基于 BIM的大跨度空间管析架施工技术研究

薛瑞凯 徐岗 袁果 高德鑫 余苗

【摘要】成都天府国际机场国航基地工程（生产辅助设施一期）项目包括办公楼、公寓楼、多功能活动中心及食堂，其中活动中心由大跨度管析架组成，通过 Revit2018软件创建主体结构模型，Tekla软件创建管析架模型，融合多专业模型，强化应用，导入整体模型进行施工方案过程模拟，深入研究"地面拼装、整体吊装、空中对接"的施工方案，科学论证施工部署的可行性，解决了高空吊装安全问题。

【关键词】 BIM建模; Tekla; Fuzor;4D模拟;无人机监控

【中图分类号】 TU758.15           【文献标志码】 A

1工程概况

成都天府国际机场国航基地项工程（生产辅助设施一期）项目活动中心屋盖主要由八福倒三角形管析架及周边 H 型钢梁组成，管析架上弦杆小299×14 mm、下弦杆小299×14 mm、腹杆小159×6 mm，管析架呈弧形分布，每福析架梁两端用销轴固定在钢筋混凝土柱头较座上，柱顶标高+6.021 m、+5.787 m、+5.773 m、+7.281 m、+8.262 m、+8.753 m呈两侧对称分布，最外侧两根柱顶为 H型钢梁。管析架最大跨度45 m，高宽约2.5 m，梁顶最大顶标高+10.189 m，基础顶标高-5.75 m，故梁顶最大净空约15.939 m。食堂南侧与食堂底板、顶板相连，施工场地较为宽广，但管析架跨度大、重量大，故施工较为困难。

管析架安装方式，采取"地面拼装、整体吊装、空中对接"的原则，地面拼装可以同时多福析架同时拼装作业，节省时间，提升效率，较传统的高空散件拼装仅允许单福拼装，节省了大量拼装时间，还节省了满堂架搭设时间，在安装效率上得到了明显改善。

2构建模型

首先结合建设方下发的施工图，使用 Revit2018软件将活动中心主体结构模型构建完成，大型场馆内主体结构施工较为简易，重难点集中在钢结构上，故主体结构模型构建完成后复核主体结构与钢结构连接处节点与标高等细节。

根据施工图管析架及 H型钢次梁组成的屋盖体系的结构坐标系原点，分析管析架节点详图、节点坐标表、杆件截面表、钢构件材料表，在 Tekla软件中构建管析架与 H型钢梁等结构模型，连接处节点严格按照节点大样处理，并使用节点坐标表复核标高。因为管析架属于超长结构，考虑到运输路线与车辆选择，将管析架分为2～3段加工，通过模型导出加工图纸，经设计单位审核确认无误后，可按加工图生产管析架。

Revit构建的主体结构模型与 Tekla构建的钢结构模型两者结合才能完成整体模型，做法通过 Tekla模型导出为 CAD版本的3D模型，再将该3D模型导入 Revit软件中，调整两模型的坐标原点，使用建筑图纸中坐标复核模型精确度，再确认无误后保存模型（图1）。

3施工应用

总体施工部署为：工厂分段加工，分段运送至现场，按施工平面布置要求进场，现场使用 M20地脚螺栓将拼装胎架固定在地下室底板上，使用25 t吊车吊装分段一管析架至胎架上拼装固定，吊装前使用塔机将与第一福管析架连接的2道次梁安装完成，待次梁安装、管析架拼装完成，使用100 t吊车整体吊装至相应柱顶固定，每一福管析架吊装完后，拆除胎架，再为下一福管析架安装固定胎架，依次类推。因场地限制，前两福管析架在拼装时摆放位置调整至与第三、四福位置相同，故该部分胎架可以暂时不移动，直至第三福管吊装完成，再移动第三福管析架固定胎架至第五福管析架胎架位置。第三福起吊时先升至正负零，旋转一定角度，起升至柱顶再次旋转，满足安装要求后落钩，后续管析架吊装方式同第三福。

