劉 帥，趙云鵬，袁 淵，黃 凱，王 濤，苗 苗，任運豪

(中建三局集團(tuán)有限公司成都分公司，四川 成都 610041)

1 工程概況

重慶約克北郡商業(yè)項目位于重慶市兩江新區(qū)金州大道北側(cè)，是集高端寫字樓、國際輕奢、親子家庭、環(huán)球佳肴、室內(nèi)瀑布及大型植物園于一體的超大型城市綜合體項目，項目建設(shè)用地面積為6萬m2，總建筑面積約45萬m2。本工程由4層地下車庫、6層商業(yè)裙樓和2棟31層5A甲級寫字樓(T2，T3塔樓)組成，地上結(jié)構(gòu)31層，總建筑高145m。

室內(nèi)植物園為鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最高點標(biāo)高為42.170m，建筑投影面積為2 124m2，最大跨度為38m，最大桿件質(zhì)量約4t。

植物園鋼結(jié)構(gòu)主要分為穹頂鋼結(jié)構(gòu)和連橋。連橋為雙層樹形支撐空間管桁架結(jié)構(gòu)，穹頂鋼結(jié)構(gòu)為多排箱形截面鋼龍骨形成的空間雙曲殼式結(jié)構(gòu)。主龍骨共26根，由箱形截面的水平次龍骨連接，其中16根支承于地下1層-6.000m標(biāo)高的中間層樓面梁，10根支承于0～30.000m標(biāo)高的中間層樓面梁。

植物園穹頂鋼結(jié)構(gòu)采用整體提升+高空散拼的施工工藝。首先拼裝整體提升部分，同時安裝邊緣鋼結(jié)構(gòu)豎向立柱，然后進(jìn)行整體提升，提升完成后進(jìn)行高空拼接，最終形成植物園穹頂鋼結(jié)構(gòu)。

2 仿真模擬技術(shù)應(yīng)用

2.1 仿真模擬技術(shù)應(yīng)用流程(見圖1)

圖1 仿真模擬技術(shù)應(yīng)用流程

2.2 深化設(shè)計仿真模擬技術(shù)

2.2.1穹頂鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計

依據(jù)設(shè)計圖紙，利用Tekla Structures軟件進(jìn)行三維建模。建立模型時需仔細(xì)研究設(shè)計圖紙，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建立樣板文件，確保各專業(yè)模型的坐標(biāo)、軸網(wǎng)、標(biāo)高等準(zhǔn)確無誤。異形曲面結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，是模型創(chuàng)建的難點，可采用曲面幕墻建模的編程程序進(jìn)行輔助建模。建立穹頂鋼結(jié)構(gòu)模型的同時建立主體結(jié)構(gòu)、機(jī)電管線、給排水管線、景觀等其他專業(yè)模型，將各專業(yè)模型整合形成最終模型，如圖2所示。

圖2 穹頂鋼結(jié)構(gòu)BIM模型

通過三維模型深化，利用BIM技術(shù)可視化特點，對各專業(yè)模型進(jìn)行碰撞檢查，優(yōu)化專業(yè)間連接。尤其是對于復(fù)雜的型鋼混凝土節(jié)點，可形象展示復(fù)雜節(jié)點，直觀判斷深化設(shè)計是否合理。可減少后期因設(shè)計問題而導(dǎo)致的返工，提高工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全可靠性。

2.2.2支撐胎架與提升架設(shè)計

1)支撐胎架設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)穹頂提升單元采用投影原位拼裝，在設(shè)計固定點位布置支撐胎架，支撐胎架由H型鋼及圓管拼裝而成。本工程中間部位支撐胎架采用φ326×6圓管，兩邊采用φ219×6圓管，設(shè)置φ140×4作為橫桿和斜撐，底部采用H400×200×8×13作為底梁，支撐胎架如圖3所示，平面布置如圖4所示。

