大跨度双曲钢结构网架施工仿真
赵延章
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赵彦章. 大跨度双曲钢结构网架施工仿真[J]. 金属世界, 2024(4): 89-97. DOI: 10.3969/j.issn.1000-6826.2023.07.2101
内容
济宁大安机场屋顶航站楼钢网架造型奇特、跨度大、杆件种类繁多、结构形式多样，施工难度大：大体积构件在运输过程中的防撞难题；网架在顶升、卸载过程中受力复杂；单元组合误差控制水平高；液压单元同步顶升技术难度大；现场温度、网架下部支撑结构沉降收缩、人为及施工条件等因素对变形监测的准确性提出了严峻挑战。通过本项目实践研究，形成了大跨度双曲钢结构网架施工技术体系，成功解决了复杂钢网架安装面临的施工难点，取得了良好的社会效益和经济效益。
随着我国钢结构行业的快速发展，钢网架以其造型新颖、施工周期短、节能减碳等优势，在机场、高铁站、体育馆、火电厂等各类建筑中逐渐得到推广使用。目前，国内对钢网架安装技术的研究较多，针对超长、大跨度钢结构网架，提出了累积顶升滑移施工技术和连续拼装整体顶升施工技术，同时对基于建筑信息模型（BIM）的异形双曲钢结构屋面空间进行了数值模拟和优化分析。本文通过借鉴类似经验，对济宁大安机场航站楼钢网架工程进行研究，形成从运输到吊装全过程的施工管理体系，主要包括：基于“前期模拟、过程监控、实时回顾、专项突破”的施工方法；基于BIM技术的施工模拟、碰撞检查及力学软件验证方法；采用数字监测设备、点云扫描仪、无人机、全站仪等工具对网架拼装过程进行实时监控和修正，并对现场监测数据进行实时复核；大跨度钢网架吊装定位技术、钢结构网架焊接支撑技术、网架结构建筑物变形监测技术、网架铺设激光测距技术。该施工管理系统保证了网架的安装进度和运行安全，缩短了工期，降低了成本，可为同类型钢网架的安装施工提供借鉴经验。
1、双曲钢网架结构施工方法
航站楼钢网架造型奇特、跨度大、杆件种类繁多、结构形式多样，施工中一旦出现质量问题，整改难度和成本很高，亟待研究新的施工体系指导施工，保证安装验收合格率，提高经济效益。通过广泛调研，提出了“事前模拟、过程监控、实时复核、专项突破”的钢结构网架施工方法。
前期模拟：通过基于BIM的施工模拟、力学分析、碰撞检查、材料统计及导出等技术手段，预测现存的技术问题。
过程监控：利用专业数字监控设备接入信息综合处理平台，结合无人机、定点监测、全站仪等辅助设备，对现场过程进行实时监控；
实时审核：由于现场环境及人为干扰因素较多，为保证准确性，制定实时审核策略，细化施工单元，实时修正。
专项突破：重点攻克双曲钢格栅金属屋面拼装吊装过程中的同步吊装控制难、高空焊接作业难、格栅空中对接难等一系列难点、关键问题。
该施工方法注重全过程控制，研究提出施工前、施工中、施工后的技术控制措施，可有效降低电网返工率和材料损失，保证电网施工质量和进度，具有显著的社会效益和经济效益。
2基于BIM的施工仿真技术
航站楼网架采用液压单元顶升技术施工，涉及到网架地面精准拼装定位、球杆材料位置快速确定、特殊区域节点受力分析、焊接拼装工艺优化、杆件碰撞及空间位置分析等一系列亟待解决的施工难题。
为了快速高效地解决以上问题，采用基于BIM的施工仿真技术，结合Revit、Tekla、Rhino、Abaqus、Midas等一系列工程建模及力学分析软件，对网架整体施工过程进行建模模拟，求解精准定位、受力分析、材料分析、工艺优化、碰撞模拟、施工模拟，在模型中完成问题发现与解决过程。
2.1 BIM运输模拟
航站楼钢网架结构构件采用工厂预制，为防止运输过程中损坏，保证其稳定性，我们联合钢网架专业分包商、预制厂利用BIM技术钢结构周期折减系数，进行运输模拟建模，确定最优方案。联合运用Revit、Lumion等软件对运输方案进行建模模拟（图1），并对运输到项目的材料进行评审验证（图2），得出最优运输方案。
图1 桁架构件及焊接球成捆运输仿真：(a)焊接球装箱仿真；(b)桁架构件成捆运输仿真；(c)焊接球箱体成捆运输仿真；(d)散装桁架构件装箱运输仿真
