張亮 喬堃

(1.上海寶冶集團有限公司BIM中心，上海 200941;2.上海浦東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 201204)

0 引言

上海某國際主題樂園室外天幕區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)和建筑構(gòu)造尤為復(fù)雜，天幕ETFE膜呈空間曲面造型，外露鋼結(jié)構(gòu)油漆噴涂工序復(fù)雜，外觀質(zhì)量要求高，成品保護難度大。游藝軌道和設(shè)備安裝調(diào)試的施工安全空間要求嚴格，約束條件多。同時，為保證緊迫工期，要求與天橋同步穿插施工。經(jīng)過對常用的腳手架承載力、安全性、經(jīng)濟性、適用性等的比選，擬采用承插型盤扣式腳手架進行操作平臺施工，應(yīng)用三維可視化技術(shù)對腳手架方案進行三維承載力、變形性能設(shè)計、分析，優(yōu)化架體空間布局，基于綜合協(xié)調(diào)模型進行碰撞分析以避免各類構(gòu)件碰撞，確保了各分項工程的順利實施。

1 盤扣式支架

承插型盤扣式鋼管支架是一種大間距、高強、質(zhì)輕、標準化、裝配化、多功能、易搭拆、安全可靠的新型架體，是繼普通鋼管扣件式腳手架、門式腳手架、碗扣式鋼管腳手架之后的升級換代產(chǎn)品［1，2］。盤扣式支架體系的主要構(gòu)件為可調(diào)底座、基礎(chǔ)立桿、立桿、水平桿、斜拉桿、可調(diào)托撐及工字鋁梁、掛鉤踏板。立桿采用套管承插連接，水平、斜拉桿和立桿采用桿端扣接頭卡入連接盤，并用楔形插銷連接，形成幾何不變體系的鋼管支架。立桿長度有1.0 m，1.5 m，2.0 m，3.0 m四種規(guī)格，圓盤間距0.5 m，立桿直徑60.2 mm，管壁厚(3.1±0.15)mm。立桿、水平桿使用Q345B低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，單桿極限承載力可達200 kN。圓盤插座直徑為135 mm，厚10 mm，開設(shè)8個孔，設(shè)有水平桿與斜桿連接孔。

2 三維可視化設(shè)計

三維可視化設(shè)計的主要技術(shù)路線為:首先依據(jù)腳手架空間協(xié)調(diào)(如與游藝軌道和設(shè)備、演出布景鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架膜結(jié)構(gòu)等碰撞協(xié)調(diào))、操作平臺和通道設(shè)置、安全空間要求等應(yīng)用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas Gen建立腳手架三維幾何模型，然后將其導(dǎo)出DWG格式并導(dǎo)入三維模型瀏覽和碰撞檢查軟件Naviswork，進行腳手架方案三維可視化瀏覽、審核，在滿足方案各項要求的情況下，優(yōu)化腳手架空間布置和碰撞協(xié)調(diào)。依據(jù)軟件自動生成的碰撞報告反復(fù)調(diào)整模型直至腳手架幾何模型與空間實體充分協(xié)調(diào)，最后，依據(jù)已協(xié)調(diào)完成的幾何模型，在Midas Gen中賦予桿件截面屬性，荷載分布，結(jié)構(gòu)計算假定等參數(shù)，對腳手架方案的承載力、穩(wěn)定性、變形進行校核。

在進行結(jié)構(gòu)建模時，由于立桿和立桿之間用套筒連接，控制搭設(shè)垂直度不大于L/500且小于±50 mm，所以將立桿和立桿之間的連接簡化為固接。盤扣鋼管支架與立桿連接節(jié)點具有一定的抗扭轉(zhuǎn)能力，其抗扭轉(zhuǎn)剛度可取8.6×107N·mm/rad。斜桿和立桿之間的連接形式為鉸接［3］。

3 工程概況

天幕采用空間曲面雙層鋼網(wǎng)架加ETFE膜結(jié)構(gòu)體系，主要結(jié)構(gòu)由圓管支撐斜柱、雙層網(wǎng)殼屋面、網(wǎng)殼邊緣構(gòu)件(鋁板包邊)以及端部圓鋼管桁架組成，支撐斜柱長6 m～12 m，網(wǎng)殼最高處31.6 m，高區(qū)端部寬度約46 m。天幕鋼結(jié)構(gòu)形式見圖1。天幕主體鋼結(jié)構(gòu)，游藝軌道和斜柱以及人行天橋結(jié)構(gòu)柱已施工完畢，腳手架方案設(shè)計時需進行避讓，同時，確保游藝車測試安全距離。腳手架的主要功能是為鋼結(jié)構(gòu)打磨和油漆噴涂，屋頂機電管線和設(shè)備安裝以及噴涂，膜結(jié)構(gòu)，游藝設(shè)備調(diào)試等施工提供操作平臺。擬采用承插型盤扣式鋼管支架搭設(shè)標高隨天幕結(jié)構(gòu)變化的操作平臺(最高28 m)以及上人馬道、樓梯和物流通道，按照平面分四個區(qū)域順時針進行施工。

