基于BIM技術的地鐵站綜合管線分段整體吊裝技術應用研究

王成君， 尹紫紅， 李鵬堯， 高 雪

(1. 中鐵十二局集團電氣化工程有限公司成都地鐵5號線一、二期機電安裝及裝飾工程2標段, 天津 300308； 2. 西南交通大學, 四川成都 610031)

[定稿日期]2017-10-17

機電安裝工程施工工作時間主要集中在主體建筑施工完成和建筑裝修前，其施工工期短、施工質量得不到保證[1]。因此完善機電安裝工程管理系統，制定創新的綜合管線安裝方案迫在眉睫。目前，地鐵管道安裝采用的是法蘭和預鉆孔的連接方式，安裝過程均在空中進行，即將一段長度為0.6 m的管道起吊至目標位置，施工員在空中進行管道的固定連接，操作不便且施工效率低。

本文針對復雜的地鐵車站機電安裝工程綜合管線問題，選取成都地鐵5號線杜家碾車站作為研究對象(圖1)。通過機電綜合管線模型的建立和碰撞檢查，優化綜合管線設計，進而為支吊架設計提供數據資料[2]。結合BIM技術，提出一套可調節的液壓升降機綜合管線分段整體吊裝系統，實現在有限的施工空間內綜合管線的分段整體吊裝。

圖1 杜家碾車站位置

1 綜合管線分段整體吊裝方案設計

傳統的綜合管線安裝通過切割下料、錨栓固定、支架底座安裝、高度調整及管束安裝，實現了管線的科學、系統的布置，克服了各專業在施工中需大量協調工作問題，但是施工工效低，施工質量無法保證[3]。

為解決地鐵管道安裝效率低下的問題[4]，本研究結合成都地鐵5號線機電安裝工程實際施工，結合BIM技術提出了一種新的吊裝設備系統和具體的施工實施方案，解決在施工空間不足時，綜合管線的分段整體吊裝問題。該方法以20 m長度的管線為單元，考慮到管線剛度較差，設計了三層結構的支撐平臺起升綜合管道。其大大降低了在空中吊裝作業的時間，提高工效，保證施工質量。

2 應用案例

2.1 工程概況

成都地鐵5號線杜家碾車站主體建筑面積7 658.8 m2，地下1層為站廳層，其中公共區建筑面積為2 450 m2，大里程端設備管理用房面積859.2 m2，小里程端設備管理用房面積為285.4 m2；地下2層為站臺層，其中公共區建筑面積為1 578 m2，大里程端設備管理用房面積613.2 m2，小里程端設備管理用房面積為1 378 m2。車站小里程端通風空調機房面積164 m2，大里程端通風空調機房331 m2。

本站設置兩組風亭，分設于車站兩端。其中小里程端風亭組分別為新風亭、排風亭、活塞風亭，大里程端風亭組分別為新風亭、排風亭、活塞風亭。室外設置一組冷卻塔、一組多聯機室外機。其中冷卻塔位于大里程活塞風亭附件，安裝方式為地面式，冷水機房設置在大里程端，面積為100 m2，多聯機室外機位于大里程端活塞風亭附近。車站A、D號出入口長度超過60 m，設施通風空調與排煙系統，排煙機房與A號出入口合建，出入口有蓋且無縫隙。大里程端疏散樓梯間提升高度大于10 m，設置加壓送風系統，加壓風井與樓梯間合建于1號風亭附近。

2.2 綜合管線吊裝設備參數化設計

前期通過BIM技術，完成了綜合管線的精確建模[5]，在此基礎上進行綜合管線吊裝設備參數化設計。

2.2.1 管道質量計算

吊裝試驗管道由厚度為1.2 mm的鋼板焊接而成，其截面為矩形，管道截面大小不一，長度范圍為630 mm≤a≤2 200 mm，寬度范圍為320 mm≤b≤1 250 mm，現就截面的最大尺寸計算管道質量(圖2)。

