BIM技術在淺圓倉倉頂結構設計和施工中的應用研究

方忠林 張 波 雒炯崗 袁興國 李 峰 楊 康

（中建七局安裝工程有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

淺圓倉傳統設計給施工帶來較多的難題：腳手架搭設需耗費較多的施工材料；倉頂結構中存在較大的傾斜角度，加上混凝土凝固效果差，使得澆筑振搗的難度提升；無法控制澆筑密度，可能引發結構防水問題；自重較大，防水層容易發生開裂，以致構造遭到破壞，使得倉頂發生漏水，影響結構的穩定；施工過程中，露天作業的施工人員存在人身安全隱患；施工成本高。針對存在的問題，本文運用BIM技術，結合實際情況對淺圓倉倉頂結構的設計和施工進行分析，從而降低施工成本，減少施工時間[1]，增加結構安全性，提升施工質量。

1 運用BIM技術優化淺圓倉倉頂結構的設計與施工

1.1 倉頂結構設計

運用BIM軟件對施工項目進行完整3D建模，把施工項目的外觀和具體細節信息導入到模型中進行展示。根據BIM的實際特性，將構件數據信息導入到可視化模型中。按照模擬真實場景設計倉頂結構。在模型中完成淺圓倉的倉錐頂澆筑過程。淺圓倉頂澆筑使用支撐塔架減少了拆裝過程中消耗的資源，合理設計鋼管扣件用量，緩解人力成本的浪費[2]。設計倉頂支撐塔架，并垂直搭建在淺圓倉中，在中間臺的位置搭設安裝支撐件。支撐件和淺圓倉頂部內部要縱向搭建一定數量的榀鋼桁架。在搭設過程中，需要將鋼桁架沿筒倉的橫向方向按照相同的距離完成建造。在支撐塔架搭建過程中，使用2.3m×2.3m的組合鋼格構柱結構，同時，在支撐塔架的頂端加設水平桁架。在底端加設防護支撐增加支撐塔架的整體穩定性。鋼格構柱底部與鋼筋連接，具體支撐結構如圖1所示。

圖1 支撐塔架結構圖

倉頂外防護支撐結構包括上吊梁和水平支撐梁等。水平支撐梁上面豎向安置兩根固定鋼筋。淺圓倉頂部內壁沿不同方向依次安置與鋼桁架數量一致的支撐板，支撐板的底面依次安置有支撐坪，在下面固定連接三根預埋鋼筋。在淺圓倉倉壁內，支撐板上面固定安置垂直方向的固定柱，鋼桁架的外側連接支撐板。鋼桁架的外側下面支撐在支撐板上。該支撐塔架的設計，考慮施工工期較長因素，可先對中立柱進行調節，改變固定高度，以此將鋼桁架安置到中心立柱與倉內之間的標高位置，提高鋼桁架的固定性[3]。鋼桁架由底部支撐、上部吊件和導向軌道組裝。軌道與吊件使用螺栓連接。鋼桁架吊裝的設計，需要設計牽拉及滑動導向，以增加鋼桁架在使用中的安全性。

1.2 倉頂結構裝配施工

在對淺圓倉進行現場施工時，需要對預制構件進行機械吊裝作業。在吊裝工作開始前，進行必要的施工準備[4]。對淺圓倉倉頂結構上環梁部分進行整體預制，分別設置預埋連接件位置。設置吊裝控制線，檢查構件是否滿足設計位置線的水平高度，如果不滿足要進行適當調整。松鉤后，要對預制構件的位置和高度進行二次檢查，并按照位置信息誤差值進行調整。如果誤差值較大，需要再次進行吊裝。運用分離式機械連接件進行連接，在完成構件吊裝后，才能將構件與連接件進行焊接。在施工現場，要嚴格控制鋼格構是否符合質量標準，并安裝支撐塔架，將柱與塔架組合后進行焊接。根據設計方案，用塔吊將上環梁安置在支撐塔架上，并且修正位置。安裝固定支護用來固定。根據支撐梁設計，在支撐梁預埋件處標記等高線，等到吊裝支撐梁達到放置線后完成吊裝，并與連接件進行焊接。吊裝倉頂結構預制構件后，用止水橡膠密封填充板縫，并用防水卷材對倉頂結構進行防水處理，以滿足對倉體水密性的要求[5]。

2 有限元模擬及分析

為了進一步研究淺圓倉倉頂結構在豎向荷載下的受力特性，運用ABAQUS有限元分析軟件對豎向均布荷載下淺圓倉倉頂結構進行有限元模擬。分析倉頂結構豎向的承載力作用下內應力的變化情況。倉頂結構的夾層異形板開裂荷載為5kN/m2。預期目標為在內應力2.5N/m2時，倉頂結構的豎向荷載要小于5kN/m2。設置5個小組，對淺圓倉倉頂結構承載力水平進行測試。

2.1 倉頂結構承載力測試

某新建的淺圓倉數量為10個，內部半徑為25m。一個淺圓倉的高度為36.5m，占地面積約為2820.01m2。淺圓倉1、2、3號的總容量均為10萬t。施工過程中，該淺圓倉結構為鋼筋混凝土結構，建筑的抗震系數為8度，結構安全等級為3級。

根據淺圓倉倉頂板設計標準，澆筑5個構件。構件的尺寸為5000mm×1200mm，夾層板跨度為5000mm。構件設計信息如表1所示。

表1 構件設計信息

分布式連接預埋件的上、下錨板均采用厚度12mm的E545級鋼板，長錨筋選用15mm 的二級鋼筋與連接件錨板焊接。板內鋼筋直徑為8mm，構件中混凝土保護層厚度為15mm。運用ABAQUS 對夾層板進行數值模擬，以實體單元對混凝土進行建模，選用R5G36表示實體單元、三維桁架、單元中的節點數目。在均勻荷載分布下，梁截面彎矩計算公式為：

式中：

M——模擬協調值；

l——梁長度。

在對淺圓倉倉頂結構進行建模的過程中，為了防止上部混凝土壓碎破壞，連接件下部錨板預埋進預制夾層板下部混凝土板。在有限元分析模型中，下環梁添加5個自由度的約束，建立淺圓倉倉頂結構模型。在實際工程中，上下環梁與預制倉頂板使用螺栓相連，在預留的接口處后澆灌漿料。

2.2 結果分析

在豎向荷載作用下，試件得到的位移-荷載曲線如圖2所示。

圖2 倉頂結構混凝土荷載-內應力圖

由試驗結果可知，在加載過程中，由于豎向板縫的存在，對結構整體剛度產生變化。在加載初期，5個小組的結構都處在彈性階段，內應力值均增加。而后期內應力較為平緩，在內應力為2.5N/m2時，5個小組的豎向荷載值均<5kN/m2。結果均符合預期目標。

3 結束語

本文針對淺圓倉傳統設計和施工中存在的問題，應用BIM技術對淺圓倉倉頂結構設計和施工進行優化。運用BIM軟件對施工項目進行完整3D建模，把施工項目的外觀和具體細節信息導入到模型中進行展示。根據BIM的實際特性，將構件數據信息導入到可視化模型中。按照模擬真實場景設計倉頂結構。為進一步研究淺圓倉倉頂結構在豎向荷載下的受力特性，運用ABAQUS有限元分析軟件對豎向均布荷載下淺圓倉倉頂結構進行有限元模擬。分析倉頂結構豎向的承載力作用下內應力的變化情況。由試驗結果可知，5 個小組的豎向荷載值均<5kN/m2，結果均符合預期目標，為實際施工中的規劃提供了有力的數據支撐。