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北京建工詹天佑奖项目——宜兴市学问中心的技术创新

时间:2018-08-07 19:45

北京建工集团总承包部  路强

       6月3日,第十五届中国土木工程詹天佑奖颁奖典礼在京举行,由北京建工匠心打造的宜兴市学问中心工程脱颖而出,为北京建工捧回第39项詹天佑奖,在集团科技创新、质量创优的史册上,又增加了靓丽的一页。

       宜兴市学问中心总建筑面积19.24万㎡,地下1层、地上4至6层。建筑设计理念为“东氿之花”,大剧院、科技馆、博物馆及美术馆、图书馆4个单体,通过S形滨水商业街连为一体,如花瓣漂浮水面。

       各场馆功能不同、布局各异,无标准层和标准间。大剧院设有1200座的大剧场、600座的音乐厅、5400㎡的共享大厅及5厅影片院;科技馆设6000㎡科技展厅、50间培训教室及30座的4D影厅;博物馆和美术馆两馆,同在一楼又彼此独立,馆藏3000余件;图书馆藏书容量150万册,读者座位1000个;共设多媒体会议室12个。

       针对复杂的建筑体形、高大的空间结构、丰富的装修饰面,北京建工集团总承包部依托集团雄厚的科技实力,成立以集团企业总工程师为组长,项目经理、技术负责人为核心,各专业分包单位负责人参与的科技团队,对工程重点难点进行细致的剖解研究、科技攻关,在历时4年的施工中,进行了多项技术创新。其中具有代表性的有:

1.复杂钢索结构施工技术

       1.1技术背景

       大剧院自由曲面的单层预应力拉索玻璃幕墙,通过拉索与箱型曲梁、地梁上下锚固,最高处约27m,长度达163m,宽敞通透。曲梁偏心连接在由21 根最大直径为1.2m 的钢管柱组成的主体结构上。两柱之间由四分格索长各异的单向受力索组成,竖向采用直径为42mm、36mm、26mm的不锈钢拉索,用以承受水平和竖向荷载。钢管柱两端采用新型向心关节轴承节点铰接支座方式,分别与地面混凝土梁和钢桁架楼承板组合屋盖连接,钢桁架高度2.5m,最大跨度62m,重达61T,荷载大、传递形式复杂。

自由曲面拉索玻璃幕墙

1.2技术创新点

      (1)对工程中使用的新型向心铰支座节点进行原尺寸静力加载试验,并选用成熟的商用有限元AppABAQUS 6.13 建立试验节点的有限元模型,计算模型在试验工况下各部分的应力大小及分布情况,进行对比。以明确受力机理,验证设计荷载下的安全性,为设计和使用提供依据。

GZJ-1节点加载装置简图

     

GZJ-1 节点的有限元网格模型

        (2)依托有限元AppABAQUS建立考虑幕墙和结构主体协同工作的仿真模型,分析体系的力学性能,相对于仅考虑自身支撑体系的幕墙设计方法,更加合理和科学。

三维模型

      (3)结合整体受力分析结果,建立仅包含拉索、钢立柱和钢连梁的分析模型,考虑不同部位及张拉过程中预应力拉索、钢屋盖、梁柱体系之间的相互影响,进而确定合理的多级张拉施工方案。

       (4)张拉施工与施工监测,施工过程中采用分批次张拉,同批次内拉索同步张拉的方法,采集拉索索力、箱型钢曲梁、钢立柱、混凝土地梁、混凝土楼板、钢屋盖的变形和应力状态,与数值模拟结果进行比较,修正、引导施工方案顺利实施。

1.3应用效益

       通过施工前利用仿真模型和有限元分析手段研究拉索幕墙和结构主体之间的协同工作机理,施工中利用多种监测手段获得数据、进行比对,保证了该拉索结构的质量安全,为类似结构体系设计和施工提供了借鉴,是国内首次对该种复杂幕墙结构受力机理进行的探究。《大跨度屋盖及铰接柱结构体系下预应力拉索施工工法》获得江苏省工法。《宜兴大剧院复杂钢索结构施工关键技术研究》成果经鉴定达到国际先进水平,同时获得2015年度中施企协科学技术奖科技创新成果二等奖。

