超高層大跨度異形鋼連橋三位一體施工過程控制關鍵技術

魏德勝　李兵生　駱發江　田志斌　李鵬

摘 要：西安邁科商業中心項目工程施工過程中，針對其超高層鋼連橋跨度大、質量大、異形和施工困難的特點，進行了包含施工可視化、數值模擬和施工監測的三位一體虛擬施工過程控制關鍵技術研究，創造性的解決了該工程在施工中的具體問題，制定出科學合理的施工方案，極大減少了施工風險，也便于進行質量、成本和進度的控制和管理。

關鍵詞：三位一體；施工可視化；數值模擬；變形監測；過程控制

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0096-04

1 工程概況

西安邁科商業中心項目（見圖1），辦公樓地上45層，建筑高度為207.2m，酒店地上34層，建筑高度為153.7m，裙房地上4層，建筑高度24.0m。主塔樓為鋼框架—支撐體系結構，辦公塔樓21至23層和酒店塔樓22至24層處設置了空中連橋，空中連橋由兩榀桁架以及桁架間的主次梁組成，采用了斜交、不等高設計，結構復雜，單體重量約450噸，跨度約40米。

2 三位一體施工過程控制關鍵技術

超高超重鋼構件空中拼裝一直是類似工程的重點及難點，如何保證構件的拼裝質量及降低作業人員的安全隱患是值得研究的課題[1]。西安邁科商業中心項目的這種整體上超高超大的不規則鋼連橋，在實際工程施工中，面臨著高空作業多、施工場地狹窄、施工量大、工程周期長等難題。因此，在施工中采用了三位一體施工過程控制關鍵技術。

本工程中采用的三位一體施工關鍵技術，是由施工期可視化技術、施工過程數值模擬和整體提升應變監測三個核心內容組成的。基于BIM軟件的施工可視技術能有效解決目前大型鋼結構施工過程中遇到的施工安全難點問題，對避免大型鋼結構施工事故的發生有非常積極的作用；基于施工過程的數值模擬可以對復雜建筑結構進行施工期控制，保證結構施工期安全和可靠性；基于無線傳輸技術的應變監測為結構施工的各個階段提供準確可靠的監測數據，以正確評估各施工階段的受力狀態和結構性能，判斷施工期的安全性，同時為施工提出指導性意見。

3 異形鋼連橋施工期可視化技術研究

3.1 異形鋼連橋施工可視化方案

首先，根據設計圖利用Bentley系列軟件中的AECOsim Building Designer建立帶有信息的三維結構模型，組裝形成虛擬施工環境，把連橋整個施工分成提升吊點（牛腿）布設、連橋地面拼裝、連橋整體提升、空中對接固定和卸載六個主要過程。其中采用的整體提升技術具有不受桁架自重、桁架需提升的高度（跨度）等限制，實現提升自動化，提高提升的安全性[2]。結構在地面拼裝，利用液壓設備將整個鋼結構連體層提升到設計位置，完成鋼結構的安裝[3]。

利用可視化技術，對連橋整個施工過程進行模擬把施工過程中的每一個步驟、細節進行事先的直觀展現，從而確定合理的施工方案，極大的提高施工效率與施工安全，同時能夠有效地指導工人的現場施工，確保連橋的施工質量。其實施過程如圖2。

3.2 異形鋼連橋可視化實施

3.2.1 吊點布置，安裝提升器

根據連橋桁架結構體系的特點，在每榀桁架的兩端設置提升吊點（見圖3），在提升吊點處將桁架桿件斷開，將不參與提升的桁架桿件分段先裝好，在外框鋼柱外側設置提升牛腿結構。

在AECOsim Building Designer軟件建好的塔樓模型（見圖4）上，按照實際大小設置牛腿，并安裝提升器。上吊點布置，提升器及牛腿模型見圖5。

3.2.2 地面拼裝及加固

連橋在地下拼裝時，連橋每層端部設置的水平加固桿件隨連橋結構桿件一起安裝，主要拼裝流程如下（見圖6）：流程一：拼裝桁架下弦桿和底層鋼梁；流程二：拼裝2榀桁架豎向、斜向腹桿、上弦桿，形成U形結構體系；流程三：依次拼裝連橋中間層鋼梁；流程四：最后拼裝連橋頂層鋼梁，拼裝完成。

