特大型垃圾發(fā)電廠房曲面裝配式施工關鍵技術研究與應用

劉永路

中國機械工業(yè)機械工程有限公司 河南 鄭州 450051

1 項目簡介

圖1 深圳市東部環(huán)保電廠效果圖

深圳市東部環(huán)保電廠項目選址用地位于深圳市龍崗區(qū)，廠區(qū)總用地面積約26萬㎡，建筑面積約186144㎡。該垃圾發(fā)電廠建成后，可用作東部環(huán)保電廠的灰渣綜合利用及處置場，將是全球單廠規(guī)模最大、標準最高的垃圾焚燒發(fā)電廠，預計每天可以處理約5000噸垃圾，每年將可處理深圳市2000萬居民年垃圾總量的1/3。綜合主廠房透空圍護區(qū)域設置外部圓形透空圍護結構，將卸料平臺、垃圾池、鍋爐、除渣間、汽機房、煙氣凈化設施、引風機等六條焚燒線的主生產(chǎn)線均布置在其中。截止目前屬全球最大垃圾焚燒電廠，落成后有效將生產(chǎn)、辦公、生活、教育、旅游結合一起，形成“五位一體”綠色垃圾焚燒電廠，此項目總體造型是由母線傾角74°的圓錐體削去尖角形成，底部平面為直徑326m的圓形，屋面直徑294.2m，坡度為4°。煙囪處為屋面最低點，高度為45.16m；屋面最高處標高65.74m。屋面網(wǎng)架為正方四角錐單層口空網(wǎng)架結構，由弦桿、腹桿、焊接球和螺栓球連接組成[1]。

2 項目研究內容與目標

1、依托深圳市東部環(huán)保電廠項目對超大型異形曲面工業(yè)廠房測量技術；利用現(xiàn)場三級控制測量點，對大型工業(yè)廠房的關鍵節(jié)點進行準確測量定位，實時數(shù)據(jù)反饋到三維模型中，然后利用三維模型進行精準下料生產(chǎn)，保證現(xiàn)場的安裝精度。

2、利用三維建模標準化拆分下料和工廠化預制加工技術；三萬多米的非標準三角百葉金屬幕墻異形構件通過三維建模和標準化拆分成22個通用尺寸構件，通過工廠化預制加工生產(chǎn)實現(xiàn)批量生產(chǎn)。利于提前加工制作，極大的縮短了工期，減少了場地占用時間，并大大減少了材料損耗和構件出錯率。

3、裝飾構件裝配式安裝技術；通過現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)與理論模型數(shù)據(jù)核對，利用金屬幕墻檁條安裝進行尺寸調整，使22個標準化生產(chǎn)的金屬幕墻構件可以順利裝配式安裝，節(jié)約了工作效率。

4、解決大型工業(yè)廠房去工業(yè)化建設過程中異形裝飾結構的設計和安裝技術，通過三維建模技術、現(xiàn)場檢測技術和標準化加工預制技術，將異形金屬裝飾構件標準化施工，本課題的研究為以后的工廠去工業(yè)化類似項目提供技術指導，其綜合效益顯著。

3 異型網(wǎng)架結構主控分析

目前深圳市東部電廠項目異形曲面結構是國內最大透空網(wǎng)架結構，金屬幕墻+側墻桁架的三角弧面百葉+屋面環(huán)形跑道+通風百葉+虹吸系統(tǒng)+BIPV光伏系統(tǒng)的組合形式和連接構件模塊化安裝的設計理念。根據(jù)項目實況特點進行設計，設計過程中綜合考慮在施工過程中的各種不確定性和施工過程的累計超差，在結構檁條與百葉安裝定位排版、分區(qū)以及連接方式等方面都結合網(wǎng)架結構特點進行工藝布局。使得在實際安裝三角弧面百葉時順利的實現(xiàn)設計要求，確保后期建筑裝飾視感要求。整個項目中側墻系統(tǒng)三角弧面百葉8250塊，覆蓋面積65000m2，弧形檁條1550噸，拉伸網(wǎng)35000m2，屋面板28000m2，BIPV光伏面板30000m2，環(huán)形跑道+綠化11000m2，通風百葉33500m2。將預制好的板塊構件通過各自的連接系統(tǒng)，自下至上形成流線型拋物線曲面裝飾結構。

