三亚体育场罩棚临时支撑体系的设计和BIM应用

三亚市体育中心体育场项目为甲级大型体育场（图1）。其平面为不规则的五边形，下部为四层混凝土结构看台，上部为罩棚。罩棚内圈采用轮辐式索桁架结构+膜结构组合形式，其上方屋面覆盖PTFE膜材，外围结构为幕墙斜柱支撑+V型柱支撑的单层网壳屋面，上方为金属屋面结构。内圈结构由52榀轮辐式索桁架和刚性受压环桁架组成自平衡结构，其中刚性受压环桁架内外圈弦杆间距由15~20 m变化。图1 体育场整体整体效果外圈钢结构主要包括内环V型柱、受压内环梁、中柱、交叉梁、外幕墙斜柱、外环梁（图2）。内环V型柱和外幕墙斜柱沿环向按不同角度朝外倾斜，钢柱上下节点均采用关节轴承连接形式，可双向转动。内环梁箱型截面规格为B 1 300×1 500×45~60，内环V型柱圆管截面规格为P 1 200×20，外幕墙柱为鱼腹式变截面B 900~1 500×600×20×20，外环钢梁箱型截面为B 1 200×1 200×20×35，交叉钢梁最大箱型截面为B 1 200×500×25×25，其最大跨度26.0 m。内环钢梁材质为Q 345 GJC，其他材质均为Q 345 B。图2 体育场外围钢结构轴侧1 临时支撑体系设计难点（1）本工程外围钢结构空间设计复杂，钢柱平面向外倾斜角度不一（东西区内环V柱倾斜约40°，南北区约15°，外幕墙柱倾斜约25°）受力复杂；构件跨度及截面规格较大，支撑高达30 m且偏心受力，难以保证侧向稳定。（2）临时支撑体系设计需考虑施工、考虑卸载阶段及台风荷载等不利受力组合，并考虑吊装过程中构件与胎架轻微碰撞、松钩后同一胎架上不同支撑点瞬间受力不同步等偶然工况。临时支撑点数量多，需分组分批次卸载，支撑胎架受力工况复杂。（3）临时支撑体系顶部支撑点部位为结构节点复杂位置，其底部落在看台结构、V柱柱脚、楼梯、附属结构及楼板上，支撑体系设计阶段的碰撞检查和精细化建模施工仿真分析尤为重要。2 临时支撑体系设计2.1 设计思路本工程钢柱整根吊装，钢梁按一跨一段分段吊装，支撑点设在梁柱节点处以同时满足钢柱及环梁支撑要求。因外环幕墙斜柱倾斜角度较小，采用独立支撑胎架。内环东西区V柱平面外倾斜较大采用门式胎架，南北区倾斜较小采用独立胎架。根据支撑受力及结构特点设计7种临时支撑体系，共126个胎架（图3）。图3 临时支撑胎架布置支撑标准胎架尺寸为2 m×2 m×4 m/6 m/12 m，标准胎架通过法兰连接，立杆为方管B 150×8，腹杆及水平杆为方管B 80×6，钢平台构件截面为HW 350×350，材质均为Q 345 B。2.2 内环临时支撑体系设计东西区内环V柱平面朝外倾斜的角度达40°，内环梁先吊装，V柱后塞装，即不考虑V柱支撑。因内环梁下翼缘节点区域设有大插板，无支撑空间，即在内环梁两侧腹板底部增加临时悬挑托座，胎架立杆支撑两侧托座，立杆底部为转换钢平台，四个方向设斜撑，保证立杆稳定。支撑胎架高22 m，为门式胎架形式。南北区内环V柱朝外倾斜约15°，V柱吊装后进行内环钢梁吊装时需使用V柱支撑，在胎架顶部设支撑固定悬挑钢平台，在平台上焊接内八字型钢，V柱就位后与内八字型钢点焊固定，即形成平面内三角稳定体系。内八字型钢还可限制其平面外稳定。支撑节点处设有索耳板时，由于耳板孔定位精度要求高，需额外搭设立杆进行支撑。支撑胎架高约15 m，采用独立支撑胎架体系如图4、图5所示。