圖2 管道截面(單位: mm)

單根管道長度為0.6 m，若干根管道通過端面法蘭連接在一起，總長度為20 m。鋼的密度為7.85 g/cm3，所以長度為20 m的管道質量為：

m1=ρV=7.85×[125×0.12×2+((220-0.24)×

0.12×2]×2000=1299 kg

(1)

2.2.2 支撐平臺尺寸確定及其質量計算

2.2.2.1 支撐平臺尺寸確定

第三層支撐平臺用來支撐管道，其寬度必須滿足最大截面尺寸管道的起升，故第三層支撐平臺的寬度要大于2 200 m，現取第三層支撐平臺的寬度為2 500 mm，又為保證長度為20 m管道兩端法蘭與其他管道法蘭連接的方便，因此管道的長度要比第三層支撐平臺要稍長一點，故取第三層支撐平臺的長度為19 m。

第二層支撐平臺只是用來實現管道Y方向的移動，因此其尺寸可以稍微小一些，為1.5 m×10 m(寬×長)。

第一層支撐平臺四個角點處設有吊耳，用來實現支撐平臺的起吊，因此第一層支撐平臺的尺寸要比第三層大，為3 m×20 m(寬×長)。中間鋁板的尺寸為2.5 m×0.4 m×0.06 m(長×寬×高)。

2.2.2.2 支撐平臺質量確定

角鋁的截面形狀如圖3所示。

圖3 角鋁截面形狀

根據角鋁規格選取一組參數：H=60 mm，B=60 mm，b=6 mm。查角鋁理論重量表知：該規格的角鋁理論重量為1.906 kg/m。

鋁的密度為2.7×103kg/m3，故第一層支撐平臺的重量為：

(20×2+3×2)×1.906+2.7×103×2.5×0.4×0.06×3=574 kg

(2)

第二層支撐平臺的重量為：

3×4×1.906+2.7×103×0.2×0.4×0.06×6=101 kg

(3)

第三層支撐平臺的重量為：

(2.5×4+19×2)×1.906=92 kg

(4)

因此支撐平臺的總重量為：

m2=574+101+92=767 kg

(5)

2.2.3 電液系統參數確定

支撐平臺和管道的總質量：

m=m1+m2=1299+574+101+92=2066 kg

(6)

因此總的阻力為：

F=mg=2066×9.8=20246.8 N

(7)

為保證起升過程的安全，起升速度不宜過快[6]，設支撐平臺的起升速度為v=0.3m/s；因此總的負載功率為：

P=Fv=20246.8×0.3≈6.1 kW

(8)

所以每臺電機需克服的負載功率為：

(9)

據此，同時考慮到啟動時需要消耗較大的電機功率，額定功率取得稍大，所以選取電機的額定功率為3kW。

取定滑輪直徑d=0.1m，總的負載扭矩為：

(10)

設減速器減速比為5，因此每臺液壓馬達需克服的負載扭矩為[7]：

(11)

q=nV=(288×32÷1000) L/min

(12)

選取液壓泵的排量V2=16mL/r。

因此計算出液壓泵的轉速為：

(13)

即穩定工作時電機的轉速為n1=576r/min。

綜上所述，選取型號為Y132S-6的三相異步電動機，其額定轉速960r/min，額定功率為3kW，穩定工作時轉速為576r/min，且最大扭矩為額定扭矩的2.2倍；排量為32mL/r的液壓馬達，穩定工作時的轉速為288r/min；排量為16mL/r的液壓泵，穩定工作時的轉速為576r/min；穩定工作時系統的壓力為9.9MPa。

2.3 綜合管線分段整體吊裝方案

2.3.1 吊裝方案總體結構設計

本方案提出一種新的吊裝設備系統，該設備由升降系統、支撐平臺、支撐架、輔助作業平臺、調整機構五部分組成(圖4)。

圖4 吊裝設備總體結構

綜合考慮到管道剛性差，直接起吊管道易發生變形。本方案采用支撐平臺來支撐管道，地面上的施工人員在支撐平臺上進行管道端面的法蘭連接，連接成長度為20m的管道后通過起升支撐平臺來起升管道，這樣大大降低了在空中作業的時間[8]。

