基于 BIM的大跨度空間管析架施工技術研究

薛瑞凱 徐崗 袁果 高德鑫 余苗

【摘要】成都天府國際機場國航基地工程（生產輔助設施一期）項目包括辦公樓、公寓樓、多功能活動中心及食堂，其中活動中心由大跨度管析架組成，通過 Revit2018軟件創建主體結構模型，Tekla軟件創建管析架模型，融合多專業模型，強化應用，導入整體模型進行施工方案過程模擬，深入研究"地面拼裝、整體吊裝、空中對接"的施工方案，科學論證施工部署的可行性，解決了高空吊裝安全問題。

【關鍵詞】 BIM建模; Tekla; Fuzor;4D模擬;無人機監控

【中圖分類號】 TU758.15?????????? 【文獻標志碼】 A

1工程概況

成都天府國際機場國航基地項工程（生產輔助設施一期）項目活動中心屋蓋主要由八福倒三角形管析架及周邊 H 型鋼梁組成，管析架上弦桿小299×14 mm、下弦桿小299×14 mm、腹桿小159×6 mm，管析架呈弧形分布，每福析架梁兩端用銷軸固定在鋼筋混凝土柱頭較座上，柱頂標高+6.021 m、+5.787 m、+5.773 m、+7.281 m、+8.262 m、+8.753 m呈兩側對稱分布，最外側兩根柱頂為 H型鋼梁。管析架最大跨度45 m，高寬約2.5 m，梁頂最大頂標高+10.189 m，基礎頂標高-5.75 m，故梁頂最大凈空約15.939 m。食堂南側與食堂底板、頂板相連，施工場地較為寬廣，但管析架跨度大、重量大，故施工較為困難。

管析架安裝方式，采取"地面拼裝、整體吊裝、空中對接"的原則，地面拼裝可以同時多福析架同時拼裝作業，節省時間，提升效率，較傳統的高空散件拼裝僅允許單福拼裝，節省了大量拼裝時間，還節省了滿堂架搭設時間，在安裝效率上得到了明顯改善。

2構建模型

首先結合建設方下發的施工圖，使用 Revit2018軟件將活動中心主體結構模型構建完成，大型場館內主體結構施工較為簡易，重難點集中在鋼結構上，故主體結構模型構建完成后復核主體結構與鋼結構連接處節點與標高等細節。

根據施工圖管析架及 H型鋼次梁組成的屋蓋體系的結構坐標系原點，分析管析架節點詳圖、節點坐標表、桿件截面表、鋼構件材料表，在 Tekla軟件中構建管析架與 H型鋼梁等結構模型，連接處節點嚴格按照節點大樣處理，并使用節點坐標表復核標高。因為管析架屬于超長結構，考慮到運輸路線與車輛選擇，將管析架分為2～3段加工，通過模型導出加工圖紙，經設計單位審核確認無誤后，可按加工圖生產管析架。

Revit構建的主體結構模型與 Tekla構建的鋼結構模型兩者結合才能完成整體模型，做法通過 Tekla模型導出為 CAD版本的3D模型，再將該3D模型導入 Revit軟件中，調整兩模型的坐標原點，使用建筑圖紙中坐標復核模型精確度，再確認無誤后保存模型（圖1）。

3施工應用

總體施工部署為：工廠分段加工，分段運送至現場，按施工平面布置要求進場，現場使用 M20地腳螺栓將拼裝胎架固定在地下室底板上，使用25 t吊車吊裝分段一管析架至胎架上拼裝固定，吊裝前使用塔機將與第一福管析架連接的2道次梁安裝完成，待次梁安裝、管析架拼裝完成，使用100 t吊車整體吊裝至相應柱頂固定，每一福管析架吊裝完后，拆除胎架，再為下一福管析架安裝固定胎架，依次類推。因場地限制，前兩福管析架在拼裝時擺放位置調整至與第三、四福位置相同，故該部分胎架可以暫時不移動，直至第三福管吊裝完成，再移動第三福管析架固定胎架至第五福管析架胎架位置。第三福起吊時先升至正負零，旋轉一定角度，起升至柱頂再次旋轉，滿足安裝要求后落鉤，后續管析架吊裝方式同第三福。

