(上海寶冶集團有限公司工業(yè)工程公司，上海 201900)

引言

在國家大力發(fā)展“中國芯”的背景下，電子芯片行業(yè)發(fā)展迅猛。電子芯片類廠房核心潔凈區(qū)以及無塵室各系統(tǒng)機電管線布置繁多復雜，自動化程度高，空間管理難度大。核心潔凈區(qū)樓板為華夫板，上部為鋼屋架+組合屋面結構,鋼屋架具有跨度大、重量大等特點。傳統(tǒng)鋼桁架屋面主要采用滑移法和吊裝法施工的方法[1]，其中滑移法主要是卸荷難度大、加固措施多，吊裝法安裝吊裝速度慢，汽車吊數(shù)量多，安裝作業(yè)危險性高。本文以上海中芯電子廠房工程屋面鋼桁架施工實例為依托，介紹本公司國內首創(chuàng)新技術。

1 工程概況

1.1 項目簡介

上海中芯項目地處浦東新區(qū)張江高科技園區(qū)，項目主要包括三大單體建筑(SN1、CUB8、PMD8)及配套設施建筑面積約40萬m2； 項目建成后年產160萬片10～28納米芯片，該項目被列為上海市重點工程。

電子廠房MEP機電系統(tǒng)分為四大類別，分別為機械、氣化、水、電力專業(yè)，各個專業(yè)之間又分為多個獨立系統(tǒng)，專業(yè)多、設備多、管線復雜[2]。SN1廠房結構型式為混凝土框架結構+鋼屋架，屋架為H型鋼雙弦鋼桁架結構，鋼結構總量約1.2萬t。屋面鋼桁架最大高度為10.07m，最大單跨42m，單榀桁架最重256.77t。

圖1 中芯國際項目效果圖

圖2 鋼屋架模型圖

1.2 工程特點與難點

(1)本項目四周為交通要道，廠區(qū)各單體建筑間布置緊湊，東側為老廠生產區(qū)，整個施工場地狹小，平面布置難度大[3]。鋼結構安裝方法受限，再結合電子廠房施工工期緊的特點，對施工精細化管控要求高。

(2)廠房內專業(yè)管線多達26個系統(tǒng)，工藝復雜，加上二次配專業(yè)以及后期業(yè)主擴充預留空間； 同時業(yè)主對工藝需要不斷變化，增加了整個空間管理優(yōu)化難度[4]。

(3)SN1生產廠房屋面桁架系統(tǒng)，鋼結構跨度大，構件節(jié)點復雜； 傳統(tǒng)散件安裝方式存在效率低下、危險性高等問題； 吊裝作業(yè)區(qū)場地狹小，空間受限； 工期緊，任務重； 利用BIM技術對鋼結構進行模塊化安裝。

2 BIM組織與應用環(huán)境

2.1 BIM應用目標

通過對電子廠房項目通過BIM模型的建立，在建筑生命周期中做信息化的應用，進行空間管理、管綜優(yōu)化，從而指導施工現(xiàn)場機電安裝。以及電子廠房工程屋面鋼桁架施工基于BIM技術，加上SPMT模塊車運輸優(yōu)勢，研發(fā)出一種基于SPMT模塊車大跨度鋼結構桁架滾裝新技術。

2.2 團隊組織

根據項目特點，組建BIM實施團隊，設有項目總指揮、資源組織協(xié)調BIM設計指導、BIM技術專家、各專業(yè)BIM建模小組及應用實施小組，為項目提供強有力的BIM 技術服務支撐。

2.3 BIM軟硬件環(huán)境

為確保項目的正常實施，公司為BM團隊配備了充足的軟硬件設施，具體軟硬件配置如圖3-4所示。

圖3 本項目軟件配備情況

圖4 本項目硬件配備情況

3 BIM在工程中的應用

3.1 BIM機電深化設計

(1)中芯國際項目屬于上海市重點建設工程，對芯片行業(yè)有著重大建設意義。本項目對質量及整體規(guī)劃布置要求極高。對于本項目SN1生產廠房機電系統(tǒng)安裝涉及專業(yè)面廣泛，包括暖通空調、給排水、裝修、電氣、工藝排氣、工藝管道純水、廢水、大宗氣體、特氣、化學品、GMS以及GDS等多種專業(yè)。從項目前期規(guī)劃到過程的管理，以建筑工程項目的各項相關信息數(shù)據作為基礎[5]，建立起B(yǎng)IM三維模型，泵房精細化建模，管線空間管理、預留洞口、圖紙問題進行管理。如圖5所示為SN1綜合機電模型。

