基于 B1M技術(shù)的大跨膠合木拱結(jié)構(gòu)制作安裝

彭德坤 周堅 李坤 王中全 葉盛智

【摘要】基于成都天府國際機場四川航空基地工程，介紹了大跨度膠合木拱制作安裝技術(shù)的主要內(nèi)容。采用模塊化集成思路實現(xiàn)了構(gòu)件的批量化制作生產(chǎn);利用 B1M技術(shù)的可視化施工模擬明確了膠合木梁整體吊裝思路，優(yōu)化了吊裝方案;應(yīng)用預(yù)拼裝、分級吊裝、交叉提升等安裝方法，提高了構(gòu)件的安裝效率，保證了節(jié)點的連接質(zhì)量和膠合木梁的整體穩(wěn)定性，為同類膠合木結(jié)構(gòu)的建造施工提供了參考。

【關(guān)鍵詞】大跨度;膠合木結(jié)構(gòu);模塊化; B1M技術(shù)

【中圖分類號】 TU759.7【文獻標志碼】 B

近年來，隨著新型建筑材料和建造技術(shù)的發(fā)展，膠合木結(jié)構(gòu)越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中。膠合木結(jié)構(gòu)以其綠色環(huán)保、節(jié)能舒適、設(shè)計理念新穎、形式多樣、施工周期短，防火性能和抗震性能好等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于建造住宅、公共建筑、商業(yè)設(shè)施，以滿足現(xiàn)代人日益提高的物質(zhì)文化需求。而目前由于大跨度木結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)跨度大、鋼木轉(zhuǎn)換節(jié)點復(fù)雜等技術(shù)難度制約，國內(nèi)將膠合木材應(yīng)用于大跨度木結(jié)構(gòu)中的案例較少，因此需要更多的技術(shù)及案例支撐來推動大木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的進步[1]。

1工程概況

成都天府國際機場是"十三五"規(guī)劃中我國最大的新建民用運輸機場項目，是"一帶一路"的重要國際門戶樞紐，也是成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈國家戰(zhàn)略的重要支撐。

成都天府國際機場四川航空基地工程用地面積61 ha， 總建筑面積62萬 m2，總投資65億元。其中飛行保障用房活動中心局部屋蓋采用膠合木結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了美觀大氣的裝修風(fēng)格，增添了青春時尚的現(xiàn)代氣息。

四川航空基地活動中心總建筑面積4611.4 m2，局部屋蓋采用膠合木結(jié)構(gòu)，膠合木結(jié)構(gòu)形式為交叉張弦木拱，膠合木屋蓋為橢圓拋物面，橢圓長軸方向長82.4 m，短軸方向長48.4 m，交叉木拱最大矢高為5 m，下弦索垂度2 m。如圖1、圖2所示，本工程屋蓋采用張弦膠合木交叉拱結(jié)構(gòu)，屋蓋有10組膠合木交叉拱，最大跨度48.4 m。交叉木拱最大矢高為5 m，下弦索垂度2 m，木拱截面形心最高19.3 m。

2構(gòu)件模塊化分段

為實現(xiàn)各構(gòu)件的生產(chǎn)專項化，采用構(gòu)件"模塊化"的組裝原理建立膠合木拱的整體 B1M模型[2]。將每一跨梁體分解成木拱、X節(jié)點鋼構(gòu)件、鋼系桿、鋼撐桿、高釩索、鋼支座等結(jié)構(gòu)（圖3），確定構(gòu)件的空間位置、相對位置關(guān)系及連接方式，木拱與支座間采用螺栓連接，木拱與木拱間通過金屬連接件對接，木拱與金屬連接件之間采用螺栓緊固。

對大跨度木拱梁進行接長分段時，考慮各福木拱梁幾何中心在平面上位于同一直線上，且每福木拱梁的長度不同，以屋蓋為整體、最長木拱梁為基準畫等分線，將每福木拱梁在接長方向上分成4段，如圖4所示。

3膠合木拱制作加工

制作工藝流程：選材—干燥—材料分等—板刨削加工—板材分等—板材長度、寬度方向膠合—膠合面刨削—彎曲加壓膠合—膠合木整形加工—檢驗—成品。

3.1選材

選用20～50 mm厚的優(yōu)質(zhì)落葉松木，要求品相好，紋路清晰。寬度在10～35 cm，表面配置紋理美觀的刨制薄木或其它裝飾材料，芯層為普通旋切單板。根據(jù)每福木拱梁的尺寸，考慮刨削所需的損耗量，計算出所需木材總體數(shù)量。

3.2干燥

采用自然干燥法將膠合木層板放置于自然環(huán)境中進行干燥，經(jīng)過干燥后的木材，在干料棚內(nèi)儲存15天左右，以平衡木材內(nèi)部含水率及釋放木材內(nèi)部應(yīng)力。薄板含水率一般為8%～12%，便于彎曲。

