基于BIM 技術的核電廠結構模塊就位安裝

劉虹澤，朱茂林，劉 帥

（上海核工程研究設計院股份有限公司，上海 201100）

0 引言

核電作為一種穩定高效的清潔能源，近年來在我國發展迅速。核電建造工藝的提升也勢在必行，通過模塊化施工，不僅能提升核電現場建造進度，同時有利于核電現場建造質量的控制，因此模塊化施工在核電廠建造中的應用也越來越廣泛。但大型結構模塊的就位安裝工作也對現場施工提出了新的考驗。BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術的應用很好地解決了大型結構模塊就位安裝時的干涉問題。

1 概念介紹

1.1 模塊

模塊是指一個由材料和部件組裝而成的組合件。模塊化施工是一種先進的施工理念，它對傳統施工理念進行優化，大量引入平行作業，使廠內的使用作業從串行施工變為并行施工。依靠先進技術，將土建、安裝、調試等工序進行深度交叉，從而大大縮短了核電站建設工期，進而降低工程造價。典型非能動核電廠的模塊主要分為機械模塊、結構模塊、免拆除澆筑模板、樓梯模塊等。

1.2 結構模塊

結構模塊一般由鋼板和型鋼及內部混凝土構成，形成完成廠房的結構。其目的是取代傳統的棒式鋼筋綁扎和模板材料支設。一旦將組裝好的模塊安裝就位，混凝土澆筑施工就能與房間完成和設備模塊安裝平行進行。典型的結構模塊主要包括兩側面板、兩側面板中起支撐和連接作用的型鋼、面板內側的剪力釘等（圖1）。

以CA20 結構模塊為例，該模塊是結構模塊中最大的模塊之一，位于輔助廠房6 區（1/K 軸-N 軸與2 軸-4 軸線之間區域）標高-10.200 m 的底板上，主要用于乏燃料的貯存、傳輸、熱交換以及廢物收集等，是由27 個墻體模塊和18 個樓板模塊及角鋼梁構成的箱盒板式鋼構構筑物，具體安裝位置如圖2 所示。

圖2 結構模塊位置

模塊的外形尺寸為17.75 m×15.55 m×22.85 m（長×寬×高，圖3），外形尺寸大，結構復雜。其就位底板布置大量插筋，就位時與模塊墻體內的型鋼、剪力釘以及模塊內已安裝好的管道等結構沖突的風險極大（圖4）。如果在就位過程中處理干涉問題，則會增加吊裝風險，因此提前識別并消除干涉，對于CA20模塊的就位安裝至關重要。

圖3 CA20 模塊外形

圖4 CA20 模塊就位基礎

1.3 BIM 技術

BIM 是一種應用于工程設計、建造、管理的數據化工具，是基于三維圖形、物件導向、建筑學的計算機輔助設計。目前，國內BIM 技術在民建施工中的應用已趨于成熟，針對道路、橋梁的BIM 技術應用也在逐步深化中。在核電建設土建施工過程中，BIM 技術的應用還在初步探索階段[1]。BIM 模塊化施工的核心理念是“虛擬建造，事前反饋”[2]。

2 基于BIM 技術的CA20 結構模塊就位安裝

利用BIM 技術，在CA20 模塊的安裝就位前對基礎部位的鋼筋和模塊內部的結構進行模擬，提前識別出干涉部位，并按照允許的技術要求進行處理，能有效避免吊裝時的干涉問題，降低吊裝風險，其主要包括數據采集、碰撞檢測、干涉處理3 個步驟。

