BIM技術在上海中芯大型電子廠房鋼桁架滾裝施工中的應用

(上海寶冶集團有限公司工業工程公司，上海 201900)

引言

在國家大力發展“中國芯”的背景下，電子芯片行業發展迅猛。電子芯片類廠房核心潔凈區以及無塵室各系統機電管線布置繁多復雜，自動化程度高，空間管理難度大。核心潔凈區樓板為華夫板，上部為鋼屋架+組合屋面結構,鋼屋架具有跨度大、重量大等特點。傳統鋼桁架屋面主要采用滑移法和吊裝法施工的方法[1]，其中滑移法主要是卸荷難度大、加固措施多，吊裝法安裝吊裝速度慢，汽車吊數量多，安裝作業危險性高。本文以上海中芯電子廠房工程屋面鋼桁架施工實例為依托，介紹本公司國內首創新技術。

1 工程概況

1.1 項目簡介

上海中芯項目地處浦東新區張江高科技園區，項目主要包括三大單體建筑(SN1、CUB8、PMD8)及配套設施建筑面積約40萬m2； 項目建成后年產160萬片10～28納米芯片，該項目被列為上海市重點工程。

電子廠房MEP機電系統分為四大類別，分別為機械、氣化、水、電力專業，各個專業之間又分為多個獨立系統，專業多、設備多、管線復雜[2]。SN1廠房結構型式為混凝土框架結構+鋼屋架，屋架為H型鋼雙弦鋼桁架結構，鋼結構總量約1.2萬t。屋面鋼桁架最大高度為10.07m，最大單跨42m，單榀桁架最重256.77t。

圖1 中芯國際項目效果圖

圖2 鋼屋架模型圖

1.2 工程特點與難點

(1)本項目四周為交通要道，廠區各單體建筑間布置緊湊，東側為老廠生產區，整個施工場地狹小，平面布置難度大[3]。鋼結構安裝方法受限，再結合電子廠房施工工期緊的特點，對施工精細化管控要求高。

(2)廠房內專業管線多達26個系統，工藝復雜，加上二次配專業以及后期業主擴充預留空間； 同時業主對工藝需要不斷變化，增加了整個空間管理優化難度[4]。

(3)SN1生產廠房屋面桁架系統，鋼結構跨度大，構件節點復雜； 傳統散件安裝方式存在效率低下、危險性高等問題； 吊裝作業區場地狹小，空間受限； 工期緊，任務重； 利用BIM技術對鋼結構進行模塊化安裝。

2 BIM組織與應用環境

2.1 BIM應用目標

通過對電子廠房項目通過BIM模型的建立，在建筑生命周期中做信息化的應用，進行空間管理、管綜優化，從而指導施工現場機電安裝。以及電子廠房工程屋面鋼桁架施工基于BIM技術，加上SPMT模塊車運輸優勢，研發出一種基于SPMT模塊車大跨度鋼結構桁架滾裝新技術。

2.2 團隊組織

根據項目特點，組建BIM實施團隊，設有項目總指揮、資源組織協調BIM設計指導、BIM技術專家、各專業BIM建模小組及應用實施小組，為項目提供強有力的BIM 技術服務支撐。

2.3 BIM軟硬件環境

為確保項目的正常實施，公司為BM團隊配備了充足的軟硬件設施，具體軟硬件配置如圖3-4所示。

圖3 本項目軟件配備情況

圖4 本項目硬件配備情況

3 BIM在工程中的應用

3.1 BIM機電深化設計

(1)中芯國際項目屬于上海市重點建設工程，對芯片行業有著重大建設意義。本項目對質量及整體規劃布置要求極高。對于本項目SN1生產廠房機電系統安裝涉及專業面廣泛，包括暖通空調、給排水、裝修、電氣、工藝排氣、工藝管道純水、廢水、大宗氣體、特氣、化學品、GMS以及GDS等多種專業。從項目前期規劃到過程的管理，以建筑工程項目的各項相關信息數據作為基礎[5]，建立起BIM三維模型，泵房精細化建模，管線空間管理、預留洞口、圖紙問題進行管理。如圖5所示為SN1綜合機電模型。

