小型化質(zhì)子加速器機房結(jié)構(gòu)施工技術(shù)*

唐洲平，黃心穎，孫同盼，林華敏，劉 飛，陳芬芬，王義志，游 橋

(1.華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬同濟醫(yī)院，湖北 武漢 430030；2.中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064)

1 工程概況

華中科技大學(xué)同濟醫(yī)院光谷院區(qū)配套項目(質(zhì)子大樓)位于武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)高新大道501號，南鄰高新大道，西鄰三環(huán)線高架。同濟光谷院區(qū)配套項目(質(zhì)子大樓)總建筑面積約12 500m2，包含小型化質(zhì)子加速器機房(見圖1)、直線加速器機房、回旋加速器機房、磁共振加速器機房、PET(CT/MR)、辦公室、會議室等配套用房。

圖1 質(zhì)子機房平面

2 組織管理重難點

1)小型化質(zhì)子加速器機房需一次成型，施工難度大 作為國內(nèi)首個正式運營的超小型質(zhì)子中心，設(shè)計圖紙和結(jié)構(gòu)實體沒有先例可循。機房有防輻射需要，所有機電管線及預(yù)留預(yù)埋需一次成型，無法開槽后補。使工程師、設(shè)備廠家、設(shè)計院及施工單位形成合力，共同監(jiān)督施工全程，確保結(jié)構(gòu)一次成型較困難。

2)小型化質(zhì)子加速器機房結(jié)構(gòu)預(yù)埋件精度控制難 小型化質(zhì)子加速器機架支架(重2.9t，尺寸為3 670mm×2 700mm×2 670mm)、治療床(重0.74t，尺寸為3 680mm×2 000mm×500mm)必須預(yù)埋于指定位置，且每個預(yù)埋件在長、寬方向的誤差≤1mm/m，機架支架和治療床預(yù)埋精度相對誤差≤7mm。此外單個機房涉及200余個預(yù)埋套筒、預(yù)埋板(誤差≤5mm)，13根不規(guī)則彎曲導(dǎo)管(誤差≤5mm)，預(yù)埋精度控制難度大。小型化質(zhì)子加速器機房主要預(yù)埋件如圖2所示。

圖2 小型化質(zhì)子加速器機房主要預(yù)埋件

3)小型化質(zhì)子加速器機房結(jié)構(gòu)精度控制難 由于旋轉(zhuǎn)體系對結(jié)構(gòu)垂直度精度要求為1mm/m。當高度為8.78m時，墻體普遍高度在2.0m(最厚3.35m)以上，劃分施工部署及保證結(jié)構(gòu)施工精度較困難。

4)減小上部結(jié)構(gòu)施工對已建成結(jié)構(gòu)的影響難度大 質(zhì)子機房為厚墻厚板，特別是頂板厚3.85m，荷載大，施工過程中，架體搭設(shè)對已建成結(jié)構(gòu)影響大，從而影響預(yù)埋精度。如何采取合適的施工工藝減小對已建成結(jié)構(gòu)的影響較困難。

5)各專業(yè)協(xié)調(diào)施工難 如何在高密度鋼筋中定位異形(Z，S形)套管的預(yù)留預(yù)埋，在超厚混凝土內(nèi)(包括底板、墻板、頂板)安裝與固定套管，且保證混凝土結(jié)構(gòu)密實度、平整度等要求，對結(jié)構(gòu)、安裝等專業(yè)的配合協(xié)調(diào)管理要求高。

基于以上難點，各參建單位率先引入BIM可視化技術(shù)，通過研發(fā)結(jié)構(gòu)預(yù)埋件高精度控制裝置，總結(jié)結(jié)構(gòu)垂直度控制方法，設(shè)計半逆作法施工工藝，保證質(zhì)子機房結(jié)構(gòu)順利施工。

3 整體施工流程

本項目小型化質(zhì)子加速器機房墻體最大厚度達3 350mm，墻體高度達8 530mm，頂板厚3 850mm，底板厚1 400mm。為保障施工安全和超厚混凝土的質(zhì)量，結(jié)合混凝土防輻射要求，加速器機房結(jié)構(gòu)分11次施工，如圖3所示。

圖3 整體施工流程

4 BIM可視化技術(shù)

單個質(zhì)子機房結(jié)構(gòu)施工前率先完成BIM建模，利用BIM可視化技術(shù)多次聯(lián)合國外工程師、設(shè)備廠家、設(shè)計院及施工單位評審圖紙，對結(jié)構(gòu)查漏補缺，最終確定設(shè)計做法。