3.1施工模擬

編制專項施工方案要考慮到鋼結構進場、胎架的擺放位置、管析架拼裝方式、起吊流程及注意事項等。使用Fuzor制作4D施工模擬時重點關注汽車吊進場路線、管析架擺放及起吊路線、吊裝時管析架旋轉方向及角度、汽車吊旋轉半徑[4]。

首先設置汽車吊構建屬性的車輛信息，隨后增加汽車吊關鍵幀，以符合方案中汽車吊進場路線，增加汽車吊支撐、調節起重臂的關鍵幀，并鎖定起重臂起吊角度、旋轉半徑及起吊高度，只改變旋轉角度，避免在吊裝過程中導致管析架失衡。將吊鉤落下后，選擇管析架平衡位置起吊，緩慢收鉤至柱頂標高以上，旋轉起重臂，同時旋轉管析架，不沖突結構柱與塔吊的情況下，記錄管析架起吊高度最低值，實際操作時不得低于該值。

管析架旋轉至柱頂后，汽車吊不再旋轉移動，緩慢調整吊鉤高度，將管析架下落至柱頂，固定完成后汽車吊收鉤，再吊裝第二組管析架。

施工動畫模擬不僅能針對方案查缺補漏，還能夠形象地反映施工過程，交底的可視化也讓吊裝過程的管理及監控有據可依，施工人員的職責更明晰，確保施工過程的規范化。

3.2管析架安裝

管析架安裝過程中，使用全站儀和線錘對鋼架的軸線位置進行精確校核。管析架對接時，胎架根據管析架軸線及對接位置進行布置。在管析架端扣焊接定位耳板，作為對接時臨時固定措施，對接后將耳板割除磨平。水平方向使用手拉葫蘆微調，垂直方向使用千斤頂微調，管析架主弦管在完成對口檢查，滿足設計要求后，焊接固定主弦管[2]。

胎架不僅需要滿足整體穩定性，還需要滿足管析架擺放在胎架上的局部穩定性、胎架剛度、抗彎要求。胎架進場后加工焊接拼裝，在安裝時首先定位放線，確定方向及胎架位置，鉆孔釘人鋼筋定位，使用吊車轉運至定位鋼筋內，使用水平尺調整胎架垂直度后用膨脹螺絲固定緊實（圖2）。

3.3管析架吊裝

在測站點上架設全站儀，將每福管析架的軸線定位線投影的位置線預先放樣在拼裝平臺，使用全站儀對管析架上、下弦管的軸線進行定位，確保管件的軸線偏差在容許誤差之內。為保證管析架按3%起拱的拼裝精度，需用全站儀對所有上、下弦管每個對接口、端口位置的中心軸線標高、位置精確測，然后進行焊接加固（圖3），并在吊裝之前對拼裝完成的管析架進行復測[3]。

管析架安裝遵循從從左至右安裝的原則，單福管析架梁在地面拼裝從一端開始，先安裝首端段管析架梁兩端胎架，吊裝首段橫管析架梁安裝在固定胎架上，確保首段梁不發生縱、橫向移位。在首段梁與二段梁接頭部位放置好臨時支撐架，準備第二段吊裝（圖4）。

地上拼裝時，單福梁組對好后，按照規范要求調整好拱度、水平度、彎曲度，使梁的安裝達到設計和規范要求，檢查合格后，將接頭部位焊接牢固。當單福梁焊接完成后，將其周邊梁、桿安裝到位，確保管析架梁不會偏移。

拼裝完成后吊裝整福管析架，管析架單根最大重量14.886 t，吊裝最大高度15.939 m，長45 m，采用四點吊裝，管析架中間與兩端使用手拉葫蘆與鋼鏈連接，在試吊時檢查平直度，有必要時使用手拉葫蘆調整。起吊前應在管析架兩端綁扎纜風繩，起吊后拉緊，使析架吊起后不發生大的搖擺，保持其正確位置。

為保證吊裝安全，將施工模擬的模型及吊點設置通過 MIDAs 建模計算，因吊裝時只有吊點受力，故在吊點處增加3個方向的位移約束，荷載取自重荷載（模型內材料總重13.75 t，實際為14.86 t，故自重系數取1.1），結果輸出時取1.2荷載系數。最終計算得知該變形處于可控范圍內，最大組合應力桿件、最大軸向力滿足要求（圖5）[1]。