图4 东西区内环V柱梁支撑胎架图5 南北侧内环V柱梁支撑胎架2.3 外环临时支撑体系设计由于外环幕墙斜柱朝外倾斜的角度较小，钢柱吊装后再吊装外环钢梁，故需考虑幕墙斜柱支撑，在胎架顶部钢平台上焊接两根悬挑型钢形成凹形卡槽，幕墙斜柱就位后与凹槽点焊固定，形成平面内三角稳定体系。凹槽还可限制斜柱平面外稳定。在胎架顶部钢平台上焊接四肢格构式小型支撑胎架，拉设两道斜杆与钢平台固定。小型支撑胎架支撑在外环钢梁下翼缘处，避开关节轴承节点部位。支撑胎架高约30 m（图6）。图6 外环梁柱支撑胎架3 安全技术措施（1）所有临时支撑体胎架四个方向均拉设缆风绳形成第二道安全防线。缆风绳节点在混凝土梁上的预埋件拉设，或在看台结构上拉设。（2）支撑体系底部通过钢平台或转换钢梁将荷载传递至混凝土梁上，在混凝土梁上预设埋件。架空混凝土楼板，使其不参与受力。（3）提取胎架底部不利组合荷载，对底部混凝土结构进行安全验算，对验算不满足要求的混凝土梁采用圆管回顶加固[4]。（4）临时支撑胎架施工过程中，对支撑外观质量、整体垂直度和平面弯曲偏差、对接处立杆错边量、变形监测点标记等进行安全监测。4 BIM技术应用胎架设计总流程如图7所示。图7 胎架设计流程4.1 设计阶段碰撞检查（1）通过Navisworks和Rhino软件，将各部分结构模型和支撑胎架模型以统一的坐标原点进行模型整合。整合后的模型分为土建结构、支撑胎架、钢结构三个组别。（2）分别对土建结构与支撑胎架、钢结构与支撑胎架进行碰撞检查，查找各部分结构间的碰撞问题并生成报告。（3）针对上述问题，生成碰撞检查统计表，从位置、问题图示、问题描述、解决方案、复核及二次复核等方面，对每个碰撞点进行详细统计与多次校核检查。通过对模型的修改、校核最终生成支撑胎架施工图。4.2 BIM管理平台应用（1）将模型载入到管理平台内，即可在PC端或移动端进行实时快速的模型浏览，查看各阶段模型状态，包括设计完成、成品出厂、进场验收、计划安装、支撑胎架验收、安装完成等。配合平台内的进度计划规划工厂制作与发货时间。每个构件均贴有不同的二维码标识识别与之配套的构件，以防现场拼装及安装阶段发生错乱。（2）将支撑胎架设计图及计算分析等数据上传至管理平台，供管理人员实时查看比对。现场对支撑胎架进行精准测量，将测量数据上传至管理平台，与设计模型进行拟合，依据设计图及方案进行检查，提高施工精度。文件资料及影像素材可在管理平台内统一收集与管理，方便后续使用。5 精细化施工仿真分析5.1 模型处理将支撑胎架精细模型放入零状态的分析模型中，考虑胎架刚度及钢结构的预起拱，将部分与主体杆件重合的部分设置为刚性杆，保证受力的真实性，进行全过程施工仿真分析计算。根据不同的胎架设计类型可分为1~7号胎架，内环分别选取独立和双支撑胎架两种胎架，外环支撑胎架按最不利受力工况进行分析。精细化模型处理见表1。表1 精细化计算模型施工仿真分析结果如下。（1）结构的安全和精度满足设计要求及规范要求，施工全过程和精细化分析中胎架强度均满足要求，施工工序安排合理。（2）精细化的胎架模型需与实际现场施工保持一致，由数据比对可知卸载时胎架杆件的应力大于精细化分析中荷载组合下的胎架应力，即单独设计胎架时应考虑足够的强度余量，一般将应力比控制在0.8以下，以保证胎架可靠。（3）若不考虑深化模型实际重量及支撑胎架整体刚度影响，会对钢结构施工过程仿真分析的结果造成很大偏差，难