圖5 SN1生產廠房綜合機電模型

(2)通過搭建各專業的BIM模型，在虛擬的三維環境下方便地發現設計中的碰撞沖突，從而大大提高了管線綜合的設計能力和工作效率[6]。這不僅能及時排除項目施工環節中可能遇到的碰撞[7]沖突，顯著減少由此產生的變更申請單，更大大提高了施工現場的生產效率，通過BIM模型檢查原有圖紙的問題，進行機電管線綜合管理，對現場機電管線施工進行管理和指導，從而甄選出最優的管道路徑和設計方案，在滿足生產工藝需求的同時，外觀美觀，也便于維修。

3.2 BIM模塊化鋼桁架滾裝施工

3.2.1 BIM模塊化

傳統鋼結構散件安裝存在施工速度慢、交叉作業多、安裝費用高等缺點，為加快施工進度將構件提前進行分塊、分段預組裝，即形成模塊化，加快施工進度，減少高空吊裝作業。通過BIM軟件對鋼構件進行信息錄入，根據吊車起吊能力，進行自動分段。根據華夫板承載能力確認滾裝模塊單元大小。

3.2.2 BIM鋼結構深化

利用Revit、Tekla等BIM軟件對鋼結構深化設計，主要深化設計內容柱腳、柱對接節點、梁柱節點、梁梁節點、埋件、連接形式、螺栓排布設計及合理的計算，并運用BIM模塊化技術把每個單元構件串聯起來，組合成每一個鋼結構模塊滾裝單元。

圖6 鋼結構桁架滾裝單元結構示意圖

3.2.3 桁架分段

考慮每個區域場地空間、起吊能力、滾裝順序、施工效率等因素，確定將每榀桁架分成5個吊裝分段進行起吊。分段點如圖7所示。

圖7 桁架分段示意圖

為保證吊裝穩定性及安全性，每段吊裝采用四點吊法進行吊裝。桁架各分段吊耳的設置及吊索的掛設如圖8所示。

圖8 分段吊耳設置

考慮扳起過程側向受力問題，采用結構加固措施，即在吊耳的兩邊對稱加三角形加勁板。吊耳的結構及設置如圖9所示。

圖9 吊耳結構示意圖

3.2.4 重型大截面桁架的整體臥式拼裝

桁架拼裝采用地面臥式拼裝法，選用鋼凳式胎架，結合桁架散件結構形式靈活布置。此種拼裝法施焊方便、組裝速度快、接口精度容易保證，保證焊縫質量。

注：圖中淺色表示桁架、深色圖塊表示組成胎架的各個鋼凳，包括扳起用鋼凳在內。圖10 桁架地面臥拼胎架示意圖

圖11 現場桁架臥式拼裝圖

為了確保組裝過程中桁架的定位精度，需要足夠數量的鋼凳。根據經驗，暫按照鋼凳沿桁架分段長度方向上的間距控制在8m以內來設置，此時的上下弦桿自重變形遠小于1mm。滿足施工規范要求。

3.2.5 重型大截面桁架高空組裝

二臺500t履帶吊分別從兩個拼裝場地將臥式拼裝桁架扳起、吊起短駁至廠房南北兩端吊裝位置。由兩端500t履帶將分段吊裝鋼桁架依次吊至華夫板頂臨時塔架及柱頂。

圖12 桁架分段起、脫胎位置及短駁路線示意圖

為便于拼裝，在大跨度中間位置預先搭設兩組臨時支撐胎架。每榀桁架吊裝由西向東逐段推進，首段吊裝到位后，兩端直接坐落于胎架上。后續分段吊裝到位后，與前段通過卡瑪板及腹板連接螺栓臨時固定。每段桁架就位后拉設纜風繩固定； 每二榀桁架組裝成一個單元。同一單元中的兩榀桁架自西向東逐段交替進行吊裝。

圖13 臨時支撐胎架三維效果圖

圖14 桁架高空吊裝

圖15 桁架高空拼裝及纜風繩固定

3.2.6 高空滾裝施工

桁架組裝焊接完成，檢驗合格后，采用五縱模塊車(SPMT，三主兩從，共44軸)，利用其自身的液壓升降系統，通過臨時支撐托架將滾裝單元頂起并運輸至安裝軸線位置，再利用自身的液壓升降系統將構件降落至安裝位置標高處從而完成桁架單元的安裝。頂升高度控制在250mm，模塊車滾裝速度控制在0.2km/H以內。

