超大型多曲面空間植物園穹頂鋼結構仿真模擬施工技術

劉 帥，趙云鵬，袁 淵，黃 凱，王 濤，苗 苗，任運豪

(中建三局集團有限公司成都分公司，四川 成都 610041)

1 工程概況

重慶約克北郡商業項目位于重慶市兩江新區金州大道北側，是集高端寫字樓、國際輕奢、親子家庭、環球佳肴、室內瀑布及大型植物園于一體的超大型城市綜合體項目，項目建設用地面積為6萬m2，總建筑面積約45萬m2。本工程由4層地下車庫、6層商業裙樓和2棟31層5A甲級寫字樓(T2，T3塔樓)組成，地上結構31層，總建筑高145m。

室內植物園為鋼結構，結構最高點標高為42.170m，建筑投影面積為2 124m2，最大跨度為38m，最大桿件質量約4t。

植物園鋼結構主要分為穹頂鋼結構和連橋。連橋為雙層樹形支撐空間管桁架結構，穹頂鋼結構為多排箱形截面鋼龍骨形成的空間雙曲殼式結構。主龍骨共26根，由箱形截面的水平次龍骨連接，其中16根支承于地下1層-6.000m標高的中間層樓面梁，10根支承于0～30.000m標高的中間層樓面梁。

植物園穹頂鋼結構采用整體提升+高空散拼的施工工藝。首先拼裝整體提升部分，同時安裝邊緣鋼結構豎向立柱，然后進行整體提升，提升完成后進行高空拼接，最終形成植物園穹頂鋼結構。

2 仿真模擬技術應用

2.1 仿真模擬技術應用流程(見圖1)

圖1 仿真模擬技術應用流程

2.2 深化設計仿真模擬技術

2.2.1穹頂鋼結構深化設計

依據設計圖紙，利用Tekla Structures軟件進行三維建模。建立模型時需仔細研究設計圖紙，統一標準，建立樣板文件，確保各專業模型的坐標、軸網、標高等準確無誤。異形曲面結構形式復雜，是模型創建的難點，可采用曲面幕墻建模的編程程序進行輔助建模。建立穹頂鋼結構模型的同時建立主體結構、機電管線、給排水管線、景觀等其他專業模型，將各專業模型整合形成最終模型，如圖2所示。

圖2 穹頂鋼結構BIM模型

通過三維模型深化，利用BIM技術可視化特點，對各專業模型進行碰撞檢查，優化專業間連接。尤其是對于復雜的型鋼混凝土節點，可形象展示復雜節點，直觀判斷深化設計是否合理。可減少后期因設計問題而導致的返工，提高工程質量和結構安全可靠性。

2.2.2支撐胎架與提升架設計

1)支撐胎架設計

鋼結構穹頂提升單元采用投影原位拼裝，在設計固定點位布置支撐胎架，支撐胎架由H型鋼及圓管拼裝而成。本工程中間部位支撐胎架采用φ326×6圓管，兩邊采用φ219×6圓管，設置φ140×4作為橫桿和斜撐，底部采用H400×200×8×13作為底梁，支撐胎架如圖3所示，平面布置如圖4所示。

圖3 支撐胎架

圖4 支撐胎架模型布置

2)提升架設計

室內植物園鋼結構豎向空間大，提升架采用成品格構式門形支架，如圖5所示。現場布置6組提升架(見圖6)，結構形式相同但胎架高度不同，T1，T2，T3提升架高度分別為48，45，45m，T4，T5，T6提升架高度為51m。吊裝連橋時，布置4組提升架，T1，T2提升架高度為24m，T3，T4提升架高度為27m。提升架采用1.7m×1.7m×3.0m標準節形式，標準節豎桿為φ140×4，斜撐和直撐均為∟50×5，材質為Q235B。

圖5 提升架結構示意

圖6 提升架布置

2.3 加工制作仿真模擬技術

2.3.1BIM模型加工制作

利用BIM模型導出桿件定位和材料加工圖，在工廠預制加工穹頂鋼結構桿件。構件加工完成后，按構件生成二維碼并對其進行標識，利用BIM云平臺實時跟蹤構件的生產、運輸、安裝情況，實現生產、加工過程可視化。

采用PIPE2002相貫線編程軟件對三維線模型進行編程，生成相貫口的切割數據，并將其輸入數控切割機進行管件切割。圓管加工制作須進行鋼管的相貫線切割，采用圓管數控相貫線切割機，其切割質量直接影響工程桁架制作質量。

2.3.23D打印加工制作

將穹頂鋼結構BIM模型轉化為3D打印文件格式，對3D模型進行切片處理，設計好打印路徑(填充密度、角度、外殼等)，將切片后的文件儲存為.gcode格式，發送.gcode文件至打印機并控制3D打印機參數，裝入3D打印材料，調試打印平臺，設定打印參數，最終經分層打印、層層黏合、逐層堆砌，形成完整的實體模型，如圖7所示。