3.1施工模拟

编制专项施工方案要考虑到钢结构进场、胎架的摆放位置、管析架拼装方式、起吊流程及注意事项等。使用Fuzor制作4D施工模拟时重点关注汽车吊进场路线、管析架摆放及起吊路线、吊装时管析架旋转方向及角度、汽车吊旋转半径[4]。

首先设置汽车吊构建属性的车辆信息，随后增加汽车吊关键帧，以符合方案中汽车吊进场路线，增加汽车吊支撑、调节起重臂的关键帧，并锁定起重臂起吊角度、旋转半径及起吊高度，只改变旋转角度，避免在吊装过程中导致管析架失衡。将吊钩落下后，选择管析架平衡位置起吊，缓慢收钩至柱顶标高以上，旋转起重臂，同时旋转管析架，不冲突结构柱与塔吊的情况下，记录管析架起吊高度最低值，实际操作时不得低于该值。

管析架旋转至柱顶后，汽车吊不再旋转移动，缓慢调整吊钩高度，将管析架下落至柱顶，固定完成后汽车吊收钩，再吊装第二组管析架。

施工动画模拟不仅能针对方案查缺补漏，还能够形象地反映施工过程，交底的可视化也让吊装过程的管理及监控有据可依，施工人员的职责更明晰，确保施工过程的规范化。

3.2管析架安装

管析架安装过程中，使用全站仪和线锤对钢架的轴线位置进行精确校核。管析架对接时，胎架根据管析架轴线及对接位置进行布置。在管析架端扣焊接定位耳板，作为对接时临时固定措施，对接后将耳板割除磨平。水平方向使用手拉葫芦微调，垂直方向使用千斤顶微调，管析架主弦管在完成对口检查，满足设计要求后，焊接固定主弦管[2]。

胎架不仅需要满足整体稳定性，还需要满足管析架摆放在胎架上的局部稳定性、胎架刚度、抗弯要求。胎架进场后加工焊接拼装，在安装时首先定位放线，确定方向及胎架位置，钻孔钉人钢筋定位，使用吊车转运至定位钢筋内，使用水平尺调整胎架垂直度后用膨胀螺丝固定紧实（图2）。

3.3管析架吊装

在测站点上架设全站仪，将每福管析架的轴线定位线投影的位置线预先放样在拼装平台，使用全站仪对管析架上、下弦管的轴线进行定位，确保管件的轴线偏差在容许误差之内。为保证管析架按3%起拱的拼裝精度，需用全站仪对所有上、下弦管每个对接口、端口位置的中心轴线标高、位置精确测，然后进行焊接加固（图3），并在吊装之前对拼装完成的管析架进行复测[3]。

管析架安装遵循从从左至右安装的原则，单福管析架梁在地面拼装从一端开始，先安装首端段管析架梁两端胎架，吊装首段横管析架梁安装在固定胎架上，确保首段梁不发生纵、横向移位。在首段梁与二段梁接头部位放置好临时支撑架，准备第二段吊装（图4）。

地上拼装时，单福梁组对好后，按照规范要求调整好拱度、水平度、弯曲度，使梁的安装达到设计和规范要求，检查合格后，将接头部位焊接牢固。当单福梁焊接完成后，将其周边梁、杆安装到位，确保管析架梁不会偏移。

拼装完成后吊装整福管析架，管析架单根最大重量14.886 t，吊装最大高度15.939 m，长45 m，采用四点吊裝，管析架中间与两端使用手拉葫芦与钢链连接，在试吊时检查平直度，有必要时使用手拉葫芦调整。起吊前应在管析架两端绑扎缆风绳，起吊后拉紧，使析架吊起后不发生大的摇摆，保持其正确位置。

为保证吊装安全，将施工模拟的模型及吊点设置通过 MIDAs 建模计算，因吊装时只有吊点受力，故在吊点处增加3个方向的位移约束，荷载取自重荷载（模型内材料总重13.75 t，实际为14.86 t，故自重系数取1.1），结果输出时取1.2荷载系数。最终计算得知该变形处于可控范围内，最大组合应力杆件、最大轴向力满足要求（图5）[1]。

