隨著我國鋼結構行業(yè)的快速發(fā)展，鋼網(wǎng)架憑借其造型新穎、施工周期短和節(jié)能降碳等優(yōu)勢，逐步在機場、高鐵站、體育館、熱力熱電廠等各類建筑中被推廣使用。目前國內(nèi)對于鋼網(wǎng)架安裝技術研究較多，對于超長大跨度鋼結構網(wǎng)架提出了累積頂推滑移施工技術，接續(xù)拼裝整體頂升施工等技術[1]，同時對基于建筑信息模型（BIM）的異型雙曲面鋼結構屋面空間進行了數(shù)值模擬與優(yōu)化分析[2]。本文通過借鑒類似經(jīng)驗，對濟寧大安機場航站樓鋼網(wǎng)架工程進行研究，形成從運輸?shù)降跹b整個過程的施工管理體系，主要包括：基于“事前模擬，過程監(jiān)測，實時復核，專項突破”的施工方法；以BIM技術為基礎的施工模擬，碰撞檢查和力學軟件校核方法；以數(shù)字化監(jiān)測設備、點云掃描儀配合無人機、全站儀等工具對網(wǎng)架拼裝過程進行實時監(jiān)測和糾偏，對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時復核的技術方法；大跨度鋼網(wǎng)架提升定位技術、鋼結構網(wǎng)架焊接支撐技術、網(wǎng)架結構型建筑的形變監(jiān)測技術、網(wǎng)絡鋪設激光測距技術。該施工管理體系保證了網(wǎng)架的安裝進度和作業(yè)安全，縮短工期并降低造價，可為同類型鋼網(wǎng)架安裝施工提供借鑒經(jīng)驗。

1.   雙曲鋼網(wǎng)架結構施工方法

航站樓鋼網(wǎng)架造型奇特、跨度大、桿件種類繁雜，結構形式多變。一旦施工出現(xiàn)質量問題，整改的難度和造價非常高，急需研究一種新的施工體系，用于指導施工確保安裝驗收合格率，提高經(jīng)濟效益。通過大量研究，提出“事前模擬，過程監(jiān)測，實時復核，專項突破”的鋼結構網(wǎng)架施工方法。

事前模擬：基于BIM技術的施工模擬、力學分析、碰撞檢查、材料統(tǒng)計與導出等技術的應用來前瞻存在的技術問題。

過程監(jiān)測：運用專業(yè)數(shù)字化監(jiān)測設備連入信息綜合處理平臺，結合無人機、定點監(jiān)控、全站儀等輔助設備對現(xiàn)場進行過程實時監(jiān)測；

實時復核：由于現(xiàn)場存在大量環(huán)境以及人為干擾因素，為保證精度，制定實時復核策略來細化施工單元，實時進行糾偏。

專項突破：針對雙曲鋼網(wǎng)架金屬屋面拼裝頂升過程中存在同步頂升控制、高空焊接作業(yè)和網(wǎng)架空中對接難度大等一系列重難點問題進行專項攻堅。

本施工方法注重全過程控制，從事前、事中和事后分別研究并提出技術管控措施，可有效降低網(wǎng)架的返工率和材料損耗，保證了網(wǎng)架的施工質量和進度，社會經(jīng)濟效益顯著。

2.   基于BIM的施工模擬技術

航站樓網(wǎng)架采用液壓單元頂升技術施工，涉及網(wǎng)架地面精確組裝定位、球桿材料快速確定所屬位置、特殊區(qū)域節(jié)點受力分析、焊接組裝流程優(yōu)化、桿件碰撞與空間位置分析等一系列施工難題亟待解決。

為快捷高效的解決上述問題，采用基于BIM的施工模擬技術，結合Revit、Tekla、Rhino、Abaqus、Midas等一系列工程建模及力學分析軟件，對網(wǎng)架整體施工過程進行建模和施工模擬，解決精確定位、受力分析、材料分析、流程優(yōu)化、碰撞模擬、施工模擬，將問題發(fā)現(xiàn)和解決過程完成在模型里。

