应用BIM技术实现大跨度原料大棚的设计施工一体化.docx

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应用BIM技术实现大跨度原料大棚的设计施工一体化

应用BIM技术实现大跨度原料大棚的设计施工一体化

摘要：

介绍了宝钢炼铁厂烧结节能环保配套原料场改造项目：

矿石N料场网壳安装工程的设计、设计施工。

包括应用BIM技术完成设计选型、设计施工一体化设计、方案3D模拟优化、施工工况的仿真计算、三维测量与平面测量结合、施工全过程监测等。

本设计施工一体化技术为今后（宝钢）环保节能原料大棚或类似工程提供了借鉴，实现了绿色、环保、节能的可持续发展。

关键词：

BIM；大跨度空间网壳；设计施工一体化

1工程概况

宝钢原料场目前均采用普通露天料场，露天贮料方式存在污染环境、物料损耗率高等问题，难以满足目前日渐严格的环保要求，因此，封闭型原料场已经成为新的发展趋势。

为顺应节能降耗的趋势，宝钢将投入近200亿元对原料场区域进行整体改造，纳入改造规划的封闭料场近20座。

宝钢炼铁厂烧结节能环保配套原料场改造项目:

矿石N料场网壳安装工程，位于宝钢股份公司炼铁厂三期原料场区域。

该网壳的结构形式为空间柱面网壳结构，其横向断面为三心柱面网壳结构形式，半径尺寸分别为：

35，38.7，71m。

网格采用正放四角锥，锥体高度为3.7m，网壳长度方向按120m均匀设两道温度伸缩缝兼抗震缝，将网壳分隔为A、B、C共3个分区。

网壳跨度为120m，总长度为368m，总投影面积44400m2，矢高（支座中心至柱面网壳中心轴最高点）约47m。

网壳整体外形尺寸达120m×368m×47m，在目前国内同类大棚中跨度及高度均处于领先水平。

宝钢N料场原料大棚分区及布置见图1。

图1网壳分区及布置

2工程难点

1）不停产改造。

大棚网壳在施工时，料场已投入使用，2台大型堆取料及料场输送机处于生产状态，堆料高度达13m，料场区域严禁施工作业。

与生产的配合是本工程成败的关键。

2）环境复杂。

施工时，不仅本料场设备在运行，周边料场也在运行。

施工区域设备、转运站、胶带机通廊众多。

3）网壳结构跨度大、高度高、构件数量规格多，精度要求高，所有构件都是散件出厂、现场拼装，存在高空拼装难度大、危险性高，安装质量难以控制，滑移、落架技术要求高等问题。

3技术背景

空间网壳结构是近年来新兴的一种结构形式，具有跨度大、结构自重轻，刚度大等优点，随着国家经济的转型、环保节能要求的提高，逐渐从民用场馆应用到机库、原料库、仓库、加工厂、新农业等工业建筑。

3.1设计、施工“分离脱节”

网壳设计一般都由设计院完成，但由于网壳施工方法多样，在施工中内力变化工况复杂。

设计院在设计时不了解现场实际施工情况和需求，设计时较少考虑施工工况，给现场施工带来了一定的困难和隐患。

3.2施工单位简单冒进

施工单位对网壳施工中采用的先进技术如滑移、提升、折叠展开、落架等施工工况，没有具体的分析，没有准确的数据量化，现场仅凭经验极易造成施工质量、安全事故。

3.3设计施工一体化理念

综上原因，设计时应充分考虑施工需求，根据施工条件优化设计，并根据采用的施工方法，采用分步建模法模拟施工中结构受力情形，得出合理、安全可靠的方案，保证施工过程中的安全性。

