機電管線深化設計在鋼屋蓋體系一體化同步提升中的應用

吳 彪 張 恩 鄧正寧 朱玉山 廖文濤

中建三局第一建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430040

高大空間鋼屋蓋體系常規施工受設計圖紙、深化設計、專業協調、資源組織及變形控制等技術條件限制，各專業采用高空車或滿堂架進行施工。其中，屋蓋中的機電管線在鋼結構安裝完成及屋面閉水后施工，此方法在質量保障、安全防控等方面存在較大難度，且關鍵線路工序較多、施工周期長、材料運輸困難、占用場地多，影響整體質量。由于機電安裝的復雜性和綜合性，不可避免地加大了各專業之間的交叉碰撞，直接體現在施工時各專業的相互制約，增大了施工難度，降低了施工效率[1]。

為了實現機電管線隨鋼結構一體化同步提升，本文依托珠海國際會展中心二期項目，分析了基于一體化提升的機電管線變形情況，進行了綜合管線分層、走向、節點的深化設計，并研究了綜合管線模塊化快速建造，大大降低了機電安裝施工難度，達到提高成形質量、縮短工期、降低安全風險的目的。

1 工程概況

珠海國際會展中心二期項目二標段地處澳門與珠海交界的十字門CBD，集高端會展、會議及宴會功能為一體，是珠三角功能最完善、配套最齊全、設施最先進的專業場館之一。展廳采用國內首創的上下2層72 m大跨鋼箱梁疊加布置，為典型的大跨重載結構。

本項目展廳全部采用鋼箱梁＋小梁的形式。通風及空調系統主要包括空調水系統、空調風系統、通風系統；消防系統主要包括消防水系統、火災自動報警系統、氣體滅火系統、防排煙系統。鋼屋蓋下方共有風管系統管線35條，共計1 750 m2；消防水管系統主管8條，共計545 m；機電管線位于鋼箱梁下弦次梁下方，最高安裝高度達37 m。

2 機電管線深化設計工作要求

在不更改原設計系統的前提之下，對管線進行平面、豎向的優化排布，以期達到經濟、美觀、實用的統一[2]。項目需制定詳細的BIM深化設計圖紙及出圖計劃，初步設計由總承包審核、協調、修改，圖紙送監理、建設單位審核[3]。通過總承包深化設計管理，確保圖紙及時深化設計和確認，保證深化后的圖紙具有如下特點。

1）可操作性：具備在施工現場的可操作性，以便對現場施工進度進行控制。

2）具體化、明細化：圖紙設計更完善，明確土建及其他相關單位的工作范圍，為配合交叉施工提供有利條件。

3）完善、優化原設計：滿足原方案設計技術要求，并對條件圖或原理圖進行細化、補充和完善。

4）設計集成、一體化：能夠盡可能在同一部位進行多專業工程一次施工，減少不同專業之間的交叉影響或因獨立施工造成的半成品破壞，同時縮短施工工期。

3 基于一體化提升的機電管線變形分析

3.1 消防水管變形研究

采用Midas Gen有限元分析模擬計算消防水管隨鋼箱梁變形情況如圖1、圖2所示。根據計算結果可知，節點間（消防管每6 m一節）最大位移相差為10.5 mm，消防水管最大應力30.5 MPa，小于Q235鋼材的屈服強度205 MPa。

圖1 消防管應力云圖

圖2 消防水管位移曲線

針對消防水管的變形，作出如下控制措施：

1）根據鋼箱梁變形曲線，在跨中設置可撓性金屬軟連接件點，并在主管地面安裝時預留后裝。

2）在鋼箱梁提升就位、卸載完成后，進行可撓性金屬軟連接件安裝，并在金屬軟接頭的一側設置固定支架固定（圖3）。

圖3 消防水管連接處安裝示意

3.2 風管變形控制

根據GB 50243—2016《通風與空調工程施工質量驗收規范》，明裝水平風管安裝時，水平度的允許偏差為0.3%，總偏差不應大于20 mm。本次吊裝的風管最長為24 m，經計算總偏差為72 mm，大于20 mm。故按照不大于20 mm偏差控制。因風管在鋼梁脫模并提升2.0 m懸停后安裝，此時鋼梁已充分變形，風管僅考慮自身變形即可。

深化設計時，展廳風管由兩側功能房間向展廳送風。為了減少單根風管長度，使其控制在24 m以內，將風管在鋼梁跨中斷開，安裝時通過調整支架間距及支架水平度控制風管變形。