施工過程中，采用BIM可視化技術(shù)交底，保證施工效果。質(zhì)子機房BIM三維效果如圖4所示。質(zhì)子機房鋼結(jié)構(gòu)-滑軌如圖5所示。

圖4 質(zhì)子機房BIM三維效果

圖5 質(zhì)子機房鋼結(jié)構(gòu)-滑軌

5 鋼筋及預(yù)埋件施工工藝

5.1 底板、頂板鋼筋支撐及預(yù)埋件施工

質(zhì)子機房底板及頂板單次澆筑厚度>1 000mm，鋼筋支撐采用φ25馬凳筋，高度同底板鋼筋凈高，間距1 000mm×1 000mm呈梅花形設(shè)置，如圖6所示，圖中h為板厚-(迎水面+背水面)保護層厚度-(板面+板底)鋼筋厚度。

圖6 鋼筋支撐馬凳

為保證質(zhì)子機房底板及頂板預(yù)埋套筒、預(yù)埋板的加固精度，四周豎立4φ25鋼筋，長度同板厚，豎立鋼筋焊接在板鋼筋上，并設(shè)置φ16水平鋼筋焊接預(yù)埋套筒或預(yù)埋板。

5.2 側(cè)墻鋼筋支撐及預(yù)埋件施工

1)側(cè)墻鋼筋 由于小型化質(zhì)子加速器機房墻體超厚，層高超高，為保證該墻體鋼筋施工質(zhì)量及混凝土保護層厚度，應(yīng)在墻體鋼筋施工時設(shè)置水平向、豎向鋼筋定位梯子筋(見圖7)。

圖7 加速器墻體定位鋼筋

2)側(cè)墻套筒及鋼板預(yù)埋件 為保證側(cè)墻預(yù)埋板及套筒精度，在側(cè)墻中預(yù)埋I16，將廠家錨點和工字鋼固定在一起，設(shè)置2道豎向和1道橫向工字鋼，豎向工字鋼在前一道工序澆筑時提前預(yù)埋，預(yù)埋深度≥500mm，高度與預(yù)埋板及套筒水平標高位置保持一致(見圖8)。

圖8 側(cè)墻套筒及預(yù)埋板預(yù)埋固定

3)側(cè)墻導(dǎo)管 側(cè)墻預(yù)埋設(shè)備套管必須采用I16(工字鋼在前一道工序澆筑時提前預(yù)埋，預(yù)埋深度≥500mm)，工字鋼圍繞套管1周固定套管。

4)機架臂預(yù)埋件 機架臂預(yù)埋件重2 900kg，為做好固定，每個機架臂采用6根豎向18號型鋼支撐架，豎向工字鋼在前一道工序澆筑前預(yù)埋，為保證鋼支撐架穩(wěn)定性，采用12號型鋼作為斜撐固定。

機械臂預(yù)埋件精度控制流程如下：機械臂預(yù)埋件底部支撐工字鋼預(yù)埋→第1道側(cè)墻混凝土澆筑→豎向工字鋼切割調(diào)整→第1次焊接水平工字鋼初平，短方向焊接3根→第2次焊接水平工字鋼精平，短方向焊接3根，配合墊片完成平整度調(diào)整→水平位置放線→機架臂預(yù)埋件吊運安裝。

5.3 治療床高精度定位施工

為保證治療床高精度預(yù)埋，每個質(zhì)子機房前期在底板上預(yù)埋6塊鋼板預(yù)埋件。頂板架體拆除后，插入豎向工字鋼進行預(yù)埋，第1道水平I16每個機房安裝2根。

根據(jù)第1道水平工字鋼安裝情況，插入墊片，墊片厚度由1，2，5mm組成，通過調(diào)整墊片調(diào)節(jié)上一道梁底標高。第2道水平I16每個機房安裝3根。

治療床采用汽車式起重機從機房洞口吊裝進入，落位后利用小型拖車器調(diào)節(jié)水平位置進行定位，通過全站儀彈出等中心點及治療床邊線，調(diào)整位置后將治療床與工字鋼焊接固定(焊接位置為外側(cè)，與混凝土連接部位)，如圖9所示。

圖9 治療床安裝完成

5.4 治療層和檢修層結(jié)構(gòu)施工

治療層為混凝土樓板，檢修層包含混凝土樓板和鋼結(jié)構(gòu)樓板，采用半逆作法施工工藝，先施工側(cè)墻、后施工樓板。混凝土樓板在側(cè)墻上提前預(yù)埋接駁器，側(cè)墻拆模后樓板鋼筋通過與接駁器連接完成受力傳遞。鋼結(jié)構(gòu)樓板提前在側(cè)墻及頂板上完成鋼板預(yù)埋，利用移動操作腳手架完成預(yù)埋板與鋼結(jié)構(gòu)焊接。

