随着经济的增长和施工技术的增强, 预应力钢结构在结构外观、形式、规模上有了长足的进步, 与此同时也对施工技术提出了更高要求。预应力钢结构施工精度要求高, 且预应力张拉具有不可逆性, 施工中的天气、工人技术水平、节点形式、张拉顺序、张拉力、张拉工装的选择均会对结构的受力状态和成型造成不同程度的影响。因此, 施工安全、质量、进度等的相互协调和控制就成为难点。目前对预应力钢结构的研究多局限于传统安装技术, 对施工精细化程度和施工方案的控制不够科学和系统。BIM技术是一种多维模型信息集成技术, 与传统的施工技术相结合能够从根本上将依靠人员和符号文字的项目管理方式转换为计算机精细化控制施工。

在此背景下, 针对长沙国际会展中心项目, 通过BIM技术、有限元仿真、三维扫描等技术的综合应用, 对预应力复杂钢结构的深化设计、施工仿真模拟、可视化施工指导、三维扫描技术等方面进行深入研究, 实现学科交叉并形成一套可应用于预应力钢结构的精细化施工技术, 从而提高生产效率、节约成本和缩短工期。

长沙国际会展中心位于长沙市武广高铁南站以东, 建筑面积约44.5万m², 建筑总高度33.255m, 场馆共12个展馆、2个登陆厅及2个连廊, 展馆建筑效果如图1所示。单个展馆东西方向长172.8m, 南北方向宽101m, 由下部框架支撑体系及屋盖体系两大部分组成。每个展馆体系沿纵向共布置有8榀内下凹式双索张弦梁, 上弦主梁截面为1 600mm×500mm×20mm箱形钢梁, 下弦布置2根97高钒镀层拉索, 上弦钢梁和下弦拉索之间设置8根撑杆, 为保证结构侧向稳定, 每榀拱架张弦梁设置5组35拉杆式隅撑, 纵向连系体系由114根40拉索及屋面连系次梁组成。

本项目建筑规模大, 结构体系种类多, 具有大跨度、大空间、超长结构以及重荷载等特点, 项目施工存在以下难点: (1) 张弦梁体系组成部分较多, 需根据结构受力形式及传力机理, 确定拉索的先后施工顺序, 确保预应力的施加能够满足设计要求; (2) 工程张弦梁跨度大, 最大跨度为90m, 且为下凹式双索张弦梁, 施工过程中不易控制, 需对钢梁的加工精度加强控制; (3) 工程设计有较多斜柱, 上部荷载大且设计有铰支座, 受力后易产生变形; (4) 施工体量大、钢结构节点形式复杂, 施工方案的确定需综合考虑效率、安全、成本等。

考虑到以上施工难点, 如何实现对安全质量的施工前预控、施工中监测及优化, 实现项目的精细化施工是亟待解决的难题。

施工工艺、施工进度以及施工监测是影响精细化施工能否顺利实现的关键因素, 为BIM技术深度应用提供数据基础, 建立施工全过程模型。施工全过程模型有以下组成部分:基础结构模型 (见图2a) 、场地布置模型、样板工程模型 (见图2b) 、装修效果模型等。基础结构模型包括结构基坑 (基坑支护、桩基础、边坡) 、展厅和连廊钢结构、屋盖张弦梁、幕墙、暖通、给排水、消防系统、电气 (桥架) 、内部机房设备BIM模型。

该结构为下凹式张弦梁结构, 展厅的竖向支撑结构为箱形斜柱, 张弦主梁与屋盖桁架均为变截面, 构件间通过转换梁、销轴、耳板等连接件相连。各构件相贯角度、相交节点类型、构件长度等信息多样化是模型建立难点。采用自适应技术及参数化建模技术, 在模型建立过程中考虑构件特征、建模效率、后续使用便捷性等综合因素, 对构件进行分类处理, 对同类构件提取尺寸、材质、生产厂家等设计参数, 创建可供长久使用的特有预应力钢结构参数化构件族库 (见图3) , 方便后续钢结构工程建模应用。

本工程通过对拉索进行张拉, 从而对结构施加预应力。因此, 节点设计需考虑美观、受力及施工空间的要求, 特别是对本工程双索的OO型锚具的拉索, 施工难度更大。根据设计图纸及参数化的初步模型, 对双索与双撑杆连接的索夹、双索两端锚固连接节点及张拉工装进行深化设计, 以确保加工精度、施工安全及具有足够的张拉空间。深化设计包含以下2个层次: (1) 根据参数化模型, 运用碰撞检查功能, 设置碰撞规则, 检查销轴、耳板及杆件之间的碰撞点, 优化结构设计 (见图4) ; (2) 应用二次数据接口, 实现三维模型与结构计算软件的对接, 对关键节点进行受力分析, 验算节点强度 (见图5) 。