圖5 SN1生產廠房綜合機電模型

(2)通過搭建各專業(yè)的BIM模型，在虛擬的三維環(huán)境下方便地發(fā)現(xiàn)設計中的碰撞沖突，從而大大提高了管線綜合的設計能力和工作效率[6]。這不僅能及時排除項目施工環(huán)節(jié)中可能遇到的碰撞[7]沖突，顯著減少由此產生的變更申請單，更大大提高了施工現(xiàn)場的生產效率，通過BIM模型檢查原有圖紙的問題，進行機電管線綜合管理，對現(xiàn)場機電管線施工進行管理和指導，從而甄選出最優(yōu)的管道路徑和設計方案，在滿足生產工藝需求的同時，外觀美觀，也便于維修。

3.2 BIM模塊化鋼桁架滾裝施工

3.2.1 BIM模塊化

傳統(tǒng)鋼結構散件安裝存在施工速度慢、交叉作業(yè)多、安裝費用高等缺點，為加快施工進度將構件提前進行分塊、分段預組裝，即形成模塊化，加快施工進度，減少高空吊裝作業(yè)。通過BIM軟件對鋼構件進行信息錄入，根據吊車起吊能力，進行自動分段。根據華夫板承載能力確認滾裝模塊單元大小。

3.2.2 BIM鋼結構深化

利用Revit、Tekla等BIM軟件對鋼結構深化設計，主要深化設計內容柱腳、柱對接節(jié)點、梁柱節(jié)點、梁梁節(jié)點、埋件、連接形式、螺栓排布設計及合理的計算，并運用BIM模塊化技術把每個單元構件串聯(lián)起來，組合成每一個鋼結構模塊滾裝單元。

圖6 鋼結構桁架滾裝單元結構示意圖

3.2.3 桁架分段

考慮每個區(qū)域場地空間、起吊能力、滾裝順序、施工效率等因素，確定將每榀桁架分成5個吊裝分段進行起吊。分段點如圖7所示。

圖7 桁架分段示意圖

為保證吊裝穩(wěn)定性及安全性，每段吊裝采用四點吊法進行吊裝。桁架各分段吊耳的設置及吊索的掛設如圖8所示。

圖8 分段吊耳設置

考慮扳起過程側向受力問題，采用結構加固措施，即在吊耳的兩邊對稱加三角形加勁板。吊耳的結構及設置如圖9所示。

圖9 吊耳結構示意圖

3.2.4 重型大截面桁架的整體臥式拼裝

桁架拼裝采用地面臥式拼裝法，選用鋼凳式胎架，結合桁架散件結構形式靈活布置。此種拼裝法施焊方便、組裝速度快、接口精度容易保證，保證焊縫質量。

注：圖中淺色表示桁架、深色圖塊表示組成胎架的各個鋼凳，包括扳起用鋼凳在內。圖10 桁架地面臥拼胎架示意圖

圖11 現(xiàn)場桁架臥式拼裝圖

為了確保組裝過程中桁架的定位精度，需要足夠數(shù)量的鋼凳。根據經驗，暫按照鋼凳沿桁架分段長度方向上的間距控制在8m以內來設置，此時的上下弦桿自重變形遠小于1mm。滿足施工規(guī)范要求。

3.2.5 重型大截面桁架高空組裝

二臺500t履帶吊分別從兩個拼裝場地將臥式拼裝桁架扳起、吊起短駁至廠房南北兩端吊裝位置。由兩端500t履帶將分段吊裝鋼桁架依次吊至華夫板頂臨時塔架及柱頂。

圖12 桁架分段起、脫胎位置及短駁路線示意圖

為便于拼裝，在大跨度中間位置預先搭設兩組臨時支撐胎架。每榀桁架吊裝由西向東逐段推進，首段吊裝到位后，兩端直接坐落于胎架上。后續(xù)分段吊裝到位后，與前段通過卡瑪板及腹板連接螺栓臨時固定。每段桁架就位后拉設纜風繩固定； 每二榀桁架組裝成一個單元。同一單元中的兩榀桁架自西向東逐段交替進行吊裝。

圖13 臨時支撐胎架三維效果圖

圖14 桁架高空吊裝

圖15 桁架高空拼裝及纜風繩固定

3.2.6 高空滾裝施工

桁架組裝焊接完成，檢驗合格后，采用五縱模塊車(SPMT，三主兩從，共44軸)，利用其自身的液壓升降系統(tǒng)，通過臨時支撐托架將滾裝單元頂起并運輸至安裝軸線位置，再利用自身的液壓升降系統(tǒng)將構件降落至安裝位置標高處從而完成桁架單元的安裝。頂升高度控制在250mm，模塊車滾裝速度控制在0.2km/H以內。