 

2. 基于BIM的弧形建筑施工技术

2.1技术背景

       宜兴市学问中心工程为宜兴公共建筑史上设计水平最高、质量要求最高、投资最大的公益学问建筑。由于本工程四栋单体建筑平面、立面布局各异,结构多弧形、异形、不规则构件和大跨度、大空间结构体系,且装饰装修材料种类多,施工难度极大。结合弧形建筑施工需要,2012年初开始在三维仿真模型、钢结构深化、装饰面层排版、机电综合管线排布等板块对BIM技术进行深入研发和应用。

2.2球形网壳分块层叠式拼装施工技术

       科技馆球幕影厅屋盖为直径24m的双层钢结构球形网壳。

球形网壳结构实景图

       (1)利用球形网壳结构曲率相同的特性,将单层球型网壳分为相近大小的9种分块;

       (2)球顶和门洞处特殊分块采用卧拼,其他同一大小的分块在同一拼装胎架上采用层叠式拼装;

       (3)拼装中采用三维测量技术和小线能焊接工艺,减小构件焊接的变形,控制拼装精度及质量。

内球网壳分块划分示意图

外球网壳分块划分示意图

层叠式拼装仿真模型

       创新采用层叠式拼装技术改变了每一个球壳分块都需要单独设置拼装胎架的传统施工方法,减少了现场拼装胎架设置的工作量,节约了大量拼装场地,提高了吊车利用率。节约胎架钢材、焊材等材料约60%,吊车费用50%,减少工期50%以上。该技术的成功应用为球壳结构现场拼装提供了一个新思路,具有良好的经济效益和社会效益。《一种球形网壳分块层叠式拼装施工工法》获得江苏省工法。

2.3基于BIM的建筑精细化装饰系统的研发与应用

       为了将BIM技术更好地应用在施工阶段,发挥BIM技术的优势,针对RevitApp在建筑装饰面层建模方面的不足之处,对“基于BIM建筑精细化装饰施工系统”进行了细致分析。通过RevitApp二次开发,运用RevitApp的参数化设计功能,对RevitApp的API体系结构、开发方式等进行了研究,结合工程需求,确定系统的功能模块和系统架构,实现了对象几何尺寸的智能化生成、排布、编辑及统计,形成一个基于BIM三维模型的建筑精细化装饰施工系统。系统创新如下:

       (1)以本工程为平台,首次通过BIM在精装修领域进行深入应用。

       (2)装饰各层自动生成,手动调整,工程量统计和图纸生成。

       (3)面层和里面各层分离式调整。

       (4)面层块料非整块料自动统计。

       (5)附着物添加,装饰层自动扣减和自动排布。

       (6)多层、多面、多房间装饰的空间相对应布置。

编辑对话框

算量对话框

   

休息厅石材排版                                                     公共走廊石材排版

       依托该创新系统,对各个场馆装饰装修进行综合排布,模拟现场施工,实现了精细化的装饰虚拟排布,提高了排布方案制定的效率, 保证了精美的装饰效果;准确可行的排布方案减少了现场施工过程中的拆改现象;统计的非模数材料用量,保证了施工前材料加工计划准确制定,在减少整体材料切割浪费现象的同时,减少了加工材料用工量。该系统的成功应用,补充了BIM在装饰系统上的应用短板,扩大了BIM的应用范围。研发成果“基于BIM建筑精细化装饰施工系统”获得计算机App著作权。

应用效果图

2.4 BIM技术在机电工程综合管道支吊架的应用

       本工程机电专业系统繁多,包括建筑给排水、建筑电气、通风与空调、智能建筑和电梯5个专业、39个系统。设备管道密集、交叉多,且建筑结构复杂,吊顶内空间狭小,机电综合管线排布十分困难。

综合管线排布效果

       (1)采用C++开发语言,借助面向对象开发库和MFC界面开发库自主研发的AutoCAD插件。

       (2)通过可视化的BIM支吊架三维模型,8种基础型式,21种衍生型式,实现了BIM技术应用中机电综合管道碰撞检测的完整性、全面性、准确性,减少了施工中的返工;

