中老鐵路磨丁站網(wǎng)架施工BIM技術(shù)應(yīng)用

文｜中國鐵路國際有限公司 周亞宇

1 工程概況

中老鐵路北起云南省昆明市、南至老撾首都萬象，全線1035 公里，是中國“一帶一路”倡議與老撾“變陸鎖國為陸聯(lián)國”戰(zhàn)略對接的重要項目。(如圖1所示）

圖1 中老鐵路分布圖

磨丁站是中老鐵路的重要組成部分，位于老撾磨丁經(jīng)濟(jì)特區(qū)北部，是從中國進(jìn)入老撾的第一座鐵路站房，站房建筑面積6500 平方米，設(shè)計規(guī)模2 座站臺4 條軌道。（如圖2所示）

圖2 磨丁站效果圖

磨丁站屋蓋采用四角錐螺栓球鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架總長145m、寬53m，中部設(shè)有一個雙坡尖頂，正立面尖頂兩側(cè)設(shè)有兩個小型尖頂，側(cè)立面采用雙坡屋面設(shè)計，網(wǎng)架桿件主要規(guī)格φ180x12、φ159x12、φ140x4、φ88.5x4 等，螺栓球規(guī)格為φ350、φ280、φ180 等，螺栓規(guī)格為M56、M39、M30 等，網(wǎng)架支座為抗拉球形固定鉸支座，磨丁站螺栓球網(wǎng)架布置圖（如圖3所示）。

圖3 磨丁站站房屋面螺栓球網(wǎng)架效果圖

網(wǎng)架分布于1～17 軸范圍，其中1～3、15～17 軸主體結(jié)構(gòu)高5.35m，3～5、14～15 軸結(jié)構(gòu)高10.5m，網(wǎng)架下弦標(biāo)高14.315m，網(wǎng)架高度3.3m。

2 網(wǎng)架施工方案選擇

通常結(jié)構(gòu)跨度越大，其自重也會越大，減輕結(jié)構(gòu)自重是實現(xiàn)大跨度結(jié)構(gòu)的必備條件，鋼材強(qiáng)度高、自重輕[5]，而螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)尤其適用于大空間結(jié)構(gòu)。

螺栓球網(wǎng)架常用方法主要有高空散拼法、整體頂升或提升法、整體或分塊吊裝法。

網(wǎng)架施工前，磨丁站站房正立面外側(cè)7～17 軸為寬15m、深12m 的排洪渠，背立面為站臺雨棚，站房背立面及正立面6～17軸外側(cè)無法停靠施工設(shè)備，網(wǎng)架施工前已完成其他站房主體鋼筋混凝土施工。

整體施工法及分塊吊裝法均需要占用大量場地，而且在本項目中應(yīng)用時并不會節(jié)約工期，再綜合考慮現(xiàn)場環(huán)境因素，本項目中高空散拼法更為方便、快捷，因此選擇高空散拼法施工。

根據(jù)本工程特點，14～15 軸場地較小；8～9 軸腳手架搭設(shè)高度大、耗時長；1～3、15～17 結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高5.35m，腳手架搭設(shè)高度約9m；3～5 軸混凝土結(jié)構(gòu)板標(biāo)高10.5m，搭設(shè)4m 腳手架即可滿足施工需求，所需腳手架用量最少，4 個方向均可停放吊車，施工場地足夠材料鋪開存放，且有足夠多小拼單元拼裝場地，因此最終確定從3～5 軸開始進(jìn)行高空散拼，3～5 軸拼裝完成后拼裝3～1 軸和5～17 軸網(wǎng)架。(如圖4所示)