屋面桁架系統(tǒng)滾裝施工分兩個作業(yè)區(qū)同步進行，即：自中間軸線30軸線同步地向廠房南、北兩端逐步滾裝推進。每個區(qū)域共有桁架15榀，其中12榀(即6個單元)需要滾裝。

圖16 SPMT模塊車照片

圖17 現(xiàn)場滾裝施工圖

3.2.7 補檔作業(yè)

相鄰2組桁架單元滾裝到位后，采用50t汽車吊和現(xiàn)場塔吊配合完成補檔作業(yè)。

圖18 現(xiàn)場補檔作業(yè)

3.2.8 華夫板保護措施

吊機及模塊車在華夫板上施工容易對華夫板孔洞邊緣造成破損，造成結構破壞。根據施工安全需要對整個華夫板進行針對性保護措施。

(1)汽車吊行走及站位、模塊車行走路線上的保護。沿汽車吊行走、滾裝路線方向上先滿鋪18mm舊模板一層，再覆蓋20mm厚鋼板一層，寬度4m。

(2)構件堆放區(qū)域。需要先滿鋪18mm舊模板一層，再在上部墊150mm厚枕木。

(3)人員行走及工作區(qū)域。需鋪墊18mm舊模板一層。焊接作業(yè)需在焊接底部設置接火盆和防火毯。動火區(qū)域要做好嚴格防火措施。

3.3 BIM施工模擬

3.3.1 CFD氣流組織模擬

本項目為半導體行業(yè)潔凈室，主要潔凈區(qū)域為千級凈化區(qū)域，部分區(qū)域為百級實驗凈化區(qū)域，由于需要通過國家GMP認證，所以對潔凈室內的潔凈度控制要求較高，為保證整個潔凈室的潔凈度效果，我司通過BIM軟件對潔凈室進行全仿真建模，然后采用自己獨立研發(fā)的軟件插件把BIM模型轉換成CFD軟件可以識別使用的模型，然后導入CFD軟件中進行氣流組織模擬，整個模擬過程分為靜態(tài)過程模擬和動態(tài)過程模擬，完整模擬整個潔凈室氣流組織流向及可能存在的干擾因素，并通過模擬對比找出最佳的風口布置方案，優(yōu)化氣流走向，顯著提高潔凈室的潔凈度。

3.3.2 4D施工模擬

項目利用了Fuzor，Naviswork等BIM軟件進行施工模擬，通過對生產廠房SN1和動力站房CUB8建筑結構的施工模擬，對施工進度計劃進行規(guī)劃，使施工工序變得更加優(yōu)化，簡化施工的流程，最大限度節(jié)約工程的成本。

圖19 氣流組織模擬圖

圖20 SN1施工過程模擬

圖21 CUB8施工過程模擬

3.4 安全性驗算

3.4.1 25t汽車吊行走及吊裝驗算

根據吊裝路線，確定吊車活動范圍。吊車再空載跑動屬于在樓板滿跑，因此最不利于荷載布置驗算樓板承載力。

根據主要樓板區(qū)域跨度為4.2×4.8m和9.6m×8.4m。取最不利模型600mm華夫板區(qū)域，最不利跨度9.6m×8.4m跨度， 9.6m為前進方向進行驗算?；炷翉姸鹊燃墳镃35。

圖22 華夫板驗算模型

采用有限元軟件SAP2000 V17進行施工過程分析，吊車在600mm華夫板上行走時，井字梁最大組合的正彎矩為68.94kN*M，負彎矩為56.52kN*M。最大組合的剪力為61.26kN。最大標準組合COMB3彎矩為53.49 KN*M。

吊車在600mm華夫板吊裝時，井字梁最大組合正彎矩為68.42 KN*M，負彎矩為60.65kN*M。最大組合的剪力為83.71kN。最大標準組合COMB3彎矩為52.4 KN*M。

3.4.2 模塊車組滾裝時華夫板承載能力驗算

運輸車由模塊拼裝而成，每個模塊軸重約4.3t，根據施工現(xiàn)場實際分成三組模塊車，根據Tekla模型，對三組模塊車總荷載進行轉換，荷載如表1。

表1 運輸車荷載

圖23 模塊車下方的華夫板計算模型

經計算可得，在基本荷載組合下，模塊車經過華夫板的最大正彎矩為172.84 KN*M，負彎矩為327.36kN*M。最大的剪力為180.36kN。

剛度驗算：模塊車1、2、3經過華夫板的最大位移分別為4.03mm<9600/400=24mm、0.81mm<4800/400=12mm、3.77mm<9600/400=24mm，均滿足規(guī)范要求，驗算合格。

