传统螺栓球网架^[1]液压提升施工时, 由于各液压提升设备性能不一、平面布置不均匀, 导致局部提升高度不一致现象。这种异步提升现象常发生在网架面积较大、液压提升设备数量较多时, 需通过人工复核, 造成施工时间成倍增加, 同时影响对隐患区域监测。

以珠海航展中心主展馆项目为载体, 采用BIM施工管理平台对网架提升过程中的变形特征进行模拟分析, 提前发现影响结构安全的不利因素, 实施预警, 确保安全施工。

珠海航展中心新建主展馆工程总建筑面积75 249.47 m², 地上1层 (74 295.15m²) , 局部夹层, 局部地下1层 (954.32 m²) , 主要为设备用房。平面尺寸为550m×120m的主展厅屋盖为螺栓球钢网架结构 (见图1) 。

根据结构伸缩缝位置将网架分成左、中、右3个施工区域单独提升 (见图2) , 左区域面积为185m×120m, 中间区域面积为180m×120m, 右区域面积为185m×120m。采用液压整体提升技术, 提升范围包括除与支座相连的杆件外的全部钢网架结构 (包括檩条、马道、天窗结构等) 。

网架提升施工流程为:网架预制材料准备→网架地面拼装→拟定初步提升方案→网架提升有限元模拟→确定提升方案→BIM施工管理平台建立→施工人员交底培训→网架整体提升→检查网架提升情况→验收交付。

屋盖网架在地面整体拼装, 在混凝土柱顶设置提升支架并安装液压提升器 (见图3) , 在网架结构提升单元与上吊点对应位置处安装提升临时球 (下吊点) 及临时杆件, 上、下吊点间通过专用底锚和专用钢绞线连接。

利用现代测绘技术辅助液压同步提升系统对提升精度进行监测, 将数据无线传输至BIM施工管理平台, 通过平台内部数据间的传递, 对提升过程中网架时变力学特征进行数值模拟。提升至设计安装位置后安装后装杆件, 部分与柱顶提升支架相碰的下弦杆待提升设备拆卸后再进行安装, 并设专职人员观测及做好记录, 包括网架提升进度、平衡情况和施工人员操作情况, 最后验收交付。

根据设计图、施工图提出整体提升初步方案, 建立有限元模型进行数值分析^[2], 确定整体提升过程中网架节点最大位移、钢结构杆件最大应力比, 对初步方案进行优化, 如根据吊点反力确定液压提升设备性能、平面布置, 根据节点最大竖向位移制定节点提升精度监测方案, 根据提升措施和结构受力特征确定应力监测位置等。

根据数值模拟结果, 最终确定提升方案及相应提升设备, 并选用结构分析软件SAP2000对提升设备支架进行受力计算;节点采用Solidworks建模, 采用Workbench进行分析。

以左区为例, 根据模拟结果, 确定需提升支架共12只, 提升吊点14个 (见图4) , 分别选用TJJ-2000型 (DA2～DA9) 和TJJ-3500型 (DA11～DA13) 2种液压提升器, 其中DA11-1, DA11-2及DA12-1, DA12-2分别合用1个提升支架。各区提升设备布置如表1所示。

建立钢结构屋盖网架整体液压提升数值模型, 计算各液压提升器所受吊点反力, 结果如表2所示。

由模拟分析网架各节点竖向位移结果可知, 网架节点最大竖向上挠位移为6.5mm, 最大竖向下挠位移约78mm, 节点位移在杆件弹性变形范围内, 在提升到位后采取有效措施将相应位置调整至设计标高, 以保证安装精度。

采用自动全站仪和光电测距仪建立组合自动监测系统对钢结构网架液压提升过程进行实时监测, 监测数据利用无线传输汇总至BIM管理平台, 并存储于结构动态空间数据库。根据数据库采用BIM技术对施工过程进行动态三维建模, 并与相应阶段的设计模型对比, 进而控制施工精度。自动监测系统包括位于提升区域外的自动全站仪和多个固定布设的光电测距仪。

钢结构网架提升前, 在场地上布设工字钢胎架进行支撑, 将光电测距仪 (毫米级) 安装于关键节点下方的工字钢下翼缘上, 用自动卡座固定。在自动测距仪上方, 将工字钢翼缘开口, 直径为5cm, 使激光无障碍监测上方网架节点提升。光电测距仪安装如图5所示。

屋盖网架在地面拼装时, 通过工字钢将荷载传递至地面, 在网架离开地面后, 地面荷载释放、略微抬高。尽管这一过程肉眼无法观测到, 但对于精度要求到毫米级的网架提升检测设备, 精确捕捉这些细微数据显得尤为重要。