屋面桁架系統滾裝施工分兩個作業區同步進行，即：自中間軸線30軸線同步地向廠房南、北兩端逐步滾裝推進。每個區域共有桁架15榀，其中12榀(即6個單元)需要滾裝。

圖16 SPMT模塊車照片

圖17 現場滾裝施工圖

3.2.7 補檔作業

相鄰2組桁架單元滾裝到位后，采用50t汽車吊和現場塔吊配合完成補檔作業。

圖18 現場補檔作業

3.2.8 華夫板保護措施

吊機及模塊車在華夫板上施工容易對華夫板孔洞邊緣造成破損，造成結構破壞。根據施工安全需要對整個華夫板進行針對性保護措施。

(1)汽車吊行走及站位、模塊車行走路線上的保護。沿汽車吊行走、滾裝路線方向上先滿鋪18mm舊模板一層，再覆蓋20mm厚鋼板一層，寬度4m。

(2)構件堆放區域。需要先滿鋪18mm舊模板一層，再在上部墊150mm厚枕木。

(3)人員行走及工作區域。需鋪墊18mm舊模板一層。焊接作業需在焊接底部設置接火盆和防火毯。動火區域要做好嚴格防火措施。

3.3 BIM施工模擬

3.3.1 CFD氣流組織模擬

本項目為半導體行業潔凈室，主要潔凈區域為千級凈化區域，部分區域為百級實驗凈化區域，由于需要通過國家GMP認證，所以對潔凈室內的潔凈度控制要求較高，為保證整個潔凈室的潔凈度效果，我司通過BIM軟件對潔凈室進行全仿真建模，然后采用自己獨立研發的軟件插件把BIM模型轉換成CFD軟件可以識別使用的模型，然后導入CFD軟件中進行氣流組織模擬，整個模擬過程分為靜態過程模擬和動態過程模擬，完整模擬整個潔凈室氣流組織流向及可能存在的干擾因素，并通過模擬對比找出最佳的風口布置方案，優化氣流走向，顯著提高潔凈室的潔凈度。

3.3.2 4D施工模擬

項目利用了Fuzor，Naviswork等BIM軟件進行施工模擬，通過對生產廠房SN1和動力站房CUB8建筑結構的施工模擬，對施工進度計劃進行規劃，使施工工序變得更加優化，簡化施工的流程，最大限度節約工程的成本。

圖19 氣流組織模擬圖

圖20 SN1施工過程模擬

圖21 CUB8施工過程模擬

3.4 安全性驗算

3.4.1 25t汽車吊行走及吊裝驗算

根據吊裝路線，確定吊車活動范圍。吊車再空載跑動屬于在樓板滿跑，因此最不利于荷載布置驗算樓板承載力。

根據主要樓板區域跨度為4.2×4.8m和9.6m×8.4m。取最不利模型600mm華夫板區域，最不利跨度9.6m×8.4m跨度， 9.6m為前進方向進行驗算。混凝土強度等級為C35。

圖22 華夫板驗算模型

采用有限元軟件SAP2000 V17進行施工過程分析，吊車在600mm華夫板上行走時，井字梁最大組合的正彎矩為68.94kN*M，負彎矩為56.52kN*M。最大組合的剪力為61.26kN。最大標準組合COMB3彎矩為53.49 KN*M。

吊車在600mm華夫板吊裝時，井字梁最大組合正彎矩為68.42 KN*M，負彎矩為60.65kN*M。最大組合的剪力為83.71kN。最大標準組合COMB3彎矩為52.4 KN*M。

3.4.2 模塊車組滾裝時華夫板承載能力驗算

運輸車由模塊拼裝而成，每個模塊軸重約4.3t，根據施工現場實際分成三組模塊車，根據Tekla模型，對三組模塊車總荷載進行轉換，荷載如表1。

表1 運輸車荷載

圖23 模塊車下方的華夫板計算模型

經計算可得，在基本荷載組合下，模塊車經過華夫板的最大正彎矩為172.84 KN*M，負彎矩為327.36kN*M。最大的剪力為180.36kN。

剛度驗算：模塊車1、2、3經過華夫板的最大位移分別為4.03mm<9600/400=24mm、0.81mm<4800/400=12mm、3.77mm<9600/400=24mm，均滿足規范要求，驗算合格。