图2 焊接球组件现场验收
2.2 节点有限元力学分析
机场航站楼屋面采用的钢网架结构形式多样、受力复杂，通常的受力计算方法已不再满足实际需要。针对此问题，针对典型、特殊区域节点，特别是大跨度网架的跨中下沉值、网架柱支撑体系、网架受力杆节点进行建模，采用Midas、Abaqus等有限元力学分析软件对结构进行分析，对区域节点进行精确计算，使得网架从地面组装、分段顶升到支撑卸载全过程的受力满足相关规范和材料力学性能要求。
对特殊、典型位置的杆件进行力学软件断裂分析，确定杆件受力是否满足要求。对不满足杆件力学性能要求的位置在BIM模型中进行标记，并在施工过程中对BIM模型中标记的部位进行调整或加固。
2.3 表面有限元力学分析
利用Midas对网架块体单元进行力学建模与应力分析，重点分析对比顶升框架卸载前后该区域的应力情况，形成网架卸载前后结构变形云图、杆件应力云图，计算网架卸载过程中结构构件最大组合应力比（表1），均满足标准GB50017-2003《钢结构设计规范》的要求（<1.0）。
表1 四机组提升区不同工况验证
经计算，卸载后网架各区域各结构最大位移为22.2mm，满足标准GB50017-2003《钢结构设计规范》（<72mm）的要求及构件安装精度的要求。
经云图计算可知，卸载过程中结构构件最大组合应力为65.2 MPa(表2)，小于Q235材料的设计强度，满足规范的要求。
表2 各分区网格卸荷变形最大位移及应力值
2.4 仿真提升及验证
钢网架结构顶升是钢网架屋面拼接安装技术中的重点难点问题，采用BIM+思维，除利用BIM软件建模进行顶升模拟外，还利用无人机、全站仪、专业平衡分析仪、顶升同步仪等在现场进行同步验证，确保钢网架顶升顺利进行。
如图3所示，模拟钢网架整体提升的步骤如下：
图3 单元电网建设项目BIM全仿真
（1）利用BIM软件虚拟搭建装配式平台，明确砌体框架基础与钢管的连接组合；
（2）模拟下弦球装配架的定位与放置；
（3）模拟测量定位焊接球体的焊缝方向、球体内部筋板的安装方向及球体中心的坐标，并固定在装配架上；
（4）模拟构件定位、下弦构件安装、折线构件安装、马道、支撑梁、走道板安装至上弦构件与构件焊接的过程。
通过BIM模拟顶升验证技术钢结构周期折减系数，对整个格栅单元拼接过程实现了预先可视化模拟演练，并验证确定了单元格栅定位点，为前期方案制定和后期施工指导提供了有力抓手。
通过上述技术的深入应用，解决了杆材运输、网格节点区域力学分析等难题，缩短了施工工期，提高了施工精度和效率，大幅节约了成本。
3.钢格栅实时检测及材质追溯技术
3.1 创新内容
3.1.1 多外部设备偏差监测技术
以双曲钢格栅BIM模型为接口，引入无人机全站仪、顶升平衡机、力学传感器等多种外部设备，实现现场格栅结构的实时数据采集和实时偏移验证（图4）。
图4 布置在电网上方的机械传感器抓取设备
通过对现场多种观测仪器、传感设备的信息进行抓取和分析，获取网格观测点的实时位置，并将数据变量导入BIM模型，使得偏移点和偏移量能够反映在结构件的颜色变化中，实现对网格整体偏移情况的实时监控，方便后续开展针对性的纠偏工作。
3.1.2 电网建模与处理设备数据交互技术
在施工过程中发现，通过现场各种仪器测量、模型搭建、软件分析等方式获得的精准BIM数据极其丰富，但这些数据无法与材料生产设备进行有效交互。基于此，研发了BIM建模数据导出技术。该技术通过“提取、导入、转换”的思路，完成项目数据与加工设备直接有效的数据对接问题。技术流程如下：
（1）通过开发的插件提取并导出BIM工程软件、力学分析软件获取的数据。
（2）对导出的数据进行组织，得到所需要的信息，然后将组织的数据转换成与处理设备兼容的数据格式。
（3）与项目方沟通，导入数据信息。
（4）试件无误排放后，再根据项目提供的数据信息准确排放项目所需的材料，从而完成从供应商到用户的信息流闭环（图5）。
图5 基于BIM数据的精准物料配送
3.2 基于BIM的网格点云扫描技术