圖3 支撐胎架

圖4 支撐胎架模型布置

2)提升架設(shè)計

室內(nèi)植物園鋼結(jié)構(gòu)豎向空間大，提升架采用成品格構(gòu)式門形支架，如圖5所示?，F(xiàn)場布置6組提升架(見圖6)，結(jié)構(gòu)形式相同但胎架高度不同，T1，T2，T3提升架高度分別為48，45，45m，T4，T5，T6提升架高度為51m。吊裝連橋時，布置4組提升架，T1，T2提升架高度為24m，T3，T4提升架高度為27m。提升架采用1.7m×1.7m×3.0m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)形式，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)豎桿為φ140×4，斜撐和直撐均為∟50×5，材質(zhì)為Q235B。

圖5 提升架結(jié)構(gòu)示意

圖6 提升架布置

2.3 加工制作仿真模擬技術(shù)

2.3.1BIM模型加工制作

利用BIM模型導(dǎo)出桿件定位和材料加工圖，在工廠預(yù)制加工穹頂鋼結(jié)構(gòu)桿件。構(gòu)件加工完成后，按構(gòu)件生成二維碼并對其進(jìn)行標(biāo)識，利用BIM云平臺實時跟蹤構(gòu)件的生產(chǎn)、運輸、安裝情況，實現(xiàn)生產(chǎn)、加工過程可視化。

采用PIPE2002相貫線編程軟件對三維線模型進(jìn)行編程，生成相貫口的切割數(shù)據(jù)，并將其輸入數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行管件切割。圓管加工制作須進(jìn)行鋼管的相貫線切割，采用圓管數(shù)控相貫線切割機(jī)，其切割質(zhì)量直接影響工程桁架制作質(zhì)量。

2.3.23D打印加工制作

將穹頂鋼結(jié)構(gòu)BIM模型轉(zhuǎn)化為3D打印文件格式，對3D模型進(jìn)行切片處理，設(shè)計好打印路徑(填充密度、角度、外殼等)，將切片后的文件儲存為.gcode格式，發(fā)送.gcode文件至打印機(jī)并控制3D打印機(jī)參數(shù)，裝入3D打印材料，調(diào)試打印平臺，設(shè)定打印參數(shù)，最終經(jīng)分層打印、層層黏合、逐層堆砌，形成完整的實體模型，如圖7所示。

圖7 穹頂鋼結(jié)構(gòu)3D打印模型

2.4 安裝仿真模擬技術(shù)

2.4.1支撐胎架與提升架安裝

2.4.1.1模型建立

運用有限元分析軟件MIDAS Gen對穹頂鋼結(jié)構(gòu)拼裝支撐胎架進(jìn)行受力分析，所有桿件采用梁單元模擬。拼裝胎架底端設(shè)置鉸支座，拼裝胎架鋼柱與穹頂鋼結(jié)構(gòu)連接端釋放梁端彎矩。整個支架體系共計1 399個單元、717個結(jié)點，如圖8所示。

圖8 支撐胎架模型

運用有限元分析軟件SAP2000對提升胎架進(jìn)行受力分析，胎架柱腳與工字鋼底座的連接可視為三向固定鉸支座，胎架立柱、連系桁架水平桿在其連接方向上均連續(xù)，水平弦桿、腹桿與主桿件為鉸接連接。

2.4.1.2計算與分析

1)支撐胎架模型計算與分析

恒荷載考慮胎架節(jié)點自重，結(jié)構(gòu)自重取1.2倍放大系數(shù)，由軟件自動加載。風(fēng)荷載取10年一遇基本風(fēng)壓0.25kN/m2，地面粗糙度按B類考慮，由軟件自動計算風(fēng)荷載，并以梁單元風(fēng)壓施加到結(jié)構(gòu)上。

在標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下，拼裝胎架最大水平位移出現(xiàn)在鋼柱頂端，為3.766mm，小于2L1/400=12.3mm(L1為拼裝胎架鋼柱頂端自由段長度，為2 460mm)， 符合GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》結(jié)構(gòu)設(shè)計要求；在基本荷載組合下，拼裝胎架中最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在立柱上，為75.0MPa，小于205MPa，符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

驗算拼裝支撐胎架構(gòu)件穩(wěn)定性，最大組合驗算比為0.348<1，滿足規(guī)范要求。

2)提升架模型計算與分析

恒荷載為結(jié)構(gòu)自重，鋼材容重按78.5kN/m3，由程序自動計算。可變荷載為風(fēng)荷載，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算。

