基于BIM＋有限元技術的超大跨度鋼結構屋蓋液壓整體同步提升施工技術

胡 鋼 李松晏 潘君華 李紅梅 王瀟鋒 白思敏

中國建筑第四工程局有限公司 廣東 廣州 510665

超大跨度鋼結構屋蓋的安裝，通常采用滑移法[1]、高空散裝法[2]、整體提升法等工藝方法。近年來，整體提升法以其施工效率高、安全性高、施工質量高等優點，越來越受到施工單位和業主的青睞。

某工程研發樓鋼結構大屋蓋為桁架結構，由6榀主桁架與16榀次桁架組成，結構跨度為108.0 m，整體水平，結構頂標高為47.3 m，結構高度2.3 m，總質量930 t。6榀主桁架與16榀次桁架之間交叉分布形成一個整體，提高了屋面的整體剛度。

在施工過程中，綜合考慮各種施工方案的優劣，項目各專業單位對施工場地的要求，施工難度和質量，以及項目整體的交付節點進行了綜合分析，最終采用基于BIM＋有限元技術的超大跨度鋼結構屋面液壓整體同步提升施工技術，順利完成了大屋蓋的整體提升。

目前，該大屋蓋已完成整體提升施工，施工過程和最終效果得到各參建單位的認可。相比傳統的施工方案，縮短工期32 d。

1 技術特點

1）高效提升。液壓整體提升效率高，相比傳統的吊裝方案，可大大縮短施工周期。

2）減少交叉。避免了傳統吊裝方案所需的大量臨時支撐措施的搭設和拆除，可以在主體結構施工完成之后進行，最大限度地減少對其他專業施工的影響。

3）質量保證。大屋蓋主要在地面完成整體結構的拼裝和焊接工作，相比高空原位拼裝，焊接質量能夠得到極大的保障。

4）安全可控。施工前，采用BIM＋有限元軟件，對待提升結構進行分析，模擬施工過程中的各種關鍵要素，保證施工安全。在地面完成拼裝之后，再進行整體提升，僅需要對周邊進行對接作業。最大限度地減少了高空作業量，使安全性得到提升。

5）節約成本：節省了大量的臨時支撐措施費用，避免了對其他專業施工流水的影響，為項目整體成本的控制發揮了積極作用。

2 技術關鍵

基于BIM＋有限元技術的超大跨度鋼結構屋蓋液壓整體同步提升施工技術關鍵點如下[3-6]：

1）利用BIM創建精確的3D模型，直接導入有限元分析軟件。在提高了模型精度的同時，也解決了有限元分析軟件建模效率低的問題。

2）在對提升全過程進行施工模擬過程中，創新采用BIM模型和有限元分析模型的交互反饋機制，對方案不斷優化，達到正向出圖的條件，實現了設計和施工的融合，最大限度地減少了設計變更。

3）采用計算機統一控制集群液壓提升設備，利用液壓設備無級調速的特點，使各提升點均能同步、穩定工作。

4）在卸載階段，采用計算機控制集群的液壓設備進行分級卸載，逐步對在高空完成的連接節點施加荷載，使結構有充足的時間進行應力釋放，從而確保結構變形更均勻，施工過程更安全。

5）采用系統＋人工兩級監測機制，利用計算機系統的行程及位移傳感檢測，輔以人工利用全站儀、應變片等器材的監測，達到系統反饋＋人工反饋、微觀監測＋宏觀監測的目的，實現提升過程的實時控制，保證整個提升過程的同步性。

3 施工工藝

3.1 施工流程

BIM＋有限元建?！┕つM→吊裝方案確認→吊點支撐結構設置→主桁架散件進場→汽車吊卸車→拼裝胎架就位→拼裝主桁架→拼裝次桁架→整體調?！孛嫫囱b構件整體檢查→地面涂裝→液壓提升設備檢查→液壓整體提升→周邊構件連接固定→焊接→液壓分級卸載→屋蓋驗收

3.2 操作要點

3.2.1 BIM建模＋有限元建模

應用BIM軟件，根據設計圖紙，精確搭建鋼結構大屋蓋的1∶1模型。完成BIM模型的建模和復核后，即可將BIM模型中需要進行施工模擬分析的部分進行提取，并導出為有限元軟件支持的格式，用于有限元分析。

3.2.2 施工模擬

綜合考慮鋼結構大屋蓋的設計方案，提取結構自重、防火涂料、防腐涂料、施工措施等的重要信息，在施工模擬過程中予以考慮。按照結構設計圖紙，建立有限元分析模型，并參照GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》和GB 50017—2017《鋼結構設計規范》，分別從被提升結構施工計算、提升架和原結構驗算兩部分出發進行施工模擬分析：

1）被提升結構驗算。首先導入BIM軟件搭建的待提升結構模型，檢查無誤后，嚴格按照受力條件，在模型中相應位置添加荷載和約束條件，正確合理地選擇分項系數、自重水平荷載等參數（圖1）。