3.4.3 滾裝過程中桁架及臨時托架穩(wěn)定性驗算

(1)桁架自身結構穩(wěn)定性驗算

在模塊車作用節(jié)點處設置Z方向約束，X方向和Y方向設置彈性約束。沿模塊車行駛方向受慣性力。

經計算分析可得，在標準荷載組合作用下，桁架結構的Z向最大變形為7.36mm<46203/400=115.5mm；桁架結構的X向最大變形為4.75mm。經計算分析可得，臨時支撐胎架的最大應力比為0.32經上述分析可得，模塊車滾裝過程中，桁架結構自身的穩(wěn)定性滿足要求。

圖24 桁架的變形圖(Z方向)

圖25 桁架的應力比柱狀圖

(2)模塊車上方臨時支撐托架穩(wěn)定性驗算

采用MIDAS(邁達斯)等軟件對臨時支撐塔架，托架的承載能力驗算。

圖26 鋼構件拼裝吊點受力驗算

圖27 SPMT模塊車受力驗算

圖28 支撐鋼凳受力驗算 圖29 支撐塔架受力驗算

(3)模塊車上方臨時支撐托架穩(wěn)定性驗算

桁架高空對接拼裝完成后，需要在桁架下方軸線C、P、R、AA、AC設置模塊車進行滾運，模塊車位置圖30所示。

圖30 臨時支撐胎架和模塊車的位置

模塊車上方的臨時支撐托架結構分兩種：單縱12軸、8軸模塊車頂部受荷載梁截面分別采用型鋼H635*400*15*20、H435*450*15*20。支撐塔架均采用100噸級標準節(jié)，其平面尺寸為1.5m×1.5m，四個立柱均采用， 2.3*16，底部H型鋼支座截面H500*200*10*16，H型鋼材質均為Q345B，立柱、斜撐等均為Q235B。

經計算分析可得，在標準荷載組合作用下[8]，臨時支撐塔架下方墊梁和上方型鋼的最大變形為-1.538mm-(-2.532)mm=0.994mm<1500/400=3.75； 整個臨時支撐胎架的最大變形為6.66<8100/400=20.25mm。臨時支撐塔架下方墊梁和上方型鋼的最大應力比為0.49； 整個臨時支撐胎架的最大應力比為0.49。

經驗算，滾裝過程中，模塊車上方臨時托架的穩(wěn)定性滿足要求。

4 結語

4.1 創(chuàng)新點

成功借鑒近年來發(fā)展應用的重型運輸施工技術經驗，通過上海中芯電子廠房鋼結構屋面桁架安裝施工，形成一套基于SPMT模塊車的大跨度鋼結構桁架滾裝施工新技術，此施工技術屬國內首創(chuàng)。解決了傳統(tǒng)鋼結構滑移法、吊裝法等諸多施工難題，實現(xiàn)鋼屋架快速安裝，可為后續(xù)類似大跨度鋼桁架屋架安裝提供一定的參考和借鑒。

4.2 經驗教訓

通過本項目電子廠房BIM技術運用，結合項目實際本身[9]，BIM技術在實施過程中，遇到很多實際問題，也是現(xiàn)在BIM技術推廣的現(xiàn)實問題。在許多業(yè)主方沒有明確哪一方主導BIM空間管理，造成BIM套圖很難往前推進。由于電子廠房里面涉及到二次配工藝內容，方案遲遲不能確定，導致一次配專業(yè)系統(tǒng)BIM規(guī)劃完成后，又得重新規(guī)劃管線布局。以及在管線排布中，不僅要考慮到支架安裝的空間，同時也要考慮各個專業(yè)的施工空間。

4.3 應用的實際效果

本項目利用BIM技術，通過碰撞檢查功能、精確定位預留洞、凈高檢查、快速資源計算、可視化交底等功能，幫助項目及時找出各專業(yè)沖突、減少返工、快速協(xié)同施工，以加快工期； 利用BIM技術，及時識別危險源、施工模擬、可視化安全交底等應用，提升項目安全控制能力。運用BIM模塊化鋼結構技術，提高預拼裝合格率、高強螺栓穿孔率精確度和減少措施材料用量的同時，能夠有效地提高鋼結構的安裝效率，減輕勞動強度、節(jié)約施工成本，為鋼結構提供了一個新的方向。