3.3材料分等

采用目測分等法對層板進行挑選，選擇優(yōu)質(zhì)的木材制造膠合模板，剔除缺陷多的層板，根據(jù)集中節(jié)徑比、寬面材邊節(jié)徑比、斜紋傾斜比、彎曲變形等情況對鋸材進行強度分等，目測強度等級高的放置于受拉方向的最外側(cè)[3]。

3.4刨削加工

將木材分等后，用刨光機對優(yōu)質(zhì)的鋸材進行刨光，鋸材的原始橫截面積為150 mmx45 mm，需要將鋸材拼寬拼厚達到800 mmx240 mm的橫截面，所以將原始鋸材切割為①72 mmx40 mm②128 mmx40 mm③144 mmx40 m3種規(guī)格，以備后續(xù)的層板拼接工作。

3.5層板組坯

采用"先拼寬再拼厚"的順序?qū)ⅱ佟ⅱ凇ⅱ?種類型的層板按照如圖5所示的方式進行組坯，并逐層將層板拼貼在一起，注意上下層相鄰拼縫的間距，應(yīng)保持在40 mm以上，層與層之間應(yīng)選用紋理相近的板材，以保證板材間的膠合性能以及材料的力學(xué)性能。

3.6彎曲加壓膠合

完成層板的組坯后，在層板膠縫中均勻涂抹聚氨酯膠粘劑，并將層板組放置于折彎拼壓機上，如圖6所示，根據(jù)木材材質(zhì)和截面尺寸確定拼壓機的壓力大小，在對層板組加壓的同時，對層板組兩端緩慢施加折彎作用力，在層板組將達到目標曲率半徑前降低折彎速率。完成折彎拼壓作用后，持續(xù)保持壓力狀態(tài)24 h。

加壓成型后的弧形木拱梁，在進行養(yǎng)生后，進行刨光倒角等加工工序，然后將木拱梁送人加工中心完成銑削、鉆孔、開槽等加工。圖7為弧形木拱梁制作成型圖。

4安裝工程方案模擬

基于 BIM模型進行木拱梁吊裝的演示模擬[4]，如圖8所示，方案1為木拱梁的線性吊裝方案，方案2為木拱梁的交叉型吊裝方案，通過方案模擬發(fā)現(xiàn)，方案2用時最短，更節(jié)省工期。為提升吊裝效率，提高吊裝過程整體穩(wěn)定性，優(yōu)選方案2為最終吊裝方案。

將每福梁在 X節(jié)點處的4段梁體進行現(xiàn)場拼裝，并優(yōu)先進行起吊，如圖9所示，對 X型梁兩端的梁體進行交叉同時吊裝作業(yè)，再交錯進行剩余梁體的安裝，在保證整體梁段穩(wěn)定性的同時，也提高了安裝效率。

5木拱地面拼裝

木拱分段運輸至現(xiàn)場后在地面進行拼裝。單福木拱拼裝前在地面用方管搭設(shè)拼裝胎架，木拱在胎架上進行拼裝。

考慮到施工分段及施工期間的安全及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在施工過程中需要搭設(shè)臨時支撐，選用鋼管腳手架作為臨時支撐架。木拱地面拼裝支撐架均采用小48 x3.5 mm鋼管，立柱與橫梁通過碗扣件連接。根據(jù)各小 x型木梁構(gòu)件的垂直高度，現(xiàn)場搭接支撐架。

6節(jié)點鋼構(gòu)件安裝

6.1預(yù)埋錨栓安裝

支座節(jié)點鋼構(gòu)件安裝在木結(jié)構(gòu)屋蓋四周的土建結(jié)構(gòu)上，錨栓預(yù)埋在土建施工時穿插進行，為了保證預(yù)埋件的精確度，首先應(yīng)測設(shè)好預(yù)埋板頂面標高線及位置控制線（基軸線或中心線等）。

預(yù)埋時找準預(yù)埋頂板上事先彈好的縱橫向控制線，并將測量定位的基軸線與其進行吻合。再使用斜撐及楔塊控制標高，并用斜撐將預(yù)埋件固定牢固。

在進行預(yù)埋時，支撐的牢固程度是確保其埋入的關(guān)鍵。混凝土澆筑過程中，要避免混凝土澆筑過程中的移動和位移，不僅要確保混凝土結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力，而且要采取適當?shù)募庸谭椒ā?/p>

在完成預(yù)埋件定位后，用鋼筋將預(yù)埋件和周圍鋼筋進行焊接固定。澆注混凝土之前，需預(yù)埋件進行定位測量，并對位置和標高誤差進行即使校正。在澆注混凝土?xí)r需做好預(yù)埋件的保護工作[5]，防止混凝土下落時沖擊預(yù)埋件豎向支撐，造成預(yù)埋件偏位。混凝土澆筑后對預(yù)埋件定位進行復(fù)測，如預(yù)埋件位置偏差較大，需及時采用糾偏措施。

