盤扣式支架及三維設計在游藝項目中的應用

張亮 喬堃

(1.上海寶冶集團有限公司BIM中心，上海 200941;2.上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海 201204)

0 引言

上海某國際主題樂園室外天幕區域鋼結構和建筑構造尤為復雜，天幕ETFE膜呈空間曲面造型，外露鋼結構油漆噴涂工序復雜，外觀質量要求高，成品保護難度大。游藝軌道和設備安裝調試的施工安全空間要求嚴格，約束條件多。同時，為保證緊迫工期，要求與天橋同步穿插施工。經過對常用的腳手架承載力、安全性、經濟性、適用性等的比選，擬采用承插型盤扣式腳手架進行操作平臺施工，應用三維可視化技術對腳手架方案進行三維承載力、變形性能設計、分析，優化架體空間布局，基于綜合協調模型進行碰撞分析以避免各類構件碰撞，確保了各分項工程的順利實施。

1 盤扣式支架

承插型盤扣式鋼管支架是一種大間距、高強、質輕、標準化、裝配化、多功能、易搭拆、安全可靠的新型架體，是繼普通鋼管扣件式腳手架、門式腳手架、碗扣式鋼管腳手架之后的升級換代產品［1，2］。盤扣式支架體系的主要構件為可調底座、基礎立桿、立桿、水平桿、斜拉桿、可調托撐及工字鋁梁、掛鉤踏板。立桿采用套管承插連接，水平、斜拉桿和立桿采用桿端扣接頭卡入連接盤，并用楔形插銷連接，形成幾何不變體系的鋼管支架。立桿長度有1.0 m，1.5 m，2.0 m，3.0 m四種規格，圓盤間距0.5 m，立桿直徑60.2 mm，管壁厚(3.1±0.15)mm。立桿、水平桿使用Q345B低碳合金結構鋼，單桿極限承載力可達200 kN。圓盤插座直徑為135 mm，厚10 mm，開設8個孔，設有水平桿與斜桿連接孔。

2 三維可視化設計

三維可視化設計的主要技術路線為:首先依據腳手架空間協調(如與游藝軌道和設備、演出布景鋼結構、網架膜結構等碰撞協調)、操作平臺和通道設置、安全空間要求等應用結構有限元分析軟件Midas Gen建立腳手架三維幾何模型，然后將其導出DWG格式并導入三維模型瀏覽和碰撞檢查軟件Naviswork，進行腳手架方案三維可視化瀏覽、審核，在滿足方案各項要求的情況下，優化腳手架空間布置和碰撞協調。依據軟件自動生成的碰撞報告反復調整模型直至腳手架幾何模型與空間實體充分協調，最后，依據已協調完成的幾何模型，在Midas Gen中賦予桿件截面屬性，荷載分布，結構計算假定等參數，對腳手架方案的承載力、穩定性、變形進行校核。

在進行結構建模時，由于立桿和立桿之間用套筒連接，控制搭設垂直度不大于L/500且小于±50 mm，所以將立桿和立桿之間的連接簡化為固接。盤扣鋼管支架與立桿連接節點具有一定的抗扭轉能力，其抗扭轉剛度可取8.6×107N·mm/rad。斜桿和立桿之間的連接形式為鉸接［3］。

3 工程概況

天幕采用空間曲面雙層鋼網架加ETFE膜結構體系，主要結構由圓管支撐斜柱、雙層網殼屋面、網殼邊緣構件(鋁板包邊)以及端部圓鋼管桁架組成，支撐斜柱長6 m～12 m，網殼最高處31.6 m，高區端部寬度約46 m。天幕鋼結構形式見圖1。天幕主體鋼結構，游藝軌道和斜柱以及人行天橋結構柱已施工完畢，腳手架方案設計時需進行避讓，同時，確保游藝車測試安全距離。腳手架的主要功能是為鋼結構打磨和油漆噴涂，屋頂機電管線和設備安裝以及噴涂，膜結構，游藝設備調試等施工提供操作平臺。擬采用承插型盤扣式鋼管支架搭設標高隨天幕結構變化的操作平臺(最高28 m)以及上人馬道、樓梯和物流通道，按照平面分四個區域順時針進行施工。