支撐架起固定支撐作用，但考慮到如果支撐架的剛性太差，在起升過程中可能因為外載荷的作用而使支撐架發生傾斜，進而使管道因為傾斜而滑落。因此在支撐架的上下端安裝液壓支腿，起升作業時，液壓支腿分別頂在隧道天花板和地面上。這樣一來支撐架的剛度便有了保障。另外支撐架上還裝有用于起升的定滑輪。

液壓支腿采用電液系統來控制其伸縮，因此需要配備一個液壓泵站，液壓泵站與電機均安裝在支撐架上(圖5)。液壓支腿實物如圖6所示。

圖5 電液系統

圖6 液壓支腿

鑒于此，采用電液系統控制支撐平臺的升降，電液系統具有以下優點：(1)鎖緊力方便調節、承受負載變化沖擊；(2)易實現無級調速；(3)能夠回收支撐平臺下降能量；(4)電機功率小、系統功率密度大等。液壓馬達帶動鋼絲繩經定滑輪來提升支撐平臺，支撐平臺的四個角點均有一套液壓馬達-定滑輪系統，且液壓馬達固定安裝在支撐架上。起升過程需要注意液壓馬達的同步性，防止支撐平臺與管道發生傾斜而導致管道滑落。

輔助作業平臺為便攜式、可移動的，且具有升降功能，當管道提升到目標位置時，調整輔助作業平臺的高度，施工人員站在輔助作業平臺上進行管道的固定安裝[9]。調整機構主要用于支撐平臺與管道在平面上實現2自由度移動，便于螺栓以及管道兩端法蘭連接的準確性。

2.3.2 支撐架的結構設計

為了便于支撐架的運輸，現將支撐架設計成兩段式的，且兩段支撐架之間采用機械的連接方式，便于拆卸與組裝，連接方式如圖7所示。另外支撐架的底端裝有輪子，便于支撐架的移動。

圖7 支撐架結構設計

2.3.3 支撐平臺與調整機構的結構設計

為了減少起升的重量，降低起升電機的功率，現選擇支撐平臺的材料為鋁，并且將支撐平臺設計成框架的結構，即采用角鋁通過焊接的方式拼接在一起。調整機構用于支撐平臺與管道在平面上實現2個自由度移動，以便螺栓以及管道兩端法蘭連接的準確性。因此考慮將支撐平臺設計成三層，第一層結構設計如圖8所示。

圖8 第一層支撐平臺結構

在原有的框架式支撐平臺的基礎上增加Y方向滾輪，以實現管道在Y方向的移動。另外為實現管道在X方向的移動，考慮在圖8所示結構的基礎上再增加一層結構。第二層結構設計如圖9所示。

圖9 第二層支撐平臺結構

第三層支撐平臺設計成普通的框架式結構，主要用來放置管道，其結構如圖10所示。

圖10 第三層支撐平臺結構

上述三層支撐平臺一次堆疊，第二層放置在第一層上，第三層放置在第二層上。為了防止支撐平臺滑動，因此在第一層和第二層支撐平臺上均設有限位裝置(可折疊式的擋板)，用來限制平臺的滑動。

3 結束語

前期完成了成都地鐵5號線杜家碾車站機電安裝工程各專業綜合管線BIM模型建立，經過BIM技術優化后，得到了精確的綜合管線排布方案。在此基礎上，以20m綜合管段為單元，組合升降系統、支撐平臺、支撐架、輔助作業平臺、調整機構等機械，研發出一種新的吊裝設備系統，進行了綜合管線分段整體吊裝。保證了機電工程的施工質量，提高安裝工程整體工效，最終實現項目的綜合效益。

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