圖4 磨丁站站房網(wǎng)架布置圖

3 方案分析階段BIM 技術(shù)應(yīng)用

通常設(shè)計單位對結(jié)構(gòu)的分析是在建立整體結(jié)構(gòu)模型之后，同時施加荷載來進(jìn)行的。但實際上建筑是分區(qū)分部進(jìn)行施工的，且即使是相同的部分也會存在施工順序和加載條件的不同。施工工況下的結(jié)構(gòu)體系和原設(shè)計狀態(tài)結(jié)構(gòu)體系的不同，會導(dǎo)致原設(shè)計分析結(jié)果與施工期間實際結(jié)構(gòu)效應(yīng)存在差異。當(dāng)結(jié)構(gòu)體系隨工程進(jìn)度而變化時，構(gòu)件的內(nèi)力處于動態(tài)調(diào)整階段，其最大變形和應(yīng)力有可能發(fā)生在施工階段，因此為了預(yù)測施工階段的變形和應(yīng)力變化，進(jìn)行施工階段分析是十分必要的[6]。本案例采用有限元軟件MIDAS 對鋼結(jié)構(gòu)的施工全過程進(jìn)行模擬分析。

結(jié)構(gòu)采用臨時支撐進(jìn)行安裝，臨時支撐頂部支撐于網(wǎng)架下弦球，臨時支撐布置位置。（如圖5所示）在計算模型中，臨時支撐位置采用鉸接約束。（如圖6所示）

圖5 臨時支撐布置圖

圖6 計算模型邊界條件

3.1 施工工況選擇

根據(jù)施工流程，取最具代表性的施工階段進(jìn)行計算，分別選取了cs1 和cs2 共2 個安裝施工工況，工況過程：（如圖7、8 所示）。

圖7 工況cs1（網(wǎng)架施工至一半的工況）

圖8 工況cs2（網(wǎng)架施工完成的工況）

3.2 施工工況計算結(jié)果

（1）結(jié)構(gòu)變形（如圖9、10 所示）。

圖9 工況cs1 豎向變形（mm）

圖10 工況cs2 豎向變形（mm）

（2）主結(jié)構(gòu)應(yīng)力（如圖11、12、表1所示）。

圖11 工況cs1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力（MPa）

圖12 工況cs2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力（MPa）

表1

（3）從各工況的計算結(jié)果可看出：

鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的最大豎向變形26mm<101.75（L/400）[1]，鋼構(gòu)件最大應(yīng)力為80MPa<305MPa[2]，撓度及桿件內(nèi)力均處于設(shè)計和規(guī)范允許范圍內(nèi)。

4 深化設(shè)計階段BIM 技術(shù)應(yīng)用

施工詳圖設(shè)計階段，將設(shè)計院提供的計算模型導(dǎo)入SFCAD 形成網(wǎng)架整體詳圖模型，在模型中定義桿件規(guī)格及螺栓球規(guī)格，并通過SFCAD 形成構(gòu)件圖，顯示桿件下料長度、螺栓球切面位置及角度等信息，最終形成單桿件、單球的準(zhǔn)確的加工詳圖，同時導(dǎo)出了相關(guān)材料表[4]。

5 施工準(zhǔn)備階段BIM 技術(shù)應(yīng)用

方案確定后，采用REVIT 軟件進(jìn)行建模，對施工方案、流程進(jìn)行模擬，確定合理的施工順序和吊裝時的小拼單元規(guī)格，之后使用流程模擬配合方案交底及安全、技術(shù)交底，施工流程模擬[3]。（如圖13所示）

圖13 施工流程模擬圖

6 網(wǎng)架高空散拼技術(shù)實施效果

本工程網(wǎng)架為螺栓球網(wǎng)架，施工流程確定為：腳手架搭設(shè)→A/3～5 軸支座安裝→由2 至4 根桿件及一個螺栓球組成小拼單元→由A 軸向F 軸方向安裝3～5 軸網(wǎng)架→安裝3～1 軸網(wǎng)架→安裝5～17 軸網(wǎng)架，現(xiàn)場安裝流程。（如圖14所示）

圖14 磨丁站站房屋面螺栓球網(wǎng)架實施流程

7 結(jié)語

中老鐵路磨丁站螺栓球網(wǎng)架采用BIM技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計和施工流程演示，采用高空散拼方法安裝，很好的克服了場地狹小、大型設(shè)備有限的問題，是很成功的網(wǎng)架高空散拼案例，為其他類似工程施工提供了參考和經(jīng)驗。根據(jù)工程特點和環(huán)境特征，選擇最適合的施工方法，才可以有效的控制施工成本，確保施工過程中無安全和質(zhì)量事故，創(chuàng)造了良好的社會效益。