在点云测量过程中，由于现场测量中各个测站的测量坐标系相互独立，为了使测量的点云数据保持正确的三维空间关系，必须将所有点云数据统一配准到同一坐标系下，以保证测量点云相对关系的正确性，即需要获取不同测量站共同区域内点的旋转参数和平移参数。假设在A、B位置设立测量站，分别扫描同一目标，测量后得到两组不同的点云数据，数据内部配准就是在两个测量站中寻找测量目标M的同名点，并将点M在同一坐标系下的坐标进行重合。假设对点云进行刚性变换，配准过程中需要对点云进行旋转和平移，使得二者共同区域的点云重合（图6）。
图6 两个观测点的云点扫描必须保证观测点在同一坐标系中
基于BIM的点云测量技术应用如图7、图8所示，利用测量仪器到现场进行实际测量验证，大大节省了人力，提高了工作效率，生成的点云模型精度高，效果良好。
图7 点云扫描仪扫描图像及导入BIM软件：(a)导入BIM软件的网格区域1扫描图像；(b)点云扫描仪扫描图像；(c)导入BIM软件的网格区域2扫描图像
基于BIM的栅格点云扫描技术可以以比人工快3倍以上的速度扫描每一个栅格构件节点，并将构件位置信息高精度输入到BIM模型中，得到完整还原现场结构的栅格点云模型图。该技术在精准建模、节点定位、数据核对、偏移监测等方面发挥着巨大的作用（图9）。
图 8 屋顶网格一角的原始扫描图
图9 基于BIM的云点扫描流程图
通过采用多外部设备偏移监测技术、网格建模与加工设备数据交互技术、网格材料电子标签双向追溯技术、基于BIM的网格点云扫描技术等，解决了大规模数据偏移监测难、模型数据与加工设备数据交互难、现场材料属性信息查找追溯难、网格位置信息大规模精准快速采集难等一系列难题，缩短了施工工期，提高了施工精度和效率，有效节约了成本。
4 液压机组提升技术
采用液压单元提升技术，网架可在二楼组装后再进行施工，既能保证质量要求，又可避免高空作业，大大避免了伤亡事故的发生；提升的技术保障措施要求高，操作简单；网架提升过程中，可分段交接现场施工作业面，穿插砌筑、安装、装修等分项施工，可缩短总工期0.5~1个月。但本工程单元网架规模较大，一次性同步提升所需技术难度高，安全性和稳定性不足，因此决定在此方案基础上改进一种钢网架分块提升技术。
4.1 网格单元划分技术
由于大跨度双曲钢网架结构跨度大、面积广，无法采用液压同步提升一次性完成，因此将整个网架分成4个单元，分块吊装。在减少各单元偏心力影响的同时，便于现场工序穿插，更加灵活。
每单元独立安装，按照下列顺序进行：施工准备→放样定位→组装顶升区→安装马道、檩条→顶升一区→检查尺寸、调整网架轴线→顶升二、三区→顶升二、三区并在顶升区间预埋二次拉杆→顶升四区→顶升四区并在顶升区间预埋二次拉杆→卸车→拆除顶升设备，完成网架顶升。
对于单元网格如何划分，利用有限元力学软件对预先设定的划分区域单元进行力学计算、云图生成，并根据模拟的力学性能不断调整优化，最终确定了四个单元位置的具体划分。通过力学性能分析，结合现场工艺穿插，最终确定了划分方案（图10）。
图10 网格单元划分向量示意图
4.2 机组负荷计算技术
在得到单元分区方案后，根据各区重量进行单元载荷计算，将屋面网吊装区划分为4个吊装单元，吊装区1的重量为279 t，布置12个100 t液压顶升油缸，液压千斤顶使用载荷为额定载荷乘以折减系数0.5，即1200 t×0.5=600 t＞279 t，满足吊装要求；吊装区2、3的重量各为178 t，各布置6个100 t液压顶升油缸，600 t×0.5=300 t＞178 t，满足吊装要求； 4号吊装区重量为519t，布置30台100t液压顶升油缸，3000t×0.5=1500t＞519t，满足吊装要求。
4.3 基于BIM的网格顶升点确定技术
由于网架为双曲线布置，形状复杂，其质量分布很不均匀，因此在选择吊点位置时，必须综合考虑钢结构、支撑框架和混凝土结构的安全性。吊点位置选择原则：
（1）网架及吊点受力必须平衡。
（2）在混凝土结构的梁、柱上安装支撑。
（3）位于网格形状变化较小的区域。
根据以上原则，经过BIM模拟施工计算分析（图11），结合顶升架的规格及受力性能，最终确定各吊点位置（图12）。