2.1   BIM運輸模擬

航站樓鋼網(wǎng)架結構構件為工廠預制，在運輸途中為防止被破壞并保證其穩(wěn)定性，與鋼網(wǎng)架專業(yè)分包、預制工廠共同使用BIM技術進行模擬運輸建模，確定最優(yōu)方案。聯(lián)合鋼結構專業(yè)分包利用Revit、Lumion等軟件對運輸方案進行建模模擬（圖1），并對運輸?shù)巾椖康牟牧线M行復核驗證（圖2），得到最優(yōu)運輸方案。

2.2   節(jié)點有限元力學分析

機場航站樓屋頂采用的鋼網(wǎng)架結構形式多變，受力復雜，通常的受力計算方式已經(jīng)不滿足現(xiàn)實需求。為解決此難題，針對典型與特殊區(qū)域節(jié)點進行建模，特別針對大跨度網(wǎng)架跨中位置下沉值、網(wǎng)架日字柱支撐體系、網(wǎng)架受力桿件節(jié)點等，采用Midas、Abaqus等有限元力學分析軟件對結構進行受力分析，對區(qū)域節(jié)點進行精確計算從而使網(wǎng)架從地面組裝、分段頂升到支撐卸載全過程受力滿足相關規(guī)定和材料力學特性。

對特殊及典型位置桿件進行力學軟件斷裂分析，確定桿件受力是否滿足要求。對于不滿足桿件力學性能要求的部位在BIM模型中進行定位標注，在施工過程中對于BIM模型中標注的部位進行調整或加固。

2.3   面域有限元力學分析

利用Midas對網(wǎng)架分塊單元進行力學建模與受力分析，重點對頂升架卸載前后區(qū)域的受力情況進行分析對比，形成網(wǎng)架卸載前后結構變形云圖及桿件應力云圖，測算網(wǎng)架卸載過程中結構構件最大組合應力比（表1）均滿足標準GB50017—2003鋼結構設計規(guī)范（＜1.0）要求。

經(jīng)測算，網(wǎng)架各區(qū)域各個結構在卸載完成后位移最大值為22.2 mm，滿足標準GB50017—2003鋼結構設計規(guī)范（＜72 mm）要求，同時滿足構件安裝精度要求。

經(jīng)云圖測算，卸載過程中結構構件最大組合應力為65.2 MPa（表2），小于Q235材料設計強度，滿足規(guī)范要求。

2.4   模擬頂升與校核

鋼網(wǎng)架結構頂升是鋼網(wǎng)架屋蓋拼接安裝技術的重難點問題，采用BIM+思維，除使用BIM軟件建模進行頂升模擬外，還利用無人機、全站儀、專業(yè)平衡分析儀和頂升同步儀器在現(xiàn)場進行同步校核，保證了鋼網(wǎng)架的順利頂升[3]。

如圖3，整體鋼網(wǎng)架模擬頂升步驟為：

（1）使用BIM軟件虛擬構筑拼裝臺，明確砌筑胎架基礎與鋼管的銜接和組合；

（2）模擬下弦球拼裝胎架的定位和擺放；

（3）模擬測量定位焊接球體焊縫方向、球內(nèi)肋板的安裝方向及球中心坐標、以及固定在拼裝胎架；

（4）模擬桿件定位、下弦桿件安裝、折線形構件安裝、馬道、支撐橫梁及走道板安裝到上弦桿件與桿件的焊接過程。

通過BIM模擬頂升校核技術，實現(xiàn)了網(wǎng)架單元拼接全程的預先可視化模擬演練，校核確定了單元網(wǎng)架定位點，為前期方案制定和后期指導施工提供了有力抓手。