圖7 穹頂鋼結構3D打印模型

2.4 安裝仿真模擬技術

2.4.1支撐胎架與提升架安裝

2.4.1.1模型建立

運用有限元分析軟件MIDAS Gen對穹頂鋼結構拼裝支撐胎架進行受力分析，所有桿件采用梁單元模擬。拼裝胎架底端設置鉸支座，拼裝胎架鋼柱與穹頂鋼結構連接端釋放梁端彎矩。整個支架體系共計1 399個單元、717個結點，如圖8所示。

圖8 支撐胎架模型

運用有限元分析軟件SAP2000對提升胎架進行受力分析，胎架柱腳與工字鋼底座的連接可視為三向固定鉸支座，胎架立柱、連系桁架水平桿在其連接方向上均連續，水平弦桿、腹桿與主桿件為鉸接連接。

2.4.1.2計算與分析

1)支撐胎架模型計算與分析

恒荷載考慮胎架節點自重，結構自重取1.2倍放大系數，由軟件自動加載。風荷載取10年一遇基本風壓0.25kN/m2，地面粗糙度按B類考慮，由軟件自動計算風荷載，并以梁單元風壓施加到結構上。

在標準荷載組合下，拼裝胎架最大水平位移出現在鋼柱頂端，為3.766mm，小于2L1/400=12.3mm(L1為拼裝胎架鋼柱頂端自由段長度，為2 460mm)， 符合GB 50017—2017《鋼結構設計標準》結構設計要求；在基本荷載組合下，拼裝胎架中最大組合應力出現在立柱上，為75.0MPa，小于205MPa，符合《鋼結構設計標準》結構設計要求。

驗算拼裝支撐胎架構件穩定性，最大組合驗算比為0.348<1，滿足規范要求。

2)提升架模型計算與分析

恒荷載為結構自重，鋼材容重按78.5kN/m3，由程序自動計算。可變荷載為風荷載，根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》計算。

豎向荷載(自重)的荷載分項系數取1.2或1.4，風荷載的分項系數取1.4。應力計算時考慮如下荷載組合：①1.2倍恒荷載+1.4倍x向風荷載；②1.2倍恒荷載+1.4倍y向風荷載；③1.2倍恒荷載+1.4×0.7倍x向風荷載+1.4×0.7倍y向風荷載；④1.4倍恒荷載+1.4×0.6倍x向風荷載；⑤1.4倍恒荷載+1.4×0.6倍y向風荷載。

計算變形時，不考慮分項系數，荷載組合按1.0倍恒荷載。

計算可得，穹頂鋼結構提升架最大應力比為0.83，最大豎向位移為10mm，10/L2=1/420

2.4.1.3仿真模擬安裝

以視頻動畫形式對支撐胎架與提升架安裝全過程進行仿真模擬(見圖9)，從動畫中可隨時了解施工進度及施工工序持續時間，將細節與整體相結合，可解決施工階段閱讀不詳盡、施工作業工序不清晰、施工交底效率低等問題。

圖9 支撐胎架與提升架安裝施工動畫

2.4.2穹頂鋼結構安裝

1)模型建立

為提高穹頂鋼結構整體性，加裝4根鋼托梁，并在每根主龍骨與托梁投影交點處正上方加鋼短柱，與鋼托梁豎直相接，計算模型如圖10所示。

圖10 計算模型

2)計算與分析

通過有限元軟件計算結果可得，最大吊點反力發生在T2吊裝點，最大應力比為0.83<0.90，滿足規范要求。

作用在結構上的荷載即為自重，模擬結構的第1，2，3階失穩，得到結構的臨界荷載安全系數最小值為38>1，滿足規范的穩定系數要求，結構安全。

根據《鋼結構設計標準》，本工程鋼結構撓度控制在L/200以內(L為跨度，當為懸挑結構時，L取2倍)。由以上分析可知，穹頂鋼結構整個結構最大豎向位移為-55mm，55/L3=1/424<1/200(L3為穹頂結構整體提升部分的跨度，為23 320mm)；其中托梁最大豎向位移為-50mm，50/L4=1/419<1/200(L4為托梁跨度，為20 950mm)。結構最大應力比為0.83，位移和應力值均滿足規范要求。

3)仿真模擬安裝

穹頂鋼結構安裝包括核心區拼裝、整體提升和高空散拼3個階段，運用施工動畫仿真模擬穹頂鋼結構安裝全過程，模擬各階段工序和工況，可從動畫中全方位了解穹頂鋼結構安裝各施工階段的效果。

3 結語

采用仿真模擬技術優化設計方案，在重慶約克北郡三期項目應用效果良好，可解決專業間的沖突問題，減少返工。建立模型計算分析并驗證施工方案的可行性，可保障施工安全性，提高施工質量。

近年來，仿真模擬技術在施工領域運用越來越廣泛，尤其是在施工難度較大、施工工序較多的工程中。仿真模擬技術通過三維模型、有限元軟件、3D打印、施工動畫等技術措施，利用計算機分析施工方案的合理性和安全性，從而優化施工方案。仿真模擬施工技術將施工過程可視化，在經濟安全的前提下，可避免施工中的不利因素影響，保證施工質量，為工程創造效益。