4 方案設(shè)計及應(yīng)用

為滿足緊迫工期要求，天幕網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)的打磨、油漆噴涂需與天橋同步穿插施工，方案設(shè)計時需考慮標高約5.5 m天橋的施工影響，鋼筋混凝土平臺已經(jīng)施工完成，腳手架可以直接在板上搭設(shè)，需要預(yù)留天橋的施工操作空間，避免各工序相互干擾。

圖1 天幕鋼結(jié)構(gòu)形式

施工操作平臺的設(shè)計荷載按照1.5 kN/m2的施工活荷載設(shè)計，不作堆載貨物用，大件材料采取即吊即用的原則。根據(jù)計算單支立桿承受最大軸向壓力為27 kN，天幕區(qū)域的地基極限承載力須達到73 kPa，部分非混凝土基礎(chǔ)區(qū)域需作墊層加強處理。

施工操作平臺應(yīng)盡可能貼合網(wǎng)架曲面，距離鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架下層面約0.6 m～1.2 m，架體以2 m×2 m和2 m×1.2 m的平面單元為主，每個單元滿鋪鋼制踏板，相鄰單元鋼制踏板工作面高度的變化以50 cm為單位，通過立桿上每隔50 cm的八角盤控制高度。當網(wǎng)架曲面坡度變化較大時，可沿著一邊搭設(shè)階梯型單元，一側(cè)用半扣短立桿扣在2 m加強橫桿上，半扣套筒上接立桿，并再扣上橫桿，放置2 m×0.26 m寬的踏板，局部不規(guī)整區(qū)域采用鋼管作加強橫桿，上鋪木板(見圖2)。

圖2 腳手架設(shè)計方案

方案考慮在四個施工區(qū)域分別設(shè)置一組人員上下通道，樓梯的高度為1.5 m、長度為2 m、寬度為0.6 m;對于相鄰工作面高差大于50 cm時應(yīng)設(shè)置樓梯，在上層工作面臨邊設(shè)置防護欄，在下層工作面臨邊設(shè)置間隔50 cm的防護欄和踢腳板;1 m高差的樓梯可用半扣短立桿搭設(shè)踏步，高差為1.5 m的可以直接采用成品鋼制樓梯，高差大于2 m的應(yīng)從其他高差小的相鄰工作面通過。

天幕腳手架工程與天橋同步穿插施工，腳手架方案須保證天橋的施工空間，兩者平面最小距離應(yīng)大于30 cm，立面方向距離天橋頂面應(yīng)大于2 m。擬在標高約7.5 m處設(shè)置6 m的桁架片跨過天橋，部分天橋平面交匯區(qū)域跨度較大(超過10 m)，普通桁架片難以解決懸空問題，采用結(jié)構(gòu)加強的方法將導(dǎo)致成本增加和工期損失。故而根據(jù)現(xiàn)場條件采用改變施工工序的方法，在跨度大于6 m的區(qū)域先搭設(shè)天橋模板支撐，腳手架直接搭設(shè)在模板上，局部區(qū)域鋼筋綁扎以及混凝土澆筑時間適當調(diào)整。天幕區(qū)域游藝軌道和調(diào)試空間避讓采用調(diào)整橫桿或采用桁架片將碰撞區(qū)域架空的方式解決，應(yīng)力分析結(jié)果表明，最大拉、壓應(yīng)力分別為152.5 MPa，-168.4 MPa，小于承載力設(shè)計值205 MPa，因此承載力滿足要求(見圖3)。

圖3 桁架片應(yīng)力云圖

根據(jù)圖4所示，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，腳手架模型方案實用可靠，有效地解決了天橋同步穿插施工影響，游藝軌道調(diào)試空間要求，鋼結(jié)構(gòu)避讓和成品保護等問題，確保各項施工工序高效推進，在趕進度、保節(jié)點的背景下，腳手架工程工期比原計劃縮短15%左右，取得了良好的經(jīng)濟技術(shù)成果。

圖4 天幕區(qū)域腳手架工程現(xiàn)場圖

5 結(jié)語

針對復(fù)雜游藝項目的滿堂架工程，應(yīng)用三維可視化設(shè)計技術(shù)對承插型盤扣式支架方案進行設(shè)計、分析，確保方案最優(yōu)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，承插型盤扣式腳手架作為新興的支架體系，具有技術(shù)先進、安全可靠、工效顯著、節(jié)約成本等眾多優(yōu)勢，應(yīng)用越發(fā)廣泛。通過對新技術(shù)、新材料在復(fù)雜項目的設(shè)計、施工過程中的應(yīng)用進行總結(jié)，對以后類似工程的推廣應(yīng)用提供參考。

［1］ 楊清龍.當前國內(nèi)新型腳手架發(fā)展概況［J］.福建建筑，2010 (3):66-67.

［2］ 趙錫月.幾種主要腳手架的應(yīng)用［J］.中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2009(8):47-50.

［3］ JGJ 231—2010，建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］ JGJ 162—2008，建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范［S］.