圖1 被提升結構施工模擬計算分析

2）提升平臺及原結構驗算。鋼結構大屋蓋的整體提升，采用超大型液壓同步提升技術，借助周邊主體的部分永久結構作為提升平臺，因此需要對提升平臺及原結構進行驗算。

3.2.3 構件現場地面拼裝

對6榀主桁架、16榀次桁架進行地面整體拼裝。屋蓋桁架結構形式相對簡單（圖2），所以只需要一種形式的地面拼裝胎架即可。主桁架起拱度最大為130 mm、最小為30 mm，次桁架起拱度最大為130 mm、最小為0 mm。桁架截面主要包括箱形和H形，其中上下弦桿為箱形截面，最大截面尺寸為350 mm×400 mm×35 mm；腹桿為H形截面，最大截面尺寸為250 mm×250 mm×30 mm×30 mm。屋蓋檁條設置在屋蓋桁架頂面，每個桁架單元內設置3根，包含LT1、LT2兩種類型，截面尺寸分別為□200 mm× 8 mm和□200 mm×6 mm。

圖2 桁架節點

屋蓋桁架上弦桿設置鋼拉索，在邊跨桁架和主桁架的單元內設置4道鋼拉索，4道拉索呈垂直交叉布置，鋼絲抗拉強度等級為1 670 MPa。索體理論最小破斷力為359 kN，拉索靜載荷載不小于索體理論最小破斷力的95%。拉索繃緊，作為構造拉索，正常穩定狀態下不對主體結構造成應力變化。

在屋蓋桁架地面拼裝時需要194個拼裝胎架，不考慮周轉使用，在屋蓋提升之后才能拆除（圖3）。

圖3 構件現場地面拼裝

提升平臺是鋼結構大屋蓋提升的重要組成部分，邊跨預裝部分桁架支撐于大樓頂部的支座上，該支座為滑動支座，需設置限位措施，將支座鎖死；邊跨桁架向外懸挑6 m，需設置臨時支撐措施，以保證提升階段整體穩定。每個提升點處的支撐措施設置大致相同，共20處（圖4）。

圖4 提升器安裝

3.2.4 整體提升

為確保屋蓋桁架提升單元及主體結構提升過程的平穩、安全，根據結構的特性，采用“吊點油壓均衡，結構姿態調整，位移同步控制，順序卸載就位”的同步提升和卸載落位控制策略。

項目吊裝過程中，設置28個提升吊點，為國內僅有的2個需要由2臺計算機控制提升過程的項目，6榀主桁架與16榀次桁架之間交叉分布形成一個整體，提高了屋面的整體剛度。整體提升過程分為以下環節：同步吊點設置、提升分級加載、結構離地檢查、姿態檢測調整、整體同步提升、提升過程微調、整體提升就位。

4 安全控制措施

1）編制液壓整體提升安全文明施工專項方案，明確鋼爬梯、水平安全網、懸掛式操作平臺（吊籃）、立桿式安全繩及抱箍式安全繩、囤料平臺等的安裝和使用方法。

2）編制現場安全管理組織架構，明確安全管理責任，審核特種作業人員資料，保證人證合一，信息準確。

3）制定提升安全控制措施，制定防雨、防風和防臺風安全控制措施，制定停電、電力復送等措施。

4）制定安全常規控制措施，防止高空墜落、物體打擊，制定起重吊裝作業操作規定。

5）制定安全應急預案，明確安全應急職責，明確安全應急程序和措施。

5 效益分析

5.1 社會效益

深圳市某工業基地項目通過BIM＋有限元技術輔助設計師進行結構優化，能夠更好地提升方案的實施性。節省成本，縮短工期，提高實施安全性，更加節能環保，為項目增值。

5.2 經濟效益

深圳市某工業基地項目在項目工期滯后的情況下，通過BIM＋有限元整體同步提升技術的應用，保證了總工期目標的達成。同時，大大提高了結構的質量和實施的安全性。免去了大量臨時支撐措施，成本控制效益明顯。綜合經濟效益1 352 792.45元。

5.3 工期效益

該工藝免去了臨時支撐措施的設計、深化、采購、加工、安裝、拆除，以及大量的高空焊接過程。大屋蓋的整體施工周期較傳統施工方法的工期縮短約32 d。

6 結語

基于BIM＋有限元技術的超大跨度鋼結構屋蓋液壓整體同步提升施工技術，在結合了BIM和有限元分析技術的基礎上，利用計算機控制集群液壓提升器，對大跨度結構進行整體同步提升和卸載。

該技術能夠在方案制定階段，就事先模擬出吊裝過程中可能出現的意外情況，從而提前進行方案的優化，避免施工過程中臨時整改帶來的不利因素。地面整體預拼裝能夠提前對整體結構進行尺寸的復核，降低高空調整的難度，減少了高空焊接作業，大大提高了安全性，促進了成本的節約。

同時，該技術也省去了原位拼裝大量使用的支撐體系，大大減少了現場的措施費用，減少了對其他專業作業面的影響，施工效率高。