基于BIM及有限元的車道區(qū)域內(nèi)支撐拆除施工

戴華平 嚴(yán) 豪 周澤志 童富良 陳 韜

（中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518000）

在拆除車道區(qū)域內(nèi)的支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，常會(huì)遇到支撐體系基礎(chǔ)位于斜面、車道底部局部高度高于兩層層高的情況，使用常規(guī)回頂支撐方式會(huì)出現(xiàn)較大的側(cè)向反力，無法保證施工安全，常用的繩鋸切割方式也存在無法運(yùn)輸?shù)葐栴}[1]。因此，需要一種適用于車道區(qū)域內(nèi)支撐拆除施工的方法[2]。本文優(yōu)化施工方案，經(jīng)過實(shí)踐應(yīng)用，總結(jié)出一套完整的適用于車道區(qū)域內(nèi)支撐拆除施工方法的關(guān)鍵技術(shù)，通過BIM技術(shù)對(duì)施工平臺(tái)、回頂架體等措施進(jìn)行方案圖二次深化設(shè)計(jì)，為同類型車道區(qū)域內(nèi)支撐拆除施工中的推廣和應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 工法特征分析

1.1 工法適用范圍

工法適用于車道區(qū)域上方內(nèi)支撐拆除施工，其他平面樓板距內(nèi)支撐高差較大區(qū)域的內(nèi)支撐拆除施工也可通過搭設(shè)型鋼平臺(tái)實(shí)現(xiàn)降低安全風(fēng)險(xiǎn)與減少鋼管用量的需求[3-4]。

1.2 工藝原理

基于BIM及有限元的車道區(qū)域內(nèi)支撐拆除施工技術(shù)是通過有限元計(jì)算分析不同種類的施工平臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，確定施工平臺(tái)搭設(shè)形式[5]。通過BIM模擬技術(shù)，對(duì)車道區(qū)域內(nèi)支撐進(jìn)行3D建模、模擬施工，對(duì)不同高度坡道的支撐平臺(tái)進(jìn)行分析，再運(yùn)用Midas有限元計(jì)算軟件建立模型、理論計(jì)算分析支撐平臺(tái)的應(yīng)力、安全系數(shù)等變化情況[6-7]，達(dá)到優(yōu)化支撐體系的目的，最后通過BIM技術(shù)對(duì)施工平臺(tái)、回頂架體等措施進(jìn)行方案圖二次深化設(shè)計(jì)。

BIM技術(shù)3D模擬施工如圖1所示。

圖1 BIM技術(shù)3D模擬施工

2 理論驗(yàn)算階段

2.1 施工平臺(tái)的選擇

施工平臺(tái)的搭設(shè)分為型鋼施工平臺(tái)、鋼管架施工平臺(tái)。通過BIM建模分析施工平臺(tái)搭設(shè)高度，通過Midas有限元模擬坡道梁板，模擬鋼管平臺(tái)與型鋼平臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)。通過對(duì)比分析，在常規(guī)車道結(jié)構(gòu)板上搭設(shè)不同種類的平臺(tái)，在施工過程中，對(duì)正式結(jié)構(gòu)的不良影響確定施工平臺(tái)的搭設(shè)方式。施工平臺(tái)的結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。

圖2 施工平臺(tái)的結(jié)構(gòu)平面（單位：mm）

驗(yàn)算坡道上方搭設(shè)鋼管施工平臺(tái)與型鋼施工平臺(tái)的搭設(shè)方式如圖3、圖4所示。擬采用自重為9 t的叉車轉(zhuǎn)運(yùn)砼塊，叉車尺寸為3.5 m×2.0 m，最大載重量7 t，平臺(tái)上的施工總荷載為160 kN。區(qū)域內(nèi)鋼管立桿總數(shù)為126根，每根立桿傳至結(jié)構(gòu)上的荷載為1.27 kN，型鋼立柱12根，每根立柱傳至結(jié)構(gòu)上的荷載為13.3 kN，將立桿與立柱荷載加載至結(jié)構(gòu)Midas有限元模型中得出梁板內(nèi)力對(duì)比與結(jié)構(gòu)位移對(duì)比。

圖3 鋼管平臺(tái)搭設(shè)示意圖（單位：mm）

圖4 型鋼平臺(tái)搭設(shè)示意圖（單位：mm）

采用鋼管平臺(tái)時(shí)，荷載的傳遞路徑為荷載→鋼管平臺(tái)立桿→結(jié)構(gòu)板→結(jié)構(gòu)梁。由驗(yàn)算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)位移最大處為77 mm，需要在板底增加回頂架體。

采用型鋼平臺(tái)時(shí)，荷載的傳遞路徑為荷載→型鋼平臺(tái)立柱→結(jié)構(gòu)梁。經(jīng)驗(yàn)算，梁配筋滿足要求，不需要在結(jié)構(gòu)下方增加回頂架體。以深圳騰訊數(shù)碼大廈為例，車道下方仍為車道，板下回頂架體時(shí)立桿基礎(chǔ)為斜面，立桿易出現(xiàn)較大的側(cè)向反力，型鋼平臺(tái)比鋼管平臺(tái)更安全。

2.2 型鋼平臺(tái)理論驗(yàn)算

搭設(shè)型鋼平臺(tái)，通過圖紙與BIM模型模擬可知，該位置車道板距內(nèi)支撐梁底高度為8.0 m，考慮叉車高度約為2.7 m，需要搭設(shè)5.0 m高型鋼平臺(tái)，3.0 m高回頂架體，取其中一個(gè)長度1.5 m×寬度2.5 m×高度5.0 m單元為例進(jìn)行驗(yàn)算，利用Midas軟件建立模。BIM模擬工況如圖5所示，型鋼平臺(tái)模型如圖6所示。

圖5 BIM模擬工況

圖6 型鋼平臺(tái)模型

（1）荷載計(jì)算。

采用載重7 t的叉車，自重9 t，叉車下鋪20 mm厚鋼板，最不利工況為3/5滿載叉車通過在此型鋼平臺(tái)單元，轉(zhuǎn)換為面荷載9.6 kN/m2（型鋼平臺(tái)自重與荷載組合系數(shù)由Midas軟件自動(dòng)生成）。

（2）鋼板驗(yàn)算結(jié)果。

鋼板的最大應(yīng)力σ=33.4 N/mm2＜215 N/mm2，符合要求。

（3）主次梁驗(yàn)算結(jié)果。

主次梁最大應(yīng)力σ=79 N/mm2＜215 N/mm2，符合要求。

（4）立柱與角鋼驗(yàn)算結(jié)果。

立柱的最大應(yīng)力σ=50 N/mm2＜215 N/mm2，符合要求。

（5）型鋼撓度驗(yàn)算結(jié)果。

撓度驗(yàn)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 撓度驗(yàn)算

撓度最大值為2.9 mm，小于L/215，L取最小梁跨，滿足要求。

3 結(jié)語

本研究成功地解決了車道區(qū)域內(nèi)支撐拆除施工中常見的難點(diǎn)，避免了因大高差回頂支架產(chǎn)生過大水平反力而導(dǎo)致的施工安全問題，降低了對(duì)正式結(jié)構(gòu)的影響，確保了結(jié)構(gòu)的安全性，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。該工法的推廣應(yīng)用對(duì)于解決其他平面樓面板距離內(nèi)支撐高差回頂支架的拆除提供了一種新的解決方案。