3.4.3 滾裝過程中桁架及臨時托架穩定性驗算

(1)桁架自身結構穩定性驗算

在模塊車作用節點處設置Z方向約束，X方向和Y方向設置彈性約束。沿模塊車行駛方向受慣性力。

經計算分析可得，在標準荷載組合作用下，桁架結構的Z向最大變形為7.36mm<46203/400=115.5mm；桁架結構的X向最大變形為4.75mm。經計算分析可得，臨時支撐胎架的最大應力比為0.32經上述分析可得，模塊車滾裝過程中，桁架結構自身的穩定性滿足要求。

圖24 桁架的變形圖(Z方向)

圖25 桁架的應力比柱狀圖

(2)模塊車上方臨時支撐托架穩定性驗算

采用MIDAS(邁達斯)等軟件對臨時支撐塔架，托架的承載能力驗算。

圖26 鋼構件拼裝吊點受力驗算

圖27 SPMT模塊車受力驗算

圖28 支撐鋼凳受力驗算 圖29 支撐塔架受力驗算

(3)模塊車上方臨時支撐托架穩定性驗算

桁架高空對接拼裝完成后，需要在桁架下方軸線C、P、R、AA、AC設置模塊車進行滾運，模塊車位置圖30所示。

圖30 臨時支撐胎架和模塊車的位置

模塊車上方的臨時支撐托架結構分兩種：單縱12軸、8軸模塊車頂部受荷載梁截面分別采用型鋼H635*400*15*20、H435*450*15*20。支撐塔架均采用100噸級標準節，其平面尺寸為1.5m×1.5m，四個立柱均采用， 2.3*16，底部H型鋼支座截面H500*200*10*16，H型鋼材質均為Q345B，立柱、斜撐等均為Q235B。

經計算分析可得，在標準荷載組合作用下[8]，臨時支撐塔架下方墊梁和上方型鋼的最大變形為-1.538mm-(-2.532)mm=0.994mm<1500/400=3.75； 整個臨時支撐胎架的最大變形為6.66<8100/400=20.25mm。臨時支撐塔架下方墊梁和上方型鋼的最大應力比為0.49； 整個臨時支撐胎架的最大應力比為0.49。

經驗算，滾裝過程中，模塊車上方臨時托架的穩定性滿足要求。

4 結語

4.1 創新點

成功借鑒近年來發展應用的重型運輸施工技術經驗，通過上海中芯電子廠房鋼結構屋面桁架安裝施工，形成一套基于SPMT模塊車的大跨度鋼結構桁架滾裝施工新技術，此施工技術屬國內首創。解決了傳統鋼結構滑移法、吊裝法等諸多施工難題，實現鋼屋架快速安裝，可為后續類似大跨度鋼桁架屋架安裝提供一定的參考和借鑒。

4.2 經驗教訓

通過本項目電子廠房BIM技術運用，結合項目實際本身[9]，BIM技術在實施過程中，遇到很多實際問題，也是現在BIM技術推廣的現實問題。在許多業主方沒有明確哪一方主導BIM空間管理，造成BIM套圖很難往前推進。由于電子廠房里面涉及到二次配工藝內容，方案遲遲不能確定，導致一次配專業系統BIM規劃完成后，又得重新規劃管線布局。以及在管線排布中，不僅要考慮到支架安裝的空間，同時也要考慮各個專業的施工空間。

4.3 應用的實際效果

本項目利用BIM技術，通過碰撞檢查功能、精確定位預留洞、凈高檢查、快速資源計算、可視化交底等功能，幫助項目及時找出各專業沖突、減少返工、快速協同施工，以加快工期； 利用BIM技術，及時識別危險源、施工模擬、可視化安全交底等應用，提升項目安全控制能力。運用BIM模塊化鋼結構技術，提高預拼裝合格率、高強螺栓穿孔率精確度和減少措施材料用量的同時，能夠有效地提高鋼結構的安裝效率，減輕勞動強度、節約施工成本，為鋼結構提供了一個新的方向。