4 主要創(chuàng)新點

4.1 金屬幕墻裝飾面設計

由于內部鋼結構主框架造型所致，該項目金屬側墻與屋面女兒墻處進行分割。按標準來劃分就是水平面與側墻母線傾角74°為建筑結構幕墻，屋面斜切椎體平面為屋面裝飾結構。本工程金屬幕墻與屋面從節(jié)點設計到強度計算以及材料使用有很大差異。為確保項目安全性和功能性，項目部在結合現(xiàn)場實況進行了整體的深化設計，從側墻到屋面進行了整體布局和各節(jié)點控制，將其有機結合在一起，以達視感效果呈現(xiàn)。如何控制網(wǎng)架結構幕墻造型，實現(xiàn)建筑裝飾效果，是此項目的關鍵。以往的施工過程中常常通過常規(guī)圖紙方式表達立面圖、平面圖、節(jié)點剖面等，并不能給人立體效果呈現(xiàn)以及準確表達異形結構幕墻的施工要求和設計預想。建筑幕墻設計是由設計院提供的Catia三維犀牛模型。三角弧面百葉外觀裝飾模塊的定位與規(guī)格完全按照模型進行深化設計，所有定位節(jié)點數(shù)據(jù)都需要和設計模型進行核對。三角百葉與內部結構支撐檁條成斜45°布局，每2°布設一條，整個外觀成弧面拋物線形態(tài)。

4.2 外觀裝飾三角弧面百葉模塊

透空維護造型是以一定角度截斷的錐形形體，它是基于主廠房區(qū)域內各個建筑物的幾個形狀而來，立面的這種動態(tài)和標志性的開敞性圍擋能為內部設備裝置提供一個開放的氣候模式，與此同時限定出一個穩(wěn)固和簡單的建筑形體，側墻外立面在不同位置，不同角度，不同距離觀察，都有豐富的視覺變化。從正面觀察，紅赭色三角百葉構成的造型螺旋上升形成開敞式的立面圍擋。紅赭色涂層是經(jīng)特殊設計的防污染和自潔涂層，提供自潔和易于維護的表面。根據(jù)幕墻裝飾三角百葉的構造特點，開發(fā)出一套特殊的制作系統(tǒng)，面板采用具有自潔功能的鋅鎂合金板，將受力結構龍骨包裹在內部形成一個整體，通過對三角百葉弧面的斜平面安裝分析，將三角百葉規(guī)整為不同長度的截面模塊與內部弧面檁條進行過渡，整體形成拋物線均勻弧形狀態(tài)。這樣既能體現(xiàn)整個外觀設計效果，同時兼顧風載荷、衡荷載以及溫度荷載，有效降低型材板材的造價，簡化加工工藝和施工工藝，從而使幕墻的視覺效果輕盈簡潔[2]。

4.2.1 節(jié)點安裝方法

以側墻為例，先對各個位置上的三角百葉進行弧面半徑曲率分析，每塊三角百葉除了滿足自身的性能要求外，還能確保順利安裝，而且每一塊都在一個方向上進行搭接。如果使用常規(guī)做法，無法滿足百葉更換需求。因此在深化設計時考慮上塊與下塊安裝設置20mm間隙進行對縫安裝，保證順利安裝的同時還能便捷更換其他單元百葉，易于角度調整和檢修。從分析結果上確定下道三角百葉與上道百葉之間轉角過渡數(shù)據(jù)，形成圓滑過渡。百葉構件模塊外觀裝飾呈半弧形紅色鋅鎂合金板和內部龍骨模具，板面成弧形，側面為不規(guī)則三角形的模塊，在加工廠提前預制成各式百葉模型：3989*1200*400mm、3970*1200*400mm、3951*1200*400mm等共計11種規(guī)格型號三角曲面結構的百葉構件，模塊化安裝在側墻結構上，與內部主檁條成交叉菱形結構，在不同部位所拼裝成弧線曲面形態(tài)。百葉的定位和規(guī)格選取在百葉吊裝過程中基于三維建模，在BIM軟件下進行虛擬吊裝建模，以往傳統(tǒng)建模工作量極大，本項目采用基于數(shù)據(jù)驅動參數(shù)化的建模技術，能夠快速精準完成對結構模型的建模。由于三角百葉屬于外觀裝飾成品，又是不規(guī)則形狀，安裝時對成品保護的要求也極為嚴苛，為此專門設計工裝夾具，通過犀牛軟件進行吊裝模擬，保證順利安裝。