2.1 數據采集

設計圖紙中已經提供了結構模塊內的型鋼、剪力釘及模塊基礎上鋼筋等的布置位置，但在實際執行過程中會產生各種偏差最終導致干涉碰撞的產生，產生偏差的因素如下：

（1）結構模塊拼裝過程中焊接引起的模塊變形。

（2）結構模塊吊裝、翻轉過程中由于磕碰等原因引起的模塊變形。

（3）結構模塊組裝拼裝過程中產生的累計誤差。

（4）模塊基礎澆筑過程中鋼筋發生位移。

因此，僅用設計圖紙中的數據進行BIM 模型的搭建來進行碰撞檢測是不可行的，應結合圖紙利用三維掃描儀器對實體進行現場數據采集，并用采集的數據來搭建BIM 模型（圖5、圖6）。

圖5 三維掃描儀器

圖6 三維掃描數據收集

2.2 碰撞檢測

在數據采集完成后，可利用合適的軟件平臺建立BIM 模型。BIM 技術在國際上已有上百種相關軟件，針對不同的問題采取不同的軟件能在保證節省效率的同時提高模型精度[3]。常見的軟件平臺有Autodesk Revit、Tekla、Rhino、ArchiCAD 等，其中Revit軟件具備相對簡單、操作界面友善、兼容性強等特點，應用廣泛。

完成BIM 模型的建立后可導出WC/IFC/DXF 格式文件，將其導入到Navisworks 碰撞檢測軟件中進行檢測，校核精確度，可得到節點碰撞模型（圖7）。

圖7 整體干涉

2.3 干涉處理

在得到節點干涉碰撞模型后，可依照設計允許的方式進行干涉處理。常見的處理方式有修改結構模塊內的構件和修改基礎鋼筋。

2.3.1 修改基礎鋼筋

當結構模塊內的構件與基礎發生干涉時，一般采取修改基礎鋼筋的方式來進行干涉處理，該處理方式主要包含兩類。

2.3.1.1 鋼筋彎曲避讓

當模塊內的構件與基礎鋼筋干涉較小，通過適當避讓即可規避時，可采用彎曲鋼筋的形式進行避讓。鋼筋適當的彎曲不會影響其伸入混凝土的長度和與混凝土的接觸面積，即不會影響整體的受力和結構性能，因此可做適當彎曲來進行干涉避讓，對于易操作的鋼筋可直接進行綁扎彎曲，對于不易彎曲的鋼筋可按照設計批準后的方式進行熱彎處理（圖8）。

圖8 鋼筋彎曲避讓

2.3.1.2 切割鋼筋并恢復

當干涉情況較嚴重，不能通過鋼筋彎曲進行排除時，可在吊裝之前進行部分切除，待模塊就位后恢復。鋼筋恢復采用全焊透對接焊的形式進行焊接，焊接接頭采用100 % 目測及磁粉檢測，鋼筋恢復后需保證至原設計高度。在進行鋼筋恢復時，需要對模塊本體進行切割創造鋼筋恢復和焊接空間，鋼筋恢復完成后對模塊切割部位進行恢復，恢復鋼板開坡口，進行單V 全熔透焊接。

2.3.2 修改模塊內的構件

除修改基礎鋼筋外，還可以通過修改模塊內構件位置的方式進行干涉避讓。以修改剪力釘位置為例，對于剪力釘的修改可采用彎曲避讓和拆除后恢復兩種方式：剪力釘彎曲避讓，一般可將剪力釘扳彎不超過30°，待吊裝就位完成后復位到不超過15 °，且彎弧直徑不小于4 d，復位后檢查根部焊縫是否有裂紋，保證不影響剪力釘強度。若需切除剪力釘，可在吊裝之前進行切除，在切除時應采取措施避免傷及母材，吊裝完成后在被切除剪力釘周圍75 mm 內恢復被切除的剪力釘。

3 總結

在結構模塊就位安裝前，利用BIM 技術對結構模塊及其就位基礎進行碰撞檢測，能有效地識別出干涉部位，從而使得干涉問題得以提前處理，降低結構模塊吊裝就位過程中的風險。以CA 20 結構模塊就位安裝為例，對結構模塊利用BIM 技術進行碰撞檢查并處理干涉的過程進行了總結，為后續結構模塊的就位安裝提供參考。