6.2支座節(jié)點鋼構(gòu)件焊接

支座在金屬屋面預(yù)裝完成后將支座底板與上述預(yù)埋板焊接固定。

針對工程的特點，采用 C02氣體保護半自動焊技術(shù)完成本工程結(jié)構(gòu)焊接，可達到更好的焊接效果，確保工程的焊接質(zhì)量。

6.3木拱現(xiàn)場吊裝

木拱與2處節(jié)點安裝均采用螺栓固定，施工時由吊車將木拱吊至安裝位置，吊至安裝高度后的木拱通過攬風(fēng)繩固定，再由地面施工人員通過固定在木拱兩端的牽引滑繩調(diào)整木拱角度、位置，以達到施工安裝的要求，如圖10所示。

其中中部構(gòu)件懸于空中，無有效參照物，需要通過模型確定木拱 x鋼構(gòu)件的位置坐標點，安裝過程中通過測量儀器確定是否吊裝到位。

為保障木拱高空對接節(jié)點的安裝精度和保護木拱端部在安裝過程中不受破壞。在木拱吊裝之前，在地面預(yù)先將對接調(diào)整控制件通過抱箍安裝固定在木拱的端部，同時為保護木拱表面，在抱箍下放置木墊塊。

6.4螺栓安裝

木拱吊裝到位后，保持木拱的恒定吊裝狀態(tài)，利用登高車進行高空安裝作業(yè)。

螺栓安裝時須擰緊，以確保連接的各構(gòu)件緊密接觸。需注意不得將金屬墊板嵌入膠合木構(gòu)件中，對于承受拉力的螺栓應(yīng)采用雙螺帽進行連接。在多排螺栓擰緊作業(yè)時，宜進行成對安裝，避免因吊裝狀態(tài)失穩(wěn)造成的安裝偏差。

6.5鋼拉桿、鋼系桿及高釩索施工

6.5.1鋼支座耳板清理

穿索前，先清理鋼支座處耳板，并及時清理干擾穿梭及錨具安裝施工的雜物。

6.5.2錨具安裝

錨具安裝前先檢查清洗組裝，錨具錨固位置固定量可根據(jù)初應(yīng)力要求確定。

將拉索錨具組裝好，放在鋼支座耳板前合適的位置準備穿束安裝錨具，按穿束時記錄好的編號，將對應(yīng)的拉索錨具，拉索錨具在鋼支座耳板栓接固定后，注意將兩端錨孔相互對應(yīng)，不得有錯位。

6.5.3穿索

將拉索錨具一端篤定在鋼支座耳板上，使用塔吊吊裝牽引穿過每個索導(dǎo)管，直到另一端拉索錨具固定于對側(cè)的耳板，調(diào)整好拉索的長度，穿束時注意對拉索、木拱及鋼構(gòu)件的保護。

6.5.4橫向撐桿（系桿）、斜撐桿吊裝

撐桿安裝采用塔吊吊裝，牽引鋼絲繩將桿件導(dǎo)向安裝位置，然后將桿件上端固定于木拱連接板上，撐桿為栓接固定，可對撐桿一端先進行預(yù)安裝，此時可以解除吊裝鋼絲繩與桿件的連接，桿件的下端同樣使用起重設(shè)備提起至另一端安裝位置，木拱間的橫向撐桿通過導(dǎo)引至另一側(cè)木拱連接板上，進行固定。斜撐桿一端導(dǎo)引至拉索索夾節(jié)點處，與索夾耳板相連接并固定。

6.5.5 V型支撐桿，底部的點位控制和調(diào)整方法

高釩索、V型支撐桿的點位通過在木拱間水平橫向鋼系桿中間位置設(shè)置鉛垂線，鉛垂線與高釩索的交點為鎖夾中心位置，鉛垂線的垂直距離為 V型支撐桿和高釩索的垂直豎向控制值。

通過模型導(dǎo)出水平鋼系桿的中心的理論空間坐標值、及其對應(yīng)的鎖夾空間坐標值、并測算出水平鋼系桿的中心點與鎖夾的垂直距離。施工前根據(jù)現(xiàn)場木拱和水平鋼系桿的實測數(shù)值，與理論值的比較，進而確定實際關(guān)鍵點位的坐標。

6.6張拉

6.6.1拉索預(yù)緊測力儀就位

將拉索預(yù)緊測力儀就位吊裝固定至拉索調(diào)節(jié)端，將油缸處用纜繩固定，另--端與木梁上部連接，保證拉索預(yù)緊測力儀的穩(wěn)定，能夠正常張拉，如圖11所示。