4 方案設計及應用

為滿足緊迫工期要求，天幕網架鋼結構的打磨、油漆噴涂需與天橋同步穿插施工，方案設計時需考慮標高約5.5 m天橋的施工影響，鋼筋混凝土平臺已經施工完成，腳手架可以直接在板上搭設，需要預留天橋的施工操作空間，避免各工序相互干擾。

圖1 天幕鋼結構形式

施工操作平臺的設計荷載按照1.5 kN/m2的施工活荷載設計，不作堆載貨物用，大件材料采取即吊即用的原則。根據計算單支立桿承受最大軸向壓力為27 kN，天幕區域的地基極限承載力須達到73 kPa，部分非混凝土基礎區域需作墊層加強處理。

施工操作平臺應盡可能貼合網架曲面，距離鋼結構網架下層面約0.6 m～1.2 m，架體以2 m×2 m和2 m×1.2 m的平面單元為主，每個單元滿鋪鋼制踏板，相鄰單元鋼制踏板工作面高度的變化以50 cm為單位，通過立桿上每隔50 cm的八角盤控制高度。當網架曲面坡度變化較大時，可沿著一邊搭設階梯型單元，一側用半扣短立桿扣在2 m加強橫桿上，半扣套筒上接立桿，并再扣上橫桿，放置2 m×0.26 m寬的踏板，局部不規整區域采用鋼管作加強橫桿，上鋪木板(見圖2)。

圖2 腳手架設計方案

方案考慮在四個施工區域分別設置一組人員上下通道，樓梯的高度為1.5 m、長度為2 m、寬度為0.6 m;對于相鄰工作面高差大于50 cm時應設置樓梯，在上層工作面臨邊設置防護欄，在下層工作面臨邊設置間隔50 cm的防護欄和踢腳板;1 m高差的樓梯可用半扣短立桿搭設踏步，高差為1.5 m的可以直接采用成品鋼制樓梯，高差大于2 m的應從其他高差小的相鄰工作面通過。

天幕腳手架工程與天橋同步穿插施工，腳手架方案須保證天橋的施工空間，兩者平面最小距離應大于30 cm，立面方向距離天橋頂面應大于2 m。擬在標高約7.5 m處設置6 m的桁架片跨過天橋，部分天橋平面交匯區域跨度較大(超過10 m)，普通桁架片難以解決懸空問題，采用結構加強的方法將導致成本增加和工期損失。故而根據現場條件采用改變施工工序的方法，在跨度大于6 m的區域先搭設天橋模板支撐，腳手架直接搭設在模板上，局部區域鋼筋綁扎以及混凝土澆筑時間適當調整。天幕區域游藝軌道和調試空間避讓采用調整橫桿或采用桁架片將碰撞區域架空的方式解決，應力分析結果表明，最大拉、壓應力分別為152.5 MPa，-168.4 MPa，小于承載力設計值205 MPa，因此承載力滿足要求(見圖3)。

圖3 桁架片應力云圖

根據圖4所示，現場應用結果表明，腳手架模型方案實用可靠，有效地解決了天橋同步穿插施工影響，游藝軌道調試空間要求，鋼結構避讓和成品保護等問題，確保各項施工工序高效推進，在趕進度、保節點的背景下，腳手架工程工期比原計劃縮短15%左右，取得了良好的經濟技術成果。

圖4 天幕區域腳手架工程現場圖

5 結語

針對復雜游藝項目的滿堂架工程，應用三維可視化設計技術對承插型盤扣式支架方案進行設計、分析，確保方案最優。現場應用表明，承插型盤扣式腳手架作為新興的支架體系，具有技術先進、安全可靠、工效顯著、節約成本等眾多優勢，應用越發廣泛。通過對新技術、新材料在復雜項目的設計、施工過程中的應用進行總結，對以后類似工程的推廣應用提供參考。

［1］ 楊清龍.當前國內新型腳手架發展概況［J］.福建建筑，2010 (3):66-67.

［2］ 趙錫月.幾種主要腳手架的應用［J］.中國建筑金屬結構，2009(8):47-50.

［3］ JGJ 231—2010，建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程［S］.

［4］ JGJ 162—2008，建筑施工模板安全技術規范［S］.