通過對以上技術的深化應用，解決了桿件材料運輸難、網(wǎng)架節(jié)點面域力學分析難等難題，縮短了工期，提高了施工精度和效率，大大節(jié)約了成本。

3.   鋼網(wǎng)架實時檢測與材料追溯技術

3.1   創(chuàng)新內(nèi)容

3.1.1   多元外接設備偏移監(jiān)測技術

以雙曲鋼網(wǎng)架BIM模型為接口，引入無人機全站儀、頂升平衡儀、力學傳感器等多種外部設備，實現(xiàn)了現(xiàn)場網(wǎng)架結構實時數(shù)據(jù)抓取和實時偏移校核（圖4）。

通過現(xiàn)場多種觀測儀器、傳感器件的信息抓取和分析，獲得網(wǎng)架觀測點的實時位置，將數(shù)據(jù)變量導入BIM模型，使得偏移點和偏移量以所在結構部位的顏色變化得以體現(xiàn)，實現(xiàn)了對網(wǎng)架整體偏移量的實時監(jiān)測，方便后續(xù)有針對性的開展糾偏工作。

3.1.2   網(wǎng)架建模與加工設備數(shù)據(jù)交互技術

施工過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場通過各種儀器測量、模型建立和軟件分析所獲得精確BIM數(shù)據(jù)極為豐富，但是這些數(shù)據(jù)卻無法與材料生產(chǎn)設備進行有效的信息交互?；诖?，研究出了一種BIM建模數(shù)據(jù)導出技術。該技術通過“提取、導入、轉化”的思維完成了項目數(shù)據(jù)與加工設備直接有效的數(shù)據(jù)對接問題。該技術流程如下：

（1）通過研發(fā)的插件將BIM工程軟件與力學分析軟件中所取得的數(shù)據(jù)加以提取并導出。

（2）將導出數(shù)據(jù)加以整理，取得所需信息，再將整理后的數(shù)據(jù)進行格式轉化，轉化為加工設備所適配的數(shù)據(jù)格式。

（3）與工程進行信息溝通，導入數(shù)據(jù)信息。

（4）在試件出料無誤后，依據(jù)項目提供的數(shù)據(jù)信息對項目所需材料進行精準出料，從而完成了供應方到應用方的信息流閉環(huán)[4]（圖5）。

3.2   基于BIM的網(wǎng)架點云掃描技術

在云點測量過程中，由于在外業(yè)測量中每一站測量坐標系都是相互獨立的，為了能使測量的點云數(shù)據(jù)保持正確的三維空間關系，所有的點云數(shù)據(jù)必須統(tǒng)一配準到同一個坐標系下，這樣就保證了測量點云相對關系的正確性，也就是需要求得不同測站公共區(qū)域內(nèi)點的旋轉參數(shù)和平移參數(shù)。假設在A、B兩個位置布設測站分別對同一目標進行掃描。經(jīng)過測量，獲得兩組不同點云數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)配準就搜尋兩站測站點中測量目標M的同名點，將M點坐標在同一坐標系下重合，假設點云之間是進行剛性變換，則在配準過程中需要對點云進行旋轉和平移就是二者公共區(qū)域點云重合（圖6）。

運用基于BIM的點云實測實量技術見圖7~8，用測量儀器對現(xiàn)場進行實測實量和復核工作，極大地節(jié)省了人工，提高了工作效率，生成的點云模型精度高，效果好。

基于BIM的網(wǎng)架點云掃描技術，以高于人工3倍以上的速度對網(wǎng)架各個桿件節(jié)予以掃描，高精度地錄入桿件位置信息并導入BIM模型，可獲得完全還原現(xiàn)場的網(wǎng)架云點模型圖，該技術對于精確建模、節(jié)點定位、數(shù)據(jù)復核、偏移監(jiān)測都起到了巨大作用（圖9）。

通過多元外接設備偏移監(jiān)測技術、網(wǎng)架建模與加工設備數(shù)據(jù)交互技術、網(wǎng)架材料電子標簽雙向追溯技術、基于BIM的網(wǎng)架點云掃描技術解決了大體量數(shù)據(jù)偏移監(jiān)測難、模型數(shù)據(jù)與加工設備數(shù)據(jù)交互難、現(xiàn)場材料屬性信息查找回溯難、大規(guī)模精確快捷采集網(wǎng)架位置信息難等一系列難題，縮短了工期，提高了施工精度和效率，有效節(jié)約了成本[5]。