6.6.2拉索張拉

首先將拉索進行預(yù)緊調(diào)直，將拉索調(diào)整至繃緊且不受力的狀態(tài)，同時觀察并調(diào)節(jié)鋼撐桿，始終保持鋼撐桿處于垂直向下的狀態(tài);拉索調(diào)整完后，將索夾與拉索連接處的螺栓擰緊，保證拉索預(yù)索夾無相對滑移。

下一步開始進行拉索張拉，松開拉索調(diào)節(jié)端的鎖緊螺母;將液壓手動泵放置登高車上開始加壓，預(yù)緊器螺桿要等長預(yù)緊，液壓缸內(nèi)的活塞產(chǎn)生移動，帶動拉索預(yù)緊測力儀連桿將拉索拉緊，同時預(yù)緊力值換算值顯示在壓力表上。

此時安裝入員通過登高車操作扳手轉(zhuǎn)動拉索調(diào)節(jié)器，對手壓油泵進行勻速加壓，使調(diào)節(jié)器勻速轉(zhuǎn)動，直至壓力計數(shù)值達到預(yù)先設(shè)定的預(yù)緊力后，停止轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)器和手壓油泵加壓，記錄手壓油泵上液壓表數(shù)值，之后卸載手壓油泵壓力后，移除拉索預(yù)緊測力儀，完成本次拉索的預(yù)緊力施加

在張拉過程中，測量人員通過全站儀全程觀測結(jié)構(gòu)的變化情況，并做好記錄。

6.6.3依次張拉

按照張拉順序，第1根拉索第1級張拉完成后，重復(fù)上述的步驟，依次對稱張拉剩余的拉索。

6.6.4應(yīng)力檢查

拉索在施加預(yù)應(yīng)力完畢24h后（不小于24h），再用拉索測力儀測其應(yīng)力，然后對預(yù)拉力進行調(diào)整。

6.6.5分級張拉

重復(fù)上述步驟，根據(jù)換算的分級拉索預(yù)緊力，對拉索進行剩余的九級張拉，并對每級張拉記錄下時間和數(shù)據(jù)。

7安裝成型及防火防腐處理

整體結(jié)構(gòu)安裝完畢后，安排質(zhì)檢人員對木構(gòu)件及鋼配件進行檢修工作，確保所有構(gòu)件均安裝完成，所有焊接部位均已經(jīng)焊接完成，并對有漆面損毀的部位立即進行修補，確保構(gòu)件正常使用。膠合木拱安裝成型如圖12所示。

根據(jù)主體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，木結(jié)構(gòu)的防火性能不應(yīng)低于難燃性B1級;采用防火涂料對木構(gòu)件進行防火處理時，防火涂料選用透明的防火清漆。膠合木表面采用防火涂料進行1遍中涂和2遍面涂。

本工程中膠合木構(gòu)件均應(yīng)進行防腐處理，防腐處理時應(yīng)采用無色的防腐劑，防腐劑的選用和防腐處理的投入度及載藥量分別符合GB/T27654- -2011《木材防腐劑》、GB50206-2012《木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》、GB50828--2012《防腐木材工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。

8結(jié)束語及研究展望.

本文以成都天府國際機場四川航空基地為工程載體，介紹了基于BIM技術(shù)的大跨度膠合木拱結(jié)構(gòu)制作安裝的主要內(nèi)容，實現(xiàn)了大跨度膠合木拱建筑的高效建造。

（1）采用了模塊化的組裝原理，將大跨度的膠合木拱整體劃分為曲率半徑相同的各個梁段、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)件、撐桿等，各單元體分區(qū)分段、順序編號，按照安裝順序依次進行加工生產(chǎn)，實現(xiàn)了科學(xué)有序化的制作安裝工序。

（2）建立了BIM數(shù)字化結(jié)構(gòu)模型，通過BIM技術(shù)的動態(tài)模擬功能演示構(gòu)件的吊裝方式，確定最佳吊裝方案，實現(xiàn)膠合木拱梁段的可視化安裝管理，保證了安裝工程高效有序地進行。

（3 ）木拱結(jié)構(gòu)安裝過程采用應(yīng)用預(yù)拼裝、分級吊裝、交叉提升等安裝方法，確保木拱構(gòu)件-次性吊裝到位，同時提高了構(gòu)件的安裝效率，保證了節(jié)點的連接質(zhì)量和膠合木梁的整體穩(wěn)定性。

本文介紹的膠合木結(jié)構(gòu)施工技術(shù)在天府國際機場取得了良好的社會經(jīng)濟效益，極大滿足了施工和使用需求。該技術(shù)的成功應(yīng)用為大木結(jié)構(gòu)工程的建造施工提供了案例參考和技術(shù)支持，有利于木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的進步和發(fā)展。

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