4.2.2 外裝檁條定位

整個側墻桁架由105榀豎向桁架，594榀水平桁架組成，最大截面尺寸為P550*28mm，按三維模型進行設計控制，79個軸線均勻布置。側墻桁架由豎向桁架及水平桁架組成，整體向圓心傾斜角度74°，頂部與屋面網(wǎng)架連接，豎向桁架寬度為3.1m～3.6m，水平桁架從下到上共10層，桿件最大截面為P550*28mm。基于Rhinoceros軟件建模進行三角百葉主檁條布局，百葉主檁條與側墻桁架隨著高度與跨度的不同，對載荷大小、節(jié)點形式、平面形狀、支撐情況及起拱等因素有著重大關系。通過BIM軟件進行荷載受力分析計算。三角百葉斜檁條與側墻桁架成45°夾角，360°圓周每2°布置一條檁條，整圈共計布置180條。檁條上的柱腳檁托與三角百葉底座優(yōu)先場內預制，批量化生產(chǎn)，節(jié)省安裝工期。節(jié)點的選擇直接影響整個曲面結構的工作性能、安裝質量及工程造價。在檁條布置設計時，應滿足功能可靠、構造簡單、加工安裝便捷且節(jié)約材料的條件下選擇合適的節(jié)點。

4.2.3 三角百葉內側拉伸網(wǎng)節(jié)點布置

確定三角百葉安裝位置后，內部鋁制拉伸網(wǎng)的定位顯得更加重要，拉伸網(wǎng)的的精準定位與否直接影響到整體成型裝飾效果。考慮此裝飾工程造型多變，桁架軸線較多以及主結構屬于非標結構定位困難等各種因素，在BIM軟件上進行模擬。現(xiàn)場作業(yè)人員只需按圖紙檁條編號按深化設計提供的坐標來安裝檁條，每個檁托焊接點都有一個坐標表達，基于三角百葉與檁條上已安裝的定位底座坐標高度吻合，每條結構檁條附著在主體結構上，結構檁條角度的安裝精度直接影響三角百葉裝飾面和內部拉伸網(wǎng)的安裝精度，每個部位的結構件務必按設計定位點進行安裝，否則無法保證外觀整體的協(xié)同性。

4.2.4 鱗狀外觀裝飾拉伸網(wǎng)安裝工藝

①鋁合金拉伸網(wǎng)尺寸為統(tǒng)一規(guī)格，局部與百葉制作交叉部位收口處的異型拉伸網(wǎng)則需要結合現(xiàn)場實際情況，通過1:1建模，排版后特殊加工。

② 利用多種測量方法與測量工具對百葉間距、鋁合金拉伸網(wǎng)板面、平行板面與板間縫隙成線性控制，力圖滿足滿足施工規(guī)范以及觀感要求。

③為便于拉伸網(wǎng)邊與邊框之間銜接緊密，先將裝飾拉伸網(wǎng)在BIM模型圖上進行排版，設置關鍵點以及固定方式確定。圖紙與現(xiàn)場校核的方法，結合水準儀、全站儀等多種測量工具，對拉伸網(wǎng)進行粗排和精排。確保安裝尺寸準確，精排后出具準確的排版圖，通過平面圖的控制劃分拉伸網(wǎng)之間的定位信息，保證每一塊的安裝定位都在受控范圍內。