將管析架從拼裝位置起吊到距地面200～300 mm高度，檢查各鋼絲繩受力是否均勻，持續5 min后，再看管析架有變形、桿件有無彎曲等現象，如情況良好，可正式起吊。如有不影響結構安裝的變形量，使用手拉葫蘆調整至誤差內。

起吊時將管析架提升超過建筑物結構最高安裝位置約300～500 mm，然后通過吊車轉臂，纜風繩調整角度將管析架轉至吊裝位置上方，最后將管析架緩慢降至安裝位置進行對位，安裝對位應以建筑物的定位軸線為準。因此在管析架吊裝前，應用經緯儀或其它工具在門架、結構安裝位置上放出定位軸線。如截面中線與定位軸線偏差過大時，應調整糾正。

管析架起吊過程中應注意防護措施是否滑落。當管析架逐漸落到安裝位置上時應特別小心，防止損壞預埋板的承力面，此時可以察看管析架支座底板的中心線與預埋件的中心線是否吻合，并在管析架懸吊狀態下進行調整。

緩慢下落至預埋錨板上后，汽車吊司機持續關注儀表盤數據，荷載開始減輕，證明支座開始受力，安裝入員觀察管管析架是否存在變形，如無意外，再進行后續安裝作業（圖6）。

3.4工程監控

起吊過程吊車司機及安全旁站監督員時刻監控儀表盤，保證作業半徑在限制范圍內，各項數值安全可靠。另將無人機起飛，在空中監控吊裝過程，全程錄像，保證吊裝過程與施工模擬同步，確保施工安全和方案的落實。

陸空結合的施工監控系統，讓危險無處遁行，一旦出現汽車吊各項指標超出監控值，或者空中無人機發現有操作人員未按要求施工，立即通報施工指揮，發出預警，停止吊裝過程，整改后才允許繼續（圖7）。

3.5效益分析

根據場地大小選擇同時拼裝多福管析架，節省時間，提升效率，一福管析架吊裝后在安裝過程中另外一福拼裝焊接，同時胎架周轉至下一福，等待管析架進場卸車，不同作業面同時作業使得鋼結構安裝效率最大化。胎架的重復利用減少了前期準備工作，避免大量生產專用胎架。

項目關鍵線路工期節約至少10天以上，不僅提前完成節點任務，而且大大節約了機械設備及周轉架料的投入，同時規避了工期風險和經濟風險。

4經驗總結

正是 BIM全方位的應用使重大危險源的施工過程監控更有據可依，提前預知施工過程的站位、鋼構件的移動路徑等。施工交底不再拘泥于紙上，視頻動畫更加直觀可靠，可視化的交底讓所有現場施工人員都能了解每一步的流程，流程背后的含義以及存在的危險，這是過去的交底無法做到的。

傳統施工只能通過圖紙和經驗來確認方案的可行性，具有一定的局限性，容易考慮不周全，在現場施工時出現不可控因素，如結構沖突、場地限制、機械性能等，對人力和工期都會產生極大的負面影響。

動畫模擬后不僅對施工起到了指導的作用，還更有利于對比分析，調整后續的施工部署，讓施工管理更加符合"智慧施工"的理念。

管析架模型創建，吊裝模擬是施工成功的重點，施工方案的編制缺失可行性的驗證，僅代表了理論上可以實施，通過 BIM各類型軟件模擬了吊裝過程后，立即得到大家的認同，方案實操可行，在現場施工過程中重點關注安全及質量把控即可。

參考文獻

[1]張明亮，劉維，曾治國.滑移施工技術在超大跨度拱形管析架中的應用[J].施工技術，2021，50（14）：74-76.

[2]陳川函.大跨度管析架結構施工技術應用—以湄洲灣職業技術學院遷建項目體育館工程為例[J].福建建材，2021（10）：16-40.

[3]吳博，陳小晶，劉成，等.三亞亞特蘭蒂斯水上樂園大跨度鋼結構管梢架施工技術[J].陜西建筑，2020，10（304）：37-40.

[4]雀邯龍，肖超，王松.BIM技術在某大跨度管析架工程中的應用[J].鋼結構，2019，34（8）：100-104.