4.   液壓單元頂升技術

液壓單元頂升技術，施工前網(wǎng)架可在二層樓面上拼裝完成，既能保證質量要求，又能避免高空作業(yè)，極大地避免了傷亡事故的發(fā)生；提升的技術保證措施要求較高且操作簡單；網(wǎng)架頂升過程中，可以分區(qū)交出現(xiàn)場施工工作面，可穿插施工砌體、安裝、裝修等分項，能夠縮短總工期0.5~1個月。但是，本工程單元網(wǎng)架體積較大，一次性同步頂升完成所需技術難度大，安全行和穩(wěn)定性不足，故此決定以此方案為基礎改良出一種使用于鋼網(wǎng)架分塊頂升的技術。

4.1   網(wǎng)架單元劃分技術

由于大跨度雙曲鋼網(wǎng)架結構跨度大，面積廣，無法一次性液壓同步頂升完成，所以將整個網(wǎng)架拆分為4個單元，分塊進行吊裝施工。減輕各單元頂升偏心受力影響的同時，方便了現(xiàn)場工序穿插，更加靈活[6]。

每個單元進行獨立安裝，按照：施工準備→放線定位→頂升區(qū)域拼裝→安裝馬道及檁托→頂升一區(qū)→復核尺寸、調整網(wǎng)架軸線→頂升二區(qū)與三區(qū)→頂升二區(qū)和頂升三區(qū)頂升到位之后補嵌頂升區(qū)之間次桿→頂升四區(qū)→升四區(qū)頂升到位之后補嵌頂升區(qū)之間次桿→卸載→拆除頂升設備的整體順序，完成網(wǎng)架的頂升。

對于如何劃分單元網(wǎng)架，運用有限元力學軟件對于預設劃分區(qū)域單元進行力學計算和云圖生成，根據(jù)模擬力學特性進行不斷的調整優(yōu)化，最終確定了四個單元位置的具體劃分。通過力學性能分析，結合現(xiàn)場工序穿插，最終確定了劃分方案（圖10）。

4.2   單元荷載計算技術

在取得單元分區(qū)方案后，依據(jù)各分區(qū)重量進行單元荷載計算。屋面網(wǎng)架頂升區(qū)分為4個頂升單元，頂升一區(qū)重279 t，布置12臺100 t液壓頂升油缸，液壓千斤頂?shù)氖褂秘摵赡芰㈩~定負荷能力乘以折減系數(shù)0.5。1200 t×0.5=600 t＞279 t，滿足頂升要求；頂升二區(qū)和三區(qū)各重178 t，各自布置6臺100 t液壓頂升油缸，600 t×0.5=300 t＞178 t，滿足頂升要求；頂升四區(qū)重519 t，布置30臺100 t液壓頂升油缸，3000 t×0.5=1500 t＞519 t，滿足頂升要求。

4.3   基于BIM的網(wǎng)架頂升點位確定技術

由于網(wǎng)架呈雙曲面布置，造型復雜，其質量分布很不均勻，因此選擇提升點位置時要綜合考慮鋼結構、支撐胎架和混凝土結構三方面的安全。提升點位置選擇原則：

（1）網(wǎng)架和提升點的受力要均衡。

（2）支撐架設在混凝土結構的梁柱部位。

（3）設在網(wǎng)架形狀變化較小的部位。

按照上述原則，經(jīng)BIM模擬施工計算分析（圖11），結合頂升架規(guī)格以及力學性能，最終確定了各提升點的位置（圖12）。

4.4   網(wǎng)架增強加固系統(tǒng)

由于雙曲鋼網(wǎng)架結構各項精度指標均需控制在毫米級，天氣、下部支撐結構的沉降收縮、人為、施工條件等影響因素都對精度控制提出了不小的挑戰(zhàn)。故而設計并安裝增強網(wǎng)架系統(tǒng)，在現(xiàn)場原有鋼柱處加設鋼性限位設施，增強網(wǎng)架在合理的位移值內(nèi)平穩(wěn)上升，有利于觀察參照位移距離大小。

