基于BIM技术的装配式混凝土风电塔架深化设计
0 引言
为避免风电机组耦合振动, 同时兼顾材料成本, 超高风电塔架一般采用钢-混组合形式。风电塔架一般地处偏僻, 为适应批量化、短周期的施工需求, 混凝土部分通常采用装配式工艺。根据工艺要求, 混凝土部分被拆分为多个构件, 在构件厂完成预制, 再在现场吊装。目前围绕塔架现场施工模拟的研究比较充分, 但针对构件深化设计鲜有研究。构件深化设计的精细程度决定了工艺成败, 因此非常重要。
1 工程概况
江苏省淮安市某钢-混凝土组合风电塔架工程中, 风电塔架均为2.0MW电励磁风电机组, 轮毂高140m, 由下部高55.6m的混凝土塔筒和上部高84.4m的钢塔筒组合而成。为使混凝土塔筒在正常使用阶段不出现拉应力, 采用40束无粘结预应力钢绞线进行张拉锚固, 上端锚固在钢法兰上, 下端锚固在基础中。上部钢塔筒部分通过法兰盘实现与混凝土塔筒的连接。为便于施工, 下部的混凝土塔筒采用装配式结构, 上部钢塔筒结构与传统形式相同。本文仅研究下部混凝土塔筒设计。该项目所在地抗震设防烈度为7度, 混凝土塔筒抗震等级为二级。
2 装配式塔架设计
2.1 塔架拆分设计
通过结构优化, 混凝土塔筒部分确定为中空圆台柱, 其几何信息如表1所示。
由于该项目地处偏僻, 为保证构件生产、运输及吊装方便, 综合考虑洞门高度、构件吊重和钢模板尺寸模数等限制条件, 将混凝土塔筒部分拆分成4.4m+3.35m+3.55m×13+1.4m=55.3m组合的16个节段 (见图1) 。为减少现场湿作业, 单节段构件不再沿环向进行拆分。按照上述拆分原则, 最大构件重约100t, 位于基础顶面第1块, 其余构件吊重均不超过90t, 满足预制构件吊重限值。
表1 混凝土塔筒几何信息
Table 1 Tower tube geometry information
图1 混凝土塔筒拆分
Fig.1 Concrete tower tube splitting
2.2 塔架连接节点设计
为使各节段混凝土塔筒间传力合理、施工方便, 本项目进行如下节点设计。对钢-混过渡部分, 混凝土塔筒通过上部锚固的钢垫板与钢法兰接触, 借助预应力预压作用实现连接, 如图2所示。混凝土塔筒段间的接缝, 借鉴装配式剪力墙水平缝连接方法, 通过接缝注浆的方式实现连接, 如图3所示。
图2 钢法兰与混凝土构件连接节点
Fig.2 Connection between steel flange and concrete members
3 塔架构件深化设计
本项目混凝土塔筒为三维薄壁曲面构件, 预制构件深化设计重点主要体现为坐标系确定、孔道定位、钢筋和预埋件的布置等方面。由于本项目构件形式较复杂, 因此采用BIM技术对构件进行深化设计。
3.1 构件坐标系确定
由于装配式施工工艺是将整个混凝土结构拆分为多个独立构件进行设计、生产和安装, 为保证后期生产与安装定位准确, 必须在设计阶段对构件在整体结构中的定位关系予以统一和明确。为此, 预制构件坐标系按如下原则确定: (1) 构件下底面圆环中心作为坐标系原点; (2) 构件由上到下水平投影按照极坐标系的方式定位; (3) 从坐标原点出发沿洞门中心线方向为0°方向, 并按照顺时针方向为正向; (4) 坐标原点朝向构件上方作为坐标系z轴。构件坐标系如图4所示。
图3 混凝土塔筒水平缝节点
Fig.3 Connection between tower tube horizontal seam
图4 构件坐标系
Fig.4 Coordinate system of the members
3.2 预应力孔道定位
该项目中混凝土塔筒构件每个截面均有40个预应力孔道, 根据与门洞的位置关系可分为标准孔道和非标准孔道, 如图5所示。
图5 预应力孔道
Fig.5 Prestressed duct
1) 标准孔道分布于距洞门较远的区域, 孔道中心线在水平面投影沿圆弧方向等角度均匀布置, 孔道轴线投影交汇于圆心, 即坐标系原点。
2) 非标准孔道靠近洞门, 属于三维孔道, 存在2个维度的倾角, 孔道轴线投影不通过圆心。