4 機電管線深化設計

機電管線深化時，對各專業進行疊加并調整形成綜合管線平面圖后，圖中一些管線較為密集區域，僅靠平面圖表示不清時，應繪制剖面圖，在剖面圖中各種管道、線槽要按比例繪制[4]。

4.1 綜合管線分層走向深化設計

鋼屋蓋一體化提升前機電管線安裝周期短，屋蓋底下機電管線復雜，任務重。項目采用BIM對整個鋼屋蓋及機電管線進行BIM建模，并對原有機電管線進行優化，從而減少管線與管線之間，管線與鋼結構之間的交叉碰撞。

根據一體化提升機電管線變形情況，基于鋼梁變形模型將管線分3層布置：

1）最上層布置噴淋主管，噴淋支架置入大梁內。

2）第2層布置相應的電氣橋架。

3）第3層平行布置新風和防排煙管道。

通過合理的管線綜合排布，達到減小管線占用構筑物預留空間，滿足大空間、管線凈高要求，且方便安裝，易于調試、檢修及確保與鋼梁連接牢固可靠（圖4、圖5）。

圖4 模型排布整體三維示意

圖5 機電管線分布示意

根據一體化同步提升的需要，利用BIM優化機電管線排布走向，將風管、排煙管及消防管在區段內沿主梁方向布置于下弦次梁下方，風管、排煙管在跨中處斷開，區段間僅設1道消防管連接接口，最大程度地減少一體化同步提升鋼梁變形對機電管線的影響。

4.2 機電管線節點深化創新

4.2.1 基于快速安裝的支架體系深化設計

由于展廳屋面屬于鋼結構屋面，機電管線支架不允許與鋼結構進行焊接或者鉆孔連接。項目結合鋼結構上下弦次梁特有屬性，利用BIM技術精準定位，繪制符合項目特色的機電管線支架（雙槽鋼對夾式支架），并交付加工廠進行提前預制，最大程度地縮短后期機電管線安裝時間（圖6、圖7）。

圖6 消防主管支架示意

圖7 風管支架安裝俯視示意

4.2.2 噴淋支管連接節點設計優化

由于規范要求噴頭與樓板的間距為75～150 mm，噴淋支管須置入大梁內部。根據現場鋼梁的設計特點，鋼次梁每跨間距2 750 mm，符合規范中危Ⅱ級噴頭間距要求。項目利用BIM深化設計將噴淋支管移動至次梁邊，將上噴的固定支架設置在上弦次梁邊，既滿足規范要求，也便于固定噴淋支管，同時還節省施工成本，為一體化同步提升創造了有利條件（圖8）。

圖8 設計優化后噴淋點位示意

4.3 綜合管線模塊化快速建造

4.3.1 噴淋管道模塊化快速組裝

根據BIM模型布置，噴淋系統管道按次梁拆解成若干個模塊后預制加工，利用BIM-FC軟件提取各管段加工清單，分系統編號，進行預制化加工及裝配（圖9）。

圖9 消防系統BIM模型

模塊化預制加工控制重點在于模塊化設計。模塊化設計應根據BIM模型布置，將一整跨的噴淋系統管道按次梁拆解成若干個模塊，每一榀次梁的噴淋水管作為一個模塊。確定模塊組成后預制加工管段，通過繪制模型，利用BIM-FC軟件提取各管段實際數據并繪制成加工清單，然后分系統編號，達到預制化加工及裝配目的。

4.3.2 風管模塊化快速組裝

項目采用場外預制，現場拼裝的方式進行風管安裝。通過BIM技術將風管分成若干段，并進行編號，利用數字加工基地對分段風管進行預制加工后運至現場進行拼裝。項目根據深化圖紙創造性地提出“導軌定位”管線安裝法，實現風管6 h快速組裝。所謂“導軌定位”管線安裝法就是將導軌中心與圖紙上管線中心線精準定位，用推車將場外預制完成的機電管線精準地運送至指定地點，工人只需要將管線上抬至設計標高，封閉管線底部支架，即可完成整項工作流程。隨著多條軌道的運輸推車一節節地運輸卸貨，施工班組效率成倍提升，輕而易舉地在短時間內完成整條機電管線的拼裝工作（圖10、圖11）。

圖10 風管剖面示意

圖11 “導軌定位”管線安裝

5 結語

為實現機電管線隨鋼結構一體化同步提升，項目對鋼屋蓋整體提升的機電管線進行了深化設計，從而有效保障了機電管線綜合排布，確保了成形質量。為實現機電管線快速安裝，項目利用“導軌定位”法進行管線安裝，累計完成85 t鋼屋蓋機電管線安裝，最大程度地減少了后期管線安裝的時間，節省了人力、物力，具有較好的綜合效益。