图11 顶升支架标准段BIM模型透视图
图12 四个单位面积支撑点生产示意图
4.4 网格加固体系
由于双曲钢网架结构各项精度指标均需控制在毫米级，天气、下部支撑结构沉降收缩、人为因素、施工条件等因素均对精度控制带来较大挑战。因此，设计安装加强型网架体系，并在现场对原有钢柱增设刚性限位设施，保证网架在合理位移值内平稳上升，利于观测参考位移距离。
为应对现场复杂多变的施工环境和外界影响，增强网架顶进的抗风险能力，提高安全保证率，研发了网架固定加固技术，在已固定的巨型承重钢柱上因地制宜地布置钢构件，形成稳定的受力形式，周边网架呈四角辐射形式弥散连接（图13），增强网架整体顶进前的稳定性。
图13 网格加固体系图
4.5高空焊接防护技术
现场需要高空拼接的网格单元存在一定悬挑结构，由于风力等一系列因素的影响，传统的悬挂式安全带无法在过程中提供有效保护。因此设计了高空焊接箱体操作平台（图14），为高空作业人员提供全方位的保护，方便施工。对于操作平台无法容纳的空间，设计了悬挂式安全绳和支撑支撑杆（图15），安全灵活。此方法实现了网格高空焊接过程中安全防护的全覆盖。
图14 高空焊接箱作业平台BIM仿真：（a）单人高空焊接箱作业平台；（b）双人高空焊接箱作业平台
图15 直立式安全绳救生索布置系统示意图：(a)单人高空直立式安全绳作业；(b)直立式安全绳支撑杆节点示意图；(c)直立式安全绳救生索竖向布置示意图
4.6钢结构网架提升定位装置改进技术
钢结构网架在提升过程中，需要扭动提升钢索、旋转调整方向进行对接定位。此调整定位方法经过改进，增加了抓紧旋转气缸设置，解决了钢结构网架节点球不能直接锁紧提升，耗费大量人力的问题（图16）。
图16 原有调整方式需直接拉动钢缆
4.7 电网变形监测及激光测距改进技术
传统的网格施工过程中的监测方式，点位选择单一，操作复杂，不能很好的满足现场的需求。对变形监测装置进行改进，通过调节机构，可以调节多根监测杆的运动，可以同时对多根网格进行检测，有效的提高了建筑网格的检测效率。同时，该装置还配备了定位机构，通过定位机构，可以自动调整调节杆在建筑网格上的位置，通过确定调节杆的位置，使各检测机构位于对应网格的中心位置，有效的提高了建筑网格变形检测的准确性。该装置还设置了防损部件，在驱动压力传感器检测网格侧壁压力时，可以有效的保护压力传感器。同时，设置了警示灯，可以快速观察建筑网格的变形情况，更加直观准确。同时对现场激光测距仪进行了改进，增加了一层保护罩装置，使其能够更加广泛的应用于各种环境下，避免激光测距体受到磕碰损伤，增加激光测距体的使用寿命。
4.8钢结构网架焊接支撑装置技术
改进后的钢结构网架焊接支撑装置（图17-18）通过装置中的安装环与固定杆的配合，可以快速将杆件调整至所需的焊接高度，解决了现有支撑装置无法对杆件进行不同角度的支撑，且不便于根据焊接高度进行快速调整的问题。
图17 焊接支撑装置改进前后对比：(a)改进前的焊接支撑装置；(b)改进后的焊接支撑装置
图18 利用改进后的焊接支撑装置现场拼接单元格栅
5 结论
通过对以上技术的施工模拟，解决了桁架顶升过程中出现的桁架跨度大、难以一次性顶升、单位载荷计算困难、桁架顶升点精度要求高、桁架稳定体系抗风险能力弱、高空焊接安全系数低、桁架定位及监控措施操作不便、原有桁架焊接辅助工具操作不便等一系列问题，缩短了施工工期，提高了施工精度。
参考文献（略）
期刊简介
《金属世界》是由中国金属学会、中国有色金属学会、北京科技大学主办，中国科协主管的国家一级科技期刊。ISSN 1000-6826，CN 11-1417/TG。1985年创刊，国内外公开发行，邮编：80-316。《金属世界》被中国核心期刊数据库、中国知识基础设施、万方数据、维普信息、美国化学文摘收录。《金属世界》是冶金、有色金属及金属加工行业出版的刊物之一，是一本专门介绍金属科学知识和生产技术的高水平科技传播期刊。
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