塔筒吊装完成后, 预应力钢束均需从每个孔道自上而下依次穿过。由于孔道数量较多, 容易出现构件节段间孔道偏差, 如图6所示, 孔道净空间被削弱, 穿束失败风险增加;此外非标准孔道由于三维斜率原因, 问题将更为突出。为解决上述问题, 首先在确定孔道内径时考虑生产误差, 预留足够空间, 因此本项目孔道截面与钢束截面面积比为3;其次在绘制构件三维模型时, 采用底图方式对孔道进行定位和绘制, 坐标精度为0.1mm。
图6 构件节段间孔道偏差
Fig.6 Duct deviation
3.3 钢筋布置
混凝土部分塔筒为薄壁圆环形构件, 且半径随高度线性变化, 使环向钢筋布置的基准不断变化, 导致钢筋布置及定位十分繁琐。为此, 综合考虑构件特征, 对钢筋布置方式进行优化。
1) 针对构件内外侧竖向钢筋采用环向阵列的布置方式, 考虑到构件高度不同, 将阵列后的钢筋族设计为参数化驱动的钢筋组, 通过载入方式实现钢筋快速布置 (见图7a) , 与常规Revit单一放置钢筋方式相比效率提升约80%。
图7 钢筋参数化设计
Fig.7 Reinforcement parametric design
2) 对构件环向钢筋采用报告参数的方式解决布置问题。有门洞口避让的环向钢筋, 增加开口宽度参数, 实现多参数驱动, 如图7b所示, 相比常规Revit钢筋放置方式效率提升约60%。
3.4 预埋件布置
由于塔筒节段为三维曲面构件, 给预埋件的定位与布置造成了极大困难。不仅需要考虑定位方式及精度问题, 还要考虑基准面为曲面给埋件设计带来的困难。
脱模及吊装埋件与支撑调标高用埋件一般设置在构件横截面上, 放置方式无特殊要求。注/出浆孔道、防雷埋件及设备连接用牛腿埋件一般设置在塔筒内侧壁上, 由于内侧壁为三维曲面, 采用直角坐标系定位不易表达, 且精度不易控制, 最终采用极坐标方式进行定位。同时由于曲面倾角存在, 为保证埋件外露面处于水平和竖直状态, 在埋件设计过程中要考虑埋件倾角问题。
由于单个构件中预埋件数量较多, 埋件间、埋件与钢筋间交叉情况较为频繁, 因此需要在设计过程中重点关注, 借助Revit软件的三维显示功能进行核查和调整, 取得了良好的效果。
4 结语
1) 对风电塔架及类似结构三维曲面构件深化设计, 利用BIM三维建模出图可有效解决碰撞问题, 同时借助参数化驱动方式可对钢筋进行快速布置。
2) 由于风电塔架外形如圆环构件, 考虑到几何外形设计和埋件定位问题, 采用极坐标较直角坐标系简便且易于表达。
3) 在塔筒构件深化设计阶段, 应综合考虑生产、运输与吊装环节问题, 保证设计方案对后续环节具有实际指导意义。深化设计阶段重点关注问题为孔道精确布置、埋件准确定位及与钢筋间碰撞检查等。
[2]刘占省. BIM技术在风电塔架设计施工过程中的应用[C]//第十七届全国现代结构工程学术研讨会论文集, 2017.
[3]张禹.基于BIM的预制装配式风电塔架可靠性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2017.
[4]许斌, 李泽宇, 陈洪兵.预应力混凝土-钢组合风电塔架塔段优化研究[J].湖南大学学报 (自然科学版) , 2016, 43 (7) :25-31.
[5]刘延翔.钢-混凝土组合结构风电塔架设计关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2016.
[6]唐维, 丁浩, 陈贤国.基于Revit软件建模的BIM技术研究[J].公路交通科技 (应用技术版) , 2017, 13 (3) :207-209.
[7]马新伟, 李承霖, 郭院成, 等.自密实混凝土-钢管组合结构风电塔架模型静力试验[J].沈阳建筑大学学报 (自然科学版) , 2018, 34 (6) :1054-1060.
[8]张亮, 于晓明, 陈渊鸿.基于轻量化桌面云技术的BIM系统研究与应用[J].施工技术, 2018, 47 (21) :118-122, 148.
[9]黄国忠, 伍伟军, 钟钙冰, 等.BIM技术在预制装配式检查井施工中的应用[J].施工技术, 2018, 47 (19) :57-60, 65.