【摘要】随着科学技术的进步与社会文明的发展,大跨度钢结构体育馆、会展中心等公共建筑不断涌现,新型公共建筑具有功能和结构形式复杂的特点,这对传统的钢结构施工技术提出了巨大的挑战。本文以医学院大学生活动中心项目为例，采用BIM辅助大跨度异型曲面球形网壳安装、同期减少了钢管、脚手板等周转材料的投入，大幅度节约了人工的投入减少了施工强度、节省了工期、有效地降低了工程成本，对于高、大、难的工程其经济效益尤为突出。【关键词】BIM技术、全站仪定位、空中散拼、网壳安装0引言随着建筑业的迅猛发展，部分大型公建、商业、体育馆等建筑物为保证采光效果，其屋面往往采用网壳结构，传统的安装施工方法有搭设满堂脚手架、地面组装整体提升、采用分单元组装配轨道滑移等，以上安装方法不仅要投入大量的周转材料，还需要花费大量的人工，增加了工程成本，延长了工程工期。本文通过研究变传统的网壳安装施工方法，利用BIM技术辅助大跨度异形曲面球型网壳施工，该技术减少了钢管、脚手板等周转材料的投入，节约了人工，降低了劳动强度，提高了安装速度，节约了工期，有效地降低了工程成本，对于高、大、难的工程其经济效益尤为突出。1工程概况及难点齐齐哈尔医学院大学生活动中心工程位于齐齐哈尔市建华区卜奎北大街齐齐哈尔医学院内东南角，地下1层，地上4层，是集篮球比赛场、游泳馆于一体的综合性体育馆，主体结构为框架结构，建筑高度23.8m，建筑面积12495㎡，屋面网架5000m2，屋面为网球型钢结构屋面，总建筑面积约16500㎡，看台座位总数5190个，建筑总高度23.8m（如图1）。本工程作为齐齐哈尔市重点工程，以中国建设工程“鲁班奖”为目标，对于项目施工的技术含量、建设质量都需要严格的标准要求，本工程为异型结构，控制圆心多，曲线段多，弧形梁周长达1175m，最大跨弧形梁跨度为10.87m，并且每一层的外圈造型都不相同。传统放线采用经纬仪、线坠、钢卷尺定位的方法，受场地、地面情况及自然因素影响较大，过程复杂误差大，效率低下，传统的施工安装工艺无法满足大跨度异形曲面球型网壳安装施工。图1齐齐哈尔医学院大学生活动中心效果图2BIM技术辅助大跨度异形曲面球型网壳安装施工流程BIM技术辅助大跨度异形曲面球型网壳安装施工技术，在网壳结构安装前，首先利用Tekla软件对网壳结构进行建模，对每一根杆件和节点进行深化设计，确定每根杆件弦长、方向及每个螺栓球结点的空间位置，并编号、定位在BIM模型上，以此指导安装。利用中间某段拱为一个单元跨搭设起步网壳安装操作平台，在操作平台上进行首跨网壳的安装，利用已安装完成的首跨作为配重，将地面上事先按需要组装好的单元构件，采用机械吊装后在空中完成三角锥的三个顶端的高强螺栓的对接，同时向两侧不断延伸拼装小椎体，逐步形成大跨度异形曲面球型网壳，最终完成钢结构的安装，其工艺流程为：网壳结构建模→工厂加工→支座测量定位矫正→搭设起步架操作平台→组装首跨杆件→空中散拼安装杆件→网壳调整→支座连接。3操作要点及技术要求：3.1网壳结构建模利用Tekla建立网壳钢结构BIM模型，细化图纸进行节点分析，在三维可视化模型中对所有构件进行拆解、分段，逐一编号，经过反复校准后标注构件的尺寸，便于工厂加工，如图3.1所示。图3.1网壳结构BIM模型3.2工厂加工依据深化的网壳结构图纸，进行螺栓球、杆件、套筒、锥头、紧固螺钉等零件加工，并在工厂进行杆件焊接，对杆件焊缝进行全数探伤试验，验收合格后将构件运输至现场。3.3支座测量定位矫正采用全站仪对支座预埋件的轴线位置、标高进行复验，放出各支座的中心线，发现误差超出规范及时进行修正。3.4搭设起步架操作平台根据网壳结构的特点，结合网壳组装需要操作平台的位置，设计起步脚手架操作平台，脚手架搭设须满足现场施工要求，能够承受构件及施工人员荷载，下弦杆连接的螺栓球下部须采用格构柱支撑，如图3.4所示。