為了應對現(xiàn)場復雜多變的施工環(huán)境和外界影響，增強網(wǎng)架頂升抗風險能力，提高安全保證系數(shù)，研發(fā)制定網(wǎng)架固定增強技術，將鋼構件以穩(wěn)固的力學形態(tài)因地制宜地布置在已經(jīng)固定好的網(wǎng)架巨大承力鋼柱上，以四角輻射形式將周邊網(wǎng)架擴散連接（圖13），增強整體網(wǎng)架在頂升前的穩(wěn)定性[7]。

4.5   高空焊接防護技術

現(xiàn)場網(wǎng)架單元存在一定量的外檐懸挑結構需要高空拼接，過程中由于風力等一系列因素，傳統(tǒng)的掛設安全帶無法提供有效保障，因此設計高空焊接廂式操作平臺（圖14），對高空作業(yè)人員進行全方位防護，方便施工，對于操作平臺無法容納的空間，設計懸掛式安全繩及配套支撐桿（圖15），安全靈活。此方式實現(xiàn)了網(wǎng)架高空焊接過程安全保障的全覆蓋[8]。

4.6   鋼結構網(wǎng)架提升定位裝置改良技術

在鋼結構網(wǎng)架提升過程中需要扭曲提升鋼纜、轉動調節(jié)方向進行對接定位，對這種調節(jié)定位方式進行了改良，增加了抓握轉動筒的設置，解決了不能直接對鋼結構網(wǎng)架節(jié)點球進行鎖緊提升且大量消耗人力的問題（圖16）。

4.7   網(wǎng)架變形監(jiān)測與激光測距改良技術

網(wǎng)架施工過程中傳統(tǒng)的監(jiān)測方式取點單一，操作復雜，無法很好地滿足現(xiàn)場需求，改良變形監(jiān)測裝置，使其通過調節(jié)機構調節(jié)多個監(jiān)測桿移動，能夠同步對多個網(wǎng)格進行檢測，有效提高對建筑網(wǎng)格的檢測效率。同時，裝置增設了定位機構，能夠通過定位機構自動調節(jié)調節(jié)桿在建筑網(wǎng)架上的位置，通過確定調節(jié)桿的位置，使得每個檢測機構位于對應網(wǎng)格的中心處，有效提高對建筑網(wǎng)架變形檢測的精確度。裝置還通過設置防損組件，在驅動壓力傳感器對網(wǎng)格側壁所受的壓力進行檢測時，能夠有效保護壓力傳感器，同時設置警示燈，能夠快速觀察建筑網(wǎng)架的形變狀況，更加直觀、精確。同時對現(xiàn)場激光測距儀器進行改良，增加一層防護罩裝置使其能更廣泛地應用到各種環(huán)境中，避免激光測距主體出現(xiàn)磕碰損傷，提高激光測距主體的使用壽命。

4.8   鋼結構網(wǎng)架焊接用支撐裝置技術

改良鋼結構網(wǎng)架焊接用支撐裝置（圖17~18），通過裝置內(nèi)安裝環(huán)和固定桿的配合，能夠將桿件快速調整到所需要的焊接高度上。解決了現(xiàn)有支撐裝置不能滿足對不同角度的桿件進行支撐和不便根據(jù)焊接的高度進行快速調節(jié)的問題。

5.   結束語

通過對以上技術的施工模擬，解決了網(wǎng)架跨度大，難以一次頂升、單元荷載計算困難、網(wǎng)架頂升點精確度要求高、網(wǎng)架穩(wěn)定系統(tǒng)抗風險能力弱、高空焊接安全系數(shù)低、網(wǎng)架定位以及監(jiān)測措施操作不便捷、網(wǎng)架焊接原有輔助工具操作不便捷等一系列網(wǎng)架頂升過程問題，縮短了工期，提高了施工精度。

文章來源——金屬世界