处于张拉阶段的张弦梁是一个时变体系, 结构的材料参数、几何参数与荷载边界条件都和正常使用阶段相差悬殊。本工程张弦梁由于上弦梁呈下凹形, 使得预应力施加和作用中既要考虑常规的上弦梁材料强度, 更要考虑由于上弦下凹导致的结构单榀的整体不稳定性。为保证张拉过程中结构的适用性及可靠性, 控制各张拉阶段结构索力、强度、刚度及稳定性都处于合理范围内, 利用有限元软件对张拉方案进行仿真模拟, 验证初拉力及张拉顺序的合理性, 张拉方案如图6所示。

按照施工方案的张拉顺序, 提取每一个施工阶段的结构位移云图、索力值以及刚性构件的应力值进行整理分析, 判断施工方案的可行性。张拉完成后结构中部张弦梁最大向上起拱为163mm<L/250, 满足设计要求。

主索索力随着张拉步的进行, 逐渐与设计值一致, 直到全部主索张拉完成后, 索力最大值为5 451k N<拉索破断力/3, 张拉完成后索力与设计值误差<5%, 整个张拉过程中未出现索力负值。

整个张拉过程中, 结构构件最大应力<118MPa, 最小应力>-133MPa, 均满足设计规范要求, 结构处于安全状态。

由以上分析可知, 钢构件受力状态和索力均能达到设计要求, 故该结构张拉方案合理。

依据施工全过程模型及project进度文件, 赋予构件时间参数, 将不同时间节点的结构施工进度从不同角度进行全方位动态展示, 展示内容包含现场临时设施及大型机械的进出场时间和E1, E2, E3, E4展馆及连梁钢结构的结构流水施工方案等 (见图7) 。本工程的整体施工动态模拟将量化的信息直观地展现出来, 以三维动态形式辅助技术交底, 达到了减少施工错误、加快施工进程的目的。

张弦梁跨度为90m, 为避免吊装过程中结构挠度过大, 采用分段吊装的施工方法, 通过有限元软件分析合理设置吊点和吊装程序。对长沙会展中心钢结构构件的吊装施工工艺进行动画展示 (见图8) , 直观反映大型构件在施工现场的运输及吊装情况, 将各吊装工序提前预演, 确保钢结构施工能顺利进行, 并辅助施工交底。

本工程张弦梁屋盖受力复杂, 且主梁为下凹反拱形式布置, 拉索为双索, 索头为OO型索头, 对拉索安装和张拉要求高, 施工难度比一般张弦梁大。故屋盖拉索的张拉是施工难点, 应合理控制张拉顺序、张拉方式和张拉力度。为保证张拉施工顺利进行, 对屋盖张弦梁的安装进行施工工艺展示, 模拟张弦梁的施工步骤, 展示张弦梁各节点的施工细节, 对张弦梁结构体系的张拉过程、张拉顺序、张拉方法等工艺进行仿真模拟 (见图9) 。

对于钢结构构件的自身特点如钢结构构件的体量大, 运输和安装的成本高等在施工前有必要进行钢结构构件预拼装处理。采用三维扫描技术对施工现场、关键钢构件及复杂节点构件进行三维扫描, 将生成的点云数据在计算机上进行预拼装, 并将其与建立的BIM模型进行比对, 校核现场构件的安装误差, 从而及时采取措施进行调整, 使钢结构构件在进入施工现场前能保证节点连接, 避免施工中的安装问题。由于索体的安装要求精度较高, 索体有一定调节长度, 但调节量比较小, 并且考虑预应力张拉过程中拉索自身伸长值, 因此为了保证整个结构的安装精度, 对钢梁在安装时要求精度比较高。

BIM、有限元仿真、三维扫描技术在长沙国际会展中心施工中的集成应用有效解决了反拱主梁、O型索头的施工难题, 实现了对张拉方案的安全评估和施工过程的精细控制, 所形成的成套精细化施工技术有效提高了施工效率并降低成本。

1) 基于BIM的节点及工装深化设计能够有效避免张拉空间不足的问题, 降低25%的材料成本。

2) 施工有限元仿真分析给出了每张拉步钢索张拉力的大小、结构的变形及应力分布, 为张拉过程中的变形及应力监测提供理论依据, 同时验证了张拉方案的可行性。

3) 可视化施工指导增强现场工程技术人员对施工过程的控制能力, 实现了建筑项目的精细化建造, 尤其是对预应力张拉过程存在的工程难点提供了有效的技术支持。

4) 三维扫描技术的应用起到了对施工安装的提前把控, 点云数据与BIM模型的对比为结构施工监控提供可靠数据。