起步架操作平台起步架操作平台图3.4网壳起步架操作平台平面示意图采用钢管扣件搭设支撑系统，顶部张设安全网，其上满铺50mm厚脚手板，平台顶标高距离螺栓球底部的距离不小于500mm。对脚手架操作平台专项方案进行专家论证，支撑体系搭设完成后，由项目经理组织技术负责人、安全员和建设单位、监理单位相关人员依据方案要求进行验收，经验收合格后经项目技术负责人和总监理工程师签字后方可进行下道工序施工。3.5组装首跨杆件网壳总体安装顺序如图3.5所示，采用起步脚手架操作平台做结构安装支撑，网壳首跨安装前，利用BIM技术进行网壳安装模拟，确定最佳安装方案，安装时采用塔吊吊运构件空中散拼向两侧同时推进，缩短网壳安装时间，利用手拉葫芦及千斤顶对网壳的标高和轴线位置进行调整，利用全站仪进行空间位置复核。安装第二部分安装第三部分安装第三部分安装第二部分安装第一部分安装第二部分安装第三部分安装第三部分安装第二部分安装第一部分图3.5网壳安装顺序示意图第一步，在起步架上拼装首跨网壳，利用全站仪进行柱上支座定位，确定第一个柱上螺栓球的位置，第一步第一个网格下弦支撑胎架定位，垫平垫实下弦球平面。第二步，完成第一个网格下弦杆件的组装，把下弦杆件与螺栓球连接并一次拧紧到位。第三步，将一个上弦球以及与之相连的网壳腹杆组装成整体与安装就位的下弦单元拼装成整体结构，腹杆下端连接下弦球的四只螺栓仅拧紧一颗，其余保持松动，以便在安装上弦时起到松口作用。第四步，组装下一单元格网壳下弦构件。第五步，将一个上弦球以及与之相连的网壳腹杆以及一侧的一根上弦杆组装成整体与安装就位的下弦单元拼装成整体结构，上弦杆与球拧紧应与腹杆和下弦拧紧依次进行。第六步，重复以上施工步骤继续进行其余网格构件的拼装直至首跨安装完成，整个首跨作为后续的安装配重，首跨安装平面、剖面如图3.5-1、3.5-2所示。图3.5-1网壳首跨安装平面示意图3..5-2网壳首跨安装剖面示意图3.6空中散拼安装杆件1把网壳根据实际情况合理地分割成各种单元主体：一球三杆、一球四杆、一球五杆、一球六杆组拼成网壳，由小拼单元一球四杆（四角锥体如图3.6-1所示）、一球三杆（三角锥体如图3.6-2所示）总拼成网壳；由小拼单元组成中拼单元，再总拼成网壳。图3.6-1一球四杆示意图图3.6-2一球三杆示意图2安装顺序根据网壳受力和构造特点，在首跨拼装完成的基础上，采用塔吊配合，向南北方向沿轴线先拼下弦，将下弦的标高、轴线调整好后，全部拧紧螺栓，起定位作用。3上弦和腹杆拼成四角锥的小拼单元，进行小拼单元的安装。每个小拼单元的螺栓同时进行拧紧，下弦和另一面腹杆可以采用单件安装，采用安装倒四角锥的方法进行安装，网壳安装以一个网格为一排，逐排推进，直到整个轴线安装完，并与支座焊接固定，网壳空中散拼示意图如图3.6-3～3.6-6所示。图3.6-3网壳推进安装平面示意图3.6-4网壳推进安装剖面示意图图3.6-5网壳安装完成平面示意图3.6-6网壳安装完成剖面示意图4重复步骤3直至网壳拼装完成，网壳现场高空散拼流程如图3.6-7所示，若拼装较大跨度的网壳结构需在跨中设置千斤顶，用千斤顶顶住螺栓球，找出螺栓球的定位标高，以控制拼装过程网壳的扰度。1234123465

图3.6-7网壳安装流程图5将用以调整网壳标高的千斤顶拆除，最后拆除中间最大扰度处的千斤顶，然后拆除脚手架组装平台，完成网壳结构施工。4结束语采用BIM技术辅助大跨度异形曲面球型网壳安装施工技术，有效的节约人工、材料租赁费用，节约了工期，降低了劳动强度,提高了工效，推进了科技进步。为项目创优打下了坚实的基础，同时得到了建设单位和监理单位的一致好评，该工程也被评为黑龙江省建筑业2018年度新技术应用示范金牌工程，荣获2019第八届“龙图杯”全国BIM大赛三等奖，为下一阶段的创优提供了有力保障。参考文献[1]李万庆,吕猛,孟文清.大跨度网壳复杂结构BIM建模关键问题对策研究[J].粉煤灰