豎向荷載(自重)的荷載分項系數(shù)取1.2或1.4，風(fēng)荷載的分項系數(shù)取1.4。應(yīng)力計算時考慮如下荷載組合：①1.2倍恒荷載+1.4倍x向風(fēng)荷載；②1.2倍恒荷載+1.4倍y向風(fēng)荷載；③1.2倍恒荷載+1.4×0.7倍x向風(fēng)荷載+1.4×0.7倍y向風(fēng)荷載；④1.4倍恒荷載+1.4×0.6倍x向風(fēng)荷載；⑤1.4倍恒荷載+1.4×0.6倍y向風(fēng)荷載。

計算變形時，不考慮分項系數(shù)，荷載組合按1.0倍恒荷載。

計算可得，穹頂鋼結(jié)構(gòu)提升架最大應(yīng)力比為0.83，最大豎向位移為10mm，10/L2=1/420

2.4.1.3仿真模擬安裝

以視頻動畫形式對支撐胎架與提升架安裝全過程進(jìn)行仿真模擬(見圖9)，從動畫中可隨時了解施工進(jìn)度及施工工序持續(xù)時間，將細(xì)節(jié)與整體相結(jié)合，可解決施工階段閱讀不詳盡、施工作業(yè)工序不清晰、施工交底效率低等問題。

圖9 支撐胎架與提升架安裝施工動畫

2.4.2穹頂鋼結(jié)構(gòu)安裝

1)模型建立

為提高穹頂鋼結(jié)構(gòu)整體性，加裝4根鋼托梁，并在每根主龍骨與托梁投影交點處正上方加鋼短柱，與鋼托梁豎直相接，計算模型如圖10所示。

圖10 計算模型

2)計算與分析

通過有限元軟件計算結(jié)果可得，最大吊點反力發(fā)生在T2吊裝點，最大應(yīng)力比為0.83<0.90，滿足規(guī)范要求。

作用在結(jié)構(gòu)上的荷載即為自重，模擬結(jié)構(gòu)的第1，2，3階失穩(wěn)，得到結(jié)構(gòu)的臨界荷載安全系數(shù)最小值為38>1，滿足規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)要求，結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，本工程鋼結(jié)構(gòu)撓度控制在L/200以內(nèi)(L為跨度，當(dāng)為懸挑結(jié)構(gòu)時，L取2倍)。由以上分析可知，穹頂鋼結(jié)構(gòu)整個結(jié)構(gòu)最大豎向位移為-55mm，55/L3=1/424<1/200(L3為穹頂結(jié)構(gòu)整體提升部分的跨度，為23 320mm)；其中托梁最大豎向位移為-50mm，50/L4=1/419<1/200(L4為托梁跨度，為20 950mm)。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.83，位移和應(yīng)力值均滿足規(guī)范要求。

3)仿真模擬安裝

穹頂鋼結(jié)構(gòu)安裝包括核心區(qū)拼裝、整體提升和高空散拼3個階段，運用施工動畫仿真模擬穹頂鋼結(jié)構(gòu)安裝全過程，模擬各階段工序和工況，可從動畫中全方位了解穹頂鋼結(jié)構(gòu)安裝各施工階段的效果。

3 結(jié)語

采用仿真模擬技術(shù)優(yōu)化設(shè)計方案，在重慶約克北郡三期項目應(yīng)用效果良好，可解決專業(yè)間的沖突問題，減少返工。建立模型計算分析并驗證施工方案的可行性，可保障施工安全性，提高施工質(zhì)量。

近年來，仿真模擬技術(shù)在施工領(lǐng)域運用越來越廣泛，尤其是在施工難度較大、施工工序較多的工程中。仿真模擬技術(shù)通過三維模型、有限元軟件、3D打印、施工動畫等技術(shù)措施，利用計算機(jī)分析施工方案的合理性和安全性，從而優(yōu)化施工方案。仿真模擬施工技術(shù)將施工過程可視化，在經(jīng)濟(jì)安全的前提下，可避免施工中的不利因素影響，保證施工質(zhì)量，為工程創(chuàng)造效益。