同时利用BIM技术将设计、施工进行连接，形成数据互通、信息共享，使设计、施工分段式的实施变为一体化成为可能。

4大棚网壳设计施工一体化技术

4.1设计优化

1）结构选型。

通过BIM技术建立网壳的三维模型及料场的仿真环境（图2），反复对比，最终确定采用三心柱面网壳结构并确定其准确尺寸，如图3所示。

该结构由3个圆弧面组成，在两侧圆弧直径较小，从而圆弧过渡较“急”，在中心区域过渡较为“缓”，即满足了设备作业空间，又减少了跨距、降低了结构高度。

图2原料大棚与料场模拟示意

图3原料大棚工艺立面

2）网格选型。

网格形式通常有正放四角锥形式、正放斜置四角锥形式、抽空四角锥形式、桁架式及三角锥形式等。

通过对比最终选用正放四角锥体系，该形式具有刚度好、传力路径短且直接、构件规整性好和用钢量低等优点。

3）工程量优化。

通过对网壳几何尺寸、跨度、矢高、网格尺寸、网壳厚度、支承位置、支承类型和节点形式进行参数分析。

通过大量参数分析，找寻网壳结构参数与用钢量之间的关系，当其中一个参数不变，而其他参数改变时，对结构受力、变形和用钢量的影响。

最终优化后用钢量为45kg/m2（投影面积），在国内同类结构中处于较好水平。

表1柱面网壳参数对结构内力、挠度和用钢量的影响

变量内力峰值挠度水平推力用钢量跨向网格尺寸增大减小减小减小增大跨向网格数增大减小减小减小增大落地角增大减小减小增大减小网壳厚度增大减小减小增大增大

4.2设计施工一体化

采用“全过程设计”方法，综合考虑施工环境、施工工艺、质量、安全、进度、成本等因素，全面考虑设计、施工和运营阶段中可能出现的各种荷载工况，采用分步建模法模拟施工中结构受力情况，避免了设计合理而施工安全性不足的情况出现（图4）。

本项目由于是不停产改造工程，为确保生产，通过多方案的BIM技术模拟，最终采用在料场端部搭设高空安装平台，单元拼装，累积滑移，分块整体滑移、落架的方案。

该方案所有安装都在高空平台上进行，无悬空作业，不占用生产用地，与生产无交叉作业，将对生产的影响减少到最小。

图4原料大棚安装方案模拟

根据确定的施工方案，针对每个环节反向进行设计优化。

1）节点、杆件优化。

原设计为螺栓球、焊接球混合节点网壳，螺栓球约55%，焊接球约45%，两种节点交错，给施工带来了难度，经过优化，将原来杂乱的螺栓球、焊接球混合节点，调整为1～4球为螺栓球，1～4球在网壳最下部，角度最大，利用螺栓球定位准确、安装快捷的特性；4球以上为焊接球，便于现场调整，给施工带来了方便，如图5所示。

a—优化前；b—优化后。

图5优化前、后模型对比

同时通过提高杆件材料强度减少杆件及节点截面，减少用钢量；并根据施工工况对部分不满足受力的杆件、节点进行替换，避免二次措施。

2）基础优化。

根据施工方案，利用BIM模型的多专业整合分析，调整了基础结构中地梁、挡墙的位置，综合考虑料场堆载、网壳滑移、落架、结构外形、功能等因素，确定挡墙的设计需求，使地梁、挡墙即作为料场荷载结构，又作为滑移的支撑结构，减少措施费用（图6）。

a—优化前；b—优化后。

图6优化前、后挡墙及滑移轨道对比

3）支座优化。

根据施工方案，针对利于滑移的网壳支座展开技术攻关，最终发明了一种利于网壳滑移施工的支座形式。

该支座形式可确保滑移过程中的支座强度及变形控制，同时降低滑移及落架过程中支座的高度以确保施工安全、经济，并消除因土建预埋件安装精度无法达到钢结构安装精度的问题，提高质量，如图7所示。

a—优化前；b—优化后。

1—橡胶垫或钢垫板；2—预埋钢板；3—网壳腹杆；4—网壳弦杆；5—焊接球；6—支座球；7—侧向支座；8—预埋螺栓；9—加劲板；10—竖向支座；11—预埋钢板锚筋；12—支座螺栓；13—过滤板。

图7优化前、后支座对比

4.3利用BIM技术实现设计施工一体化

利用BIM技术实现数据信息的互通和共享。

解决好各建模软件之间的数据链问题。

通过3D3S、MST等软件进行三维设计，再将三维设计模型导入到施工模型中，可提高施工建模的准确度和效率；同时可直接导出加工深化图、材料表、构件表和三维数控加工数据。

在施工BIM模型中所进行的施工方案设计等信息，亦同样可以反馈到设计BIM模型中，实现施工设计和结构设计的拟合。

1）大跨度网壳滑移、卸载的全过程模拟。

本工程网壳分为3个滑移施工段，每个施工段分为7个滑移单元；每个网壳施工段滑移共需使用10台滑移油缸。

利用大型通用有限元软件ANSYS，编制命令流，基于分布建模法思想，借助“生死”单元法，考虑每步拟拼装结构边界条件不断变化的情况下对结构进行受力分析，即后一步模型是建立在上一步模型变形后基础上，此种建模方法与实际施工过程最为接近，从而可有效模拟实际大跨度网壳结构的施工全过程，见图8。