④ 先將鋁合金拉伸網(wǎng)與主檁方向一致斜45°固定在三角百葉肋板上，安裝過程中長邊間隙貼緊，自攻絲固定在角鋼內側。短邊通過利用U型鋁合金轉接件將拉伸網(wǎng)與百葉底部肋板進行角度調整，達到鋁合金拉伸網(wǎng)的安裝設計要求為準。槽型鋁合金轉接件的定位安裝是施工過程中的主控項目，否則直接影響后續(xù)拉伸網(wǎng)的穩(wěn)定性和安裝效果。

⑤ 異型部位鋁合金拉伸網(wǎng)板面的安裝，針對三角百葉底座交叉局部位置的收口節(jié)點處，采用現(xiàn)場切割加工方式，對整塊拉伸網(wǎng)安裝后留存的收口板每塊進行單獨放樣，通過CAD繪制節(jié)點大樣。進行二次批量化加工，配套進行安裝施工，對局部少量臨時調整的異型切口板塊。

5 現(xiàn)場施工中的應用

本在項目現(xiàn)場施工階段中，引入深化后的BIM進行指導現(xiàn)場安裝，極大的提高現(xiàn)場技術人員的工作效率，提高施工正確率，降低工作難度。具體表現(xiàn)為以下幾方面：

5.1 協(xié)助安裝

超大型異形曲面工業(yè)廠系統(tǒng)鋼結構布局復雜，分層頻繁，少量的平面布置圖很難表達清楚，而圖紙?zhí)鄬κ┕と藛T來時又是個較重的負擔，利用現(xiàn)場三級控制測量點，對大型工業(yè)廠房的關鍵節(jié)點進行準確測量定位，實時數(shù)據(jù)反饋到三維模型中，利用三維模型進行精準下料生產(chǎn)，保證現(xiàn)場的安裝精度。將BIM模型引入現(xiàn)場進行指導安裝，極大方便施工。并且可以對前期排料，構件編號的提取，現(xiàn)場材料的查找，構件的定位都可以通過該軟件篩選和查找，提高安裝效率，節(jié)省人工、機械、材料成本。

5.2 主題結構安裝配合

金屬裝飾幕墻安裝前期，通過和主結構BIM模型的相互配合，可及早確定和金屬幕墻裝飾結構的連接關系。如是否需要增加后植構件施工，是否需要對三角百葉底板進行避讓，確定百葉底座與拉伸網(wǎng)的安裝形式及標高，通過三維坐標系確定拉伸網(wǎng)與百葉底座交叉安裝的預留量，提前預判，避免批量返工。

5.3 變更調整

當側墻桁架女兒墻系統(tǒng)因需要按業(yè)主的要求或者主結構存在安裝偏差進行更改時，鋼結構女兒墻及勁平板也要隨主廠房結構流程做出相應調整。為了方便及時準確地完成變更，首先可在BIM模型中進行調整，配合其他專業(yè)的模型，調整出可行的方案后按照模型進行材料提取和安裝，一次到位，避免重復施工，隨后在模型中進行調整后，為最終結算做準備，同時也極大降低高空作業(yè)所帶來的安全風險[3]。

5.4 進度控制

根據(jù)現(xiàn)場安裝進度對BIM模型進行節(jié)點標識，隨時統(tǒng)計現(xiàn)場的施工進度，基于軟件查詢方便，隨時能查取安裝的工作量，控制現(xiàn)場施工進度，對人材機合理調配入場時間，準確切入，合理規(guī)劃施工工期。

6 結語

本文主要闡述了解決大型工業(yè)廠房去工業(yè)化建設過程中異形裝飾結構的設計和安裝技術，通過BIM三維建模技術、現(xiàn)場檢測技術和標準化加工預制技術，將異形金屬裝飾構件可以進行標準化施工，使得現(xiàn)場安裝精度大大提高、節(jié)約了調整就位時間、避免重復施工、降低了高空作業(yè)安全風險、保證了金屬幕墻整體穩(wěn)定性、功能性，大大減少吊裝作業(yè)頻次。在人、材、機等方面得到有效節(jié)約，為以后的超大型工廠去工業(yè)化類似項目提供技術指導，其綜合效益顯著，應用前景非常廣闊，對于類似的工程有著較好的借鑒作用。將碳中和，盡早實現(xiàn)達峰，快速減排，為全面中和助力。