因此, 在实际提升过程中^[3], 自动全站仪复核各光电测距仪绝对标高, 通过记录网架节点与光电测距仪间距离变化, 可以测算出被监测网架节点的绝对标高。

光电测距仪和自动全站仪收集到的数据无线传输至现场计算机, 根据各仪器无线传输频段差异可将光电测距仪水平坐标与相应频段对应, 监测节点的三维数据实现实时传输, 即可建立空间三维数据库。

通过BIM二次开发, 建立BIM管理平台^[4]。该BIM管理平台为图形界面系统, 分为数据加载操作区、数据区和对比分析区3个部分, 可实时读取相应阶段网架空间三维动态数据, 在BIM可视化界面上模拟网架整体提升过程, 便于通过局域网直接调阅相关过程信息。

通过BIM管理平台将实时三维动态模型与预案模拟进行对比, 可直观发现实际提升过程中异步提升较为明显的区域;实时对网架空间监测数据进行分析^[5], 规避异步提升现象出现。

由于网架节点较多, 实际施工中在网架下弦选取23个跟踪节点, 其中14个节点为临时提升杆焊接球节点, 9个为钢结构网架结构螺栓球节点 (非提升节点) 。为避免光电测距仪在提升过程出现不必要的机械故障, 派2名测绘人员进行抽查复核。当所有节点间的最大标高差>10cm时, 液压设备暂停, 进行微调。吊装过程中总计暂停8次, BIM实时建模进行了8次。

建立BIM-FEM模型, 实时导入钢结构屋盖网架提升过程的空间数据, 采用有限元数值模拟结合现场应力监测的方式, 对提升过程中的结构时变力学特征进行分析, 并进行安全预警。

利用BIM管理平台, 将网架实时空间数据转化成满足有限元模型使用的空间数据。选取SAP2000作为时变有限元模拟软件, FEM参数设置和时变属性与BIM模型一致, 除14个提升吊点和9个非提升节点的节点空间坐标随实测数据变化外, 其他下弦节点的标高与该阶段校正微调后的提升吊点标高一致, 非下弦节点的标高按设计要求与下弦节点的标高差进行换算。

时变有限元安全预警系统技术路线如图6所示。

液压设备自动提升以25cm为1个提升流程。在实际提升中, 设备性能差异或外部因素导致连续多个提升流程结束后, 各节点实际标高差接近或超过模型预估限值, 此时暂停提升。在提升前应确定异步提升的阈值, 以便对提升过程及时控制。

对于非提升节点, 受钢结构自重影响, 相邻杆件将出现下挠。根据模型预测结果, 在出现较大幅度下挠的区域, 选择2个节点, 使其实际标高分别降低10, 20cm, 模拟相应提升过程中网架受力状态, 计算节点相邻杆件轴向拉力变化幅度。由计算结果可知, 若某一节点比其他节点低20cm时, 最大轴向拉力变化≤5%, 绝大多数保持在1%左右。为确保整体提升安全, 在实际提升时将非吊点节点标高变化最大阈值确定为10cm。

1) 在施工作业前进行交底培训, 使技术工人熟练掌握操作要领, 通信设备保持畅通, 专职安全员现场全过程监督管理。

2) 建立健全质量管理机制, 制定完善的质量管理规章及奖惩制度, 并加强对技术人员的培训;实行自检、互检、专检制度, 对整个施工工序的技术质量要点的关键问题向施工作业人员进行全面技术交底;对关键工序、关键部位要现场确定核实, 对各关键环节和重要工序要进行复核、监督, 发现问题及时解决。

3) 钢绞线在网架全部安装完成前是主要的承重结构, 由于气割和电焊作业区域靠近钢绞线, 为防止钢绞线过热和被电焊打伤, 应在作业前将焊接作业附近区域钢绞线用石棉布通长包裹;为防止钢绞线过电, 应将对接结构良好接地, 确保电流通过接地装置引至永久基础。

4) 钢绞线在高空安装时应铺设安装、操作临时平台, 地面划定安全区, 避免重物坠落造成人员伤亡。

5) 在网架结构整体液压同步提升过程中注意观测液压提升器、液压泵源系统、计算机同步控制系统、传感检测系统等工作状态, 并认真做好记录。

针对航展中心新建主展馆工程, 因螺栓球网架在施工过程中精度控制要求高, 采用BIM技术与现场施工管理相结合, 将实时精度监测、施工管理平台和施工过程时变有限元模拟进行了整合, 缩短了钢结构施工工期, 保证工程质量, 安全性高。