将管析架从拼装位置起吊到距地面200～300 mm高度，检查各钢丝绳受力是否均匀，持续5 min后，再看管析架有变形、杆件有无弯曲等现象，如情况良好，可正式起吊。如有不影响结构安装的变形量，使用手拉葫芦调整至误差内。

起吊时将管析架提升超过建筑物结构最高安装位置约300～500 mm，然后通过吊车转臂，缆风绳调整角度将管析架转至吊装位置上方，最后将管析架缓慢降至安装位置进行对位，安装对位应以建筑物的定位轴线为准。因此在管析架吊装前，应用经纬仪或其它工具在门架、结构安装位置上放出定位轴线。如截面中线与定位轴线偏差过大时，应调整纠正。

管析架起吊过程中应注意防护措施是否滑落。当管析架逐渐落到安装位置上时应特别小心，防止损坏预埋板的承力面，此时可以察看管析架支座底板的中心线与预埋件的中心线是否吻合，并在管析架悬吊状态下进行调整。

缓慢下落至预埋锚板上后，汽车吊司机持续关注仪表盘数据，荷载开始减轻，证明支座开始受力，安装入员观察管管析架是否存在变形，如无意外，再进行后续安装作业（图6）。

3.4工程监控

起吊过程吊车司机及安全旁站监督员时刻监控仪表盘，保证作业半径在限制范围内，各项数值安全可靠。另将无人机起飞，在空中监控吊装过程，全程录像，保证吊装过程与施工模拟同步，确保施工安全和方案的落实。

陆空结合的施工监控系统，让危险无处遁行，一旦出现汽车吊各项指标超出监控值，或者空中无人机发现有操作人员未按要求施工，立即通报施工指挥，发出预警，停止吊装过程，整改后才允许继续（图7）。

3.5效益分析

根据场地大小选择同时拼装多福管析架，节省时间，提升效率，一福管析架吊装后在安装过程中另外一福拼装焊接，同时胎架周转至下一福，等待管析架进场卸车，不同作业面同时作业使得钢结构安装效率最大化。胎架的重复利用减少了前期准备工作，避免大量生产专用胎架。

项目关键线路工期节约至少10天以上，不仅提前完成节点任务，而且大大节约了机械设备及周转架料的投入，同时规避了工期风险和经济风险。

4经验总结

正是 BIM全方位的应用使重大危险源的施工过程监控更有据可依，提前预知施工过程的站位、钢构件的移动路径等。施工交底不再拘泥于纸上，视频动画更加直观可靠，可视化的交底让所有现场施工人员都能了解每一步的流程，流程背后的含义以及存在的危险，这是过去的交底无法做到的。

传统施工只能通过图纸和经验来确认方案的可行性，具有一定的局限性，容易考虑不周全，在现场施工时出现不可控因素，如结构冲突、场地限制、机械性能等，对人力和工期都会产生极大的负面影响。

动画模拟后不仅对施工起到了指导的作用，还更有利于对比分析，调整后续的施工部署，让施工管理更加符合"智慧施工"的理念。

管析架模型创建，吊装模拟是施工成功的重点，施工方案的编制缺失可行性的验证，仅代表了理论上可以实施，通过 BIM各类型软件模拟了吊装过程后，立即得到大家的认同，方案实操可行，在现场施工过程中重点关注安全及质量把控即可。

参考文献

[1]张明亮，刘维，曾治国.滑移施工技术在超大跨度拱形管析架中的应用[J].施工技术，2021，50（14）：74-76.

[2]陈川函.大跨度管析架结构施工技术应用—以湄洲湾职业技术学院迁建项目体育馆工程为例[J].福建建材，2021（10）：16-40.

[3]吴博，陈小晶，刘成，等.三亚亚特兰蒂斯水上乐园大跨度钢结构管梢架施工技术[J].陕西建筑，2020，10（304）：37-40.

[4]雀邯龙，肖超，王松.BIM技术在某大跨度管析架工程中的应用[J].钢结构，2019，34（8）：100-104.