图8网壳受力分析kN

2）大跨度网壳第一榀网壳安装、落架模拟。

第一榀网壳结构合龙前结构荷载主要由支座及安装平台承担，工况复杂。

利用ANSYS有限元分析软件对第一榀网壳合龙前的安装步骤进行受力分析，得出各种工况下网壳杆件的内力及对支座、平台的反力，有针对性的采取分散、加固、监控措施，确保施工的安全。

3）大跨度网壳安装工艺模拟。

利用BIM技术对网壳的安装进行模拟，得出最有效、便捷、安全的安装方法。

根据三心柱面网壳结构形式的特点：

下部近竖直、肩部弧度变化大、顶部平缓，对网壳的下部、肩部、上部采用不同的安装方法，并按三阶段组织阶梯式施工，在有限的作业平台上错开作业面，形成流水施工作业，使各工序有序进行，质量、安全、进度得到有效保证，见图9。

图9网壳三段施工分段

对三段阶梯式施工过程进行验算分析，验算结果表明，网壳结构的强度和刚度均满足要求，如图10—图11所示。

图10网壳三段阶梯式施工强度验算（应力比）

图11网壳三段阶梯式施工Z向位移验算mm

4）空间三维测量技术与平面测量技术相结合。

空间三维测量技术可对大跨度网壳结构快速、精确的进行定位、测量。

但在安装时大量的杆件、节点拼装都在组装平台上，测量视角受限；且大量的定位工作由安装工人完成，不可能也不允许大量采用全站仪、经纬仪等测量仪器。

最终采用了空间三维测量技术与平面测量技术相结合，并辅以焊接球定位装置的方法，进行网架节点的快速、准确定位。

网壳的定位由球节点控制；节点的定位，由专业测量人员标定的平台上的x、y、z坐标点，施工人员根据标定的坐标点，利用焊接球空间定位装置，进行平面测量后确定。

专业测量人员定期对平台上的坐标点核定和对施工人员的球节点坐标抽查。

5）空间网壳焊接球定位装置。

焊接球网架中的焊接球节点，安装时必须先行对焊接球进行空间定位后才能对杆件进行定位安装，组装完成一个标准单元格。

因此焊接球网架中焊接球的准确定位是网架安装的关键，它影响到网架的安装精度、挠度及节点处的杆件焊接质量，进而影响整个网架结构质量和安全。

为此研发了一种焊接球定位装置。

可实现焊接球节点的快速测量、定位，见图12。

1—φ300焊接球；2—中心定位针；3—焊接球托架；4—可伸缩卡尺；5—螺杆；6—支座；7—调节螺母和手柄；8—支腿；9—调节螺母；10—调节螺杆；11—钢丝绳；12—中心定位线锤；13—支腿底板；14—定位钢套环；15—坐标定位点；16—固定于脚手架平台。

图12空间网壳焊接球定位装置示意

6）施工过程监测。

根据施工荷载的受力分析，将应力比较大和变形较大区域的杆件，确定为重要构件。

利用BIM模型，可以直观地进行施工监测点的布置设计，在监测过程中，当出现数据异常，可以将监测到的应力、位移、振动等参数反馈到对应的建筑信息模型，在三维体系中进行状态分析，便于及时指导加固改进、滑移控制等。

滑移的同步性控制是滑移施工的关键。

滑移时通过传感检测装置来获得液压油缸的行程信息、荷载信息和整个被滑移构件的状态信息，并将这些信息通过现场实时网络传输给主控计算机。

这样主控计算机可以根据当前网络传来的油缸位移信息决定液压油缸的下一步动作，同时，主控计算机也可以根据网络传来的载荷信息和构件姿态信息，通过数据反馈和控制指令传递，可全自动实现同步动作、负载均衡、姿态矫正、应力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能。

4结束语

本工程利用BIM技术将设计、施工进行了有效整合，提出了设计施工一体化的理念。

包括了全过程设计、设计优化、安装、滑移、落架等方面的关键技术，而采用传统施工工艺，很难满足工期、质量、安全和环境的要求。

从设计之初即考虑施工需求，使施工设计一体化，降低了施工难度、节约资源。

同时三段阶梯式施工方法三维空间测量与平面测量技术结合焊接球定位装置、易于滑移的网壳支座等的使用，使大跨度网壳的施工程序化，规范化。

利用BIM技