3.2.3 提升連接及試提升

液壓提升設備與連橋結構上的對應下吊點連接，下吊點固定地錨，依次將每臺提升器的所有鋼絞線穿入地錨中，穿出部分留長不小于10cm。液壓提升設備與連橋結構上的對應下吊點連接完成后，開始進行設備調試，一切正常后進行預提升。

3.2.4 正式提升

為了更好的使桁架在提升過程中保持同步，提升前在桁架下弦桿上布置六個測控點，各測控點的數據都有統一的基準點。在提升過程中，提升控制人員通過單獨控制每個提升點的提升器，使6個點的高差數據差值小于5mm，實時調整桁架的空中姿態，以保證桁架整體的空中姿態平穩。連橋整體提升過程見圖7。

3.2.5 空中對接，拆除加固桿和卸載

連橋達到預定高度后，開始進行空中對接（見圖8）和拆除臨時加固桿件。待連橋與主體結構連接完成，臨時加固桿件拆除后，利用液壓同步提升系統設備對連橋結構進行整體卸載（見圖9），使結構的提升荷載完全轉移到塔樓的框架結構上，至此連橋整個施工連接完成。

4 異形鋼連橋施工過程數值模擬

4.1 施工期數值模擬方法

本課題采用通用有限元分析軟件SAP2000 V15的階段施工模塊對連橋施工的各施工階段進行了數值模擬，并用ANSYS軟件對提升上下吊點進行了模擬。

4.2 連橋地面拼裝工況模擬

首先根據設計圖紙建立連橋模型，按照施工方案中異形鋼連橋的9個支撐點位置，在模型中施加豎向約束，然后在軟件中運行設置好的工況，進行相關計算，可得到不同施工階段各桿件的應力和變形圖。應力如圖10所示，應變如圖11所示。

通過計算得到的應力和變形結果可知，鋼連橋在地下各拼裝階段中，各桿件的強度和變形滿足要求。

4.3 連橋整體提升工況模擬

因提升工況與結構設計使用工況有所不同，需對結構進行提升工況分析，采用SAP2000 對結構進行模擬分析，桁架單元均采用梁單元進行模擬，在吊點處進行豎向約束和加水平向彈簧約束。連橋在提升過程中，各提升點可能存在一定程度的高度偏差，因此考慮提升過程中各吊點不同步對結構造成的影響，對連橋提升模型進行了同步提升和不同步提升兩種情況的校核，如圖12和圖13所示。

4.4 連橋空中連接卸載模擬

對連橋空中連接卸載過程建立有限元模型，如圖14所示。在SAP2000模型中，采用非線性階段施工進行分析，通過對設置好的工況運行分析，可得到不同施工階段各桿件的應力和變形圖。從圖15所示的各工況包絡下結構應力比可知，最大應力比不超過0.5，各桿件應力小于許用應力值，結構在施工過程中強度滿足要求。

4.5 牛腿提升模擬分析

利用有限元軟件ansys，單元類型選擇為Solid 186，建立有限元模型。通過計算分析可得到應力云圖和位移云圖，如圖16和17所示。

5 異形鋼連橋整體提升應變監測

為了保證連橋在提升過程以及空中連接卸載過程的萬無一失，對連橋在整個施工過程中的應變監測是必不可少的。在數值模擬的基礎上，結合施工現場的實時監測，為連橋的施工安全提供的雙重保障。

在提升過程中，通過運用無線傳輸技術的數據采集設備，對安裝在桿件上的應變數據進行采集，如圖18和圖19所示，從而能夠對連橋在提升過程中及提升后應變較大的桿件進行實時動態的監測。通過客觀的應變監測數據表現出的結構受力狀態，分析不同的施工步驟對結構受力的影響，從而驗證了基于BIM虛擬施工制定的提升方案，并對施工過程進行了安全控制。

6 結語

實踐表明，本工程采用的三位一體施工過程控制關鍵技術創造性地解決了超高層大跨度異形鋼連橋施工中的具體問題，有效地幫助了工程技術人員制定出科學合理的施工方案，極大減少了施工風險，也便于進行質量、成本和進度的控制和管理。

參考文獻

[1]王永好，李奇志.超高超重空中連廊液壓整體提升施工技術[J].廣東土木與建筑，2012（10）：22-26.

[2]潘學斌，王永生，齊偉，霍成功.高空大跨度鋼結構連廊逆向液壓同步提升技術在施工中的應用[J].施工技術，2015，S2：563-566.

[3]高雷雷.高空鋼結構連廊整體提升關鍵施工技術[J].施工技術，2014（02）：38-41.