5.5 頂板吊裝洞口

小型化質(zhì)子加速器頂板預(yù)留吊裝洞口，設(shè)備吊裝后使用預(yù)制塊完成封堵，預(yù)制塊在場外進行預(yù)制。

6 模板施工工藝

6.1 質(zhì)子機房側(cè)墻模板施工

質(zhì)子機房側(cè)墻采用鋼管+對拉螺栓+模板+木方加固體系。模板長邊同剪力墻長邊布置形式，木模板厚18mm，背楞選用50mm×100mm木方，間距≤220mm，沿剪力墻長邊豎向布置。墻體箍筋采用φ48.3×3.6雙排鋼管及對拉螺栓進行加固，第1排鋼管至樓板高550mm，第1～4排鋼管豎向間距225mm，上部間距450mm，即沿墻體全高進行布置。

采用M16止水對拉螺栓，對拉螺栓水平間距450mm。止水對拉螺栓封模時在螺栓兩端穿上楔形橡膠塞，螺栓拆除后用高強度等級防水水泥砂漿填坑。最底部4道對拉螺栓均加雙螺帽，以防受力脫落爆模。外墻使用時每個螺栓中間焊接止水鋼板，鋼板與螺栓間必須滿焊，不得有縫隙出現(xiàn)。

為防止墻體偏移，墻體外側(cè)采用鋼管斜撐支撐，間距1.5m，內(nèi)側(cè)搭設(shè)滿堂操作架支撐，以保證墻體垂直度，操作架在樓板施工前拆除，如圖10，11所示。

圖10 側(cè)墻模板加固體系剖面

圖11 側(cè)墻內(nèi)支撐架平面

6.2 質(zhì)子機房頂板及底板模板施工

質(zhì)子機房頂板及底板采用盤扣支撐架體系，小梁尺寸為50mm×100mm，間距60mm，主梁I12間距600mm，立桿間距600mm×600mm，采用60盤扣體系，木模板厚18mm，支架步距均為上下各一步500mm、其余1 000mm。立桿自由長度≤450mm，斜桿滿布。質(zhì)子機房頂板及底板支撐架體平面和剖面分別如圖12所示。

圖12 質(zhì)子機房頂板及底板支撐架體

6.3 質(zhì)子機房治療層及檢修層模板施工

機房治療層、檢修層厚度分別為200，300mm，化質(zhì)子加速器機房根據(jù)控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)的要求對機房及周圍進行合理分區(qū)布局，可嚴防人員進入控制區(qū)內(nèi)。采用48盤扣體系施工，間距900mm×900mm，主梁采用48雙鋼管，次梁使用50mm×100mm木方。

7 實施效果

1)結(jié)合BIM技術(shù)，對質(zhì)子機房結(jié)構(gòu)(包含鋼筋)、機電管線、質(zhì)子設(shè)備及相關(guān)附屬構(gòu)件完成建模，用于設(shè)計圖紙確定、現(xiàn)場可視化交底、材料生產(chǎn)制作及現(xiàn)場復(fù)核等工作，保證質(zhì)子機房一次成型。

2)項目采用半逆作法施工工藝，率先完成頂板施工，后續(xù)插入治療層、檢修層樓板施工，避免順作法施工頂板支撐架體導(dǎo)致治療層變形，保證治療層施工精度，便于設(shè)備安裝。

3)通過內(nèi)部搭設(shè)滿堂架頂撐，外部搭設(shè)斜撐頂撐，并采用超厚模板等措施，保證超厚側(cè)墻垂直度誤差控制在1mm/m的精度要求。

4)先后研發(fā)治療床定位裝置、機架臂預(yù)埋件定位裝置、預(yù)埋套筒定位裝置以及機電管線固定方法，保證質(zhì)子機房預(yù)埋件精度要求。

該小型化質(zhì)子加速器機房從2021年12月15日開始插入底板施工，歷經(jīng)113d(跨春節(jié))，于2022年4月6日完成頂板澆筑，2022年5月15日完成檢修層結(jié)構(gòu)施工。經(jīng)過業(yè)主、監(jiān)理、廠家及第三方復(fù)核，結(jié)構(gòu)垂直度及預(yù)埋件精度均滿足要求。