支吊架模型

       (3)通过与BIMApp配套的管道支吊架专用设计App,自动进行支吊架规格选定、统计及支吊架受力分析、验算,节约材料和人力,实现了支吊架粗旷选型向精准选型的转变,推动了支吊架制作的构件化和工厂化;

支吊架核算

支吊架构件统计

      (4)实现了综合支吊架设计、选型、验算、生成加工图的可视化、数字化、电子化,填补了综合支吊架设计与施工之间的空白。

经过App精准的结构校算,将原本粗狂的支架选型变为精确地选型,减少了深化设计周期和费用,通过将支架选型及排布纳入BIM技术中,完整的碰撞检测,大大减少施工中的返工。

 

3.蒸压轻质砂加气混凝土板材内倾斜墙体施工技术

3.1技术背景

       大剧院建筑正立面由自由曲面的玻璃幕墙和流线形的叠披铝板幕墙组成,为体现“演出的幕布从底下掀开”的设计理念,叠披幕墙处要求实现了75°、85º倾斜角、平面位置呈花瓣形的蒸压砂加气混凝土砌块围护墙施工。

3.2技术创新点

       (1)采用同材质的蒸压轻质砂加气混凝土板材(简称:ALC板材)替代蒸压砂加气混凝土砌块,应用板材最大尺寸6000mm(高)×600mm(宽)×200mm(厚),板重约440kg,确保了节能效果,也满足建筑造型的要求;

       (2)板材中增加双向钢筋网片,满足板材抗弯要求,实现倾斜墙体构造需要;

       (3)采用M12@600钩头螺栓(钩头长度50~80mm)、L63*6通长角钢、M10@600膨胀螺栓将ALC板材与异型混凝土结构连接,使用专用嵌缝剂和密封胶进行室内外板材间填缝(挂200mm宽耐碱玻纤网格布)。

弧形、倾斜墙体处ALC板材节点

ALC板材间拼缝的横剖面图

3.3应用效益

       该技术解决了蒸压砂加气混凝土砌块无法在弧形、倾斜墙体中施工的难题,满足了建筑效果、节能环保的要求,同时又降低施工成本、减少材料损耗,促进了装配式建筑的快速发展。经总结形成了《蒸压轻质砂加气混凝土板材内倾斜墙体施工工法》,对于造型新颖、结构复杂的弧形、倾斜墙体设计和施工具有很大的借鉴价值。

4.层叠铝板幕墙施工技术

4.1技术背景

       大剧院流线型层叠铝板幕墙由2064块上下交错、尺寸不一的铝单板组合而成,最大面积达到6.7㎡,是国内设计中首次应用。

层叠铝板幕墙

4.2技术创新点

       (1)采用锯齿面定尺铝合金次龙骨及“Y”型连接件,辅以“L”型挂座和“U”槽挂件构造,实现铝板角度可调。

       (2)采用直径100mm的锯齿面铝合金圆管作为次龙骨,与结构墙柱和主龙骨处伸出的长短不一的连接件,通过锯齿面“Y”型连接件螺栓进行国定,形成幕墙控制网。

       (3)每块铝板通过骨架结构上的“U”槽挂件挂在“L”型挂座上,“L”型挂座与铝合金圆管经锯齿面“Y”型连接件螺栓固定。

       (4)锯齿面铝合金圆管与锯齿面“Y”型铝合金连接件无缝咬合连接,固定后相互摩擦不旋转滑移,相邻锯齿间距2°,可任意角度调整;再通过挂件上方螺栓控制与挂件间距,进行铝板上下微调。

4.3应用效益

       经过锯齿面“Y”型连接件、“L”型挂座、“U”槽挂件、锯齿面定尺铝合金次龙骨的应用,创新使用独特的可调角度节点进行板块安装,避免了铝单板竖向的板缝偏差,规避了由于弧形幕墙施工面积大,铝板安装偏差难以控制的状况,实现了层叠幕墙板块组合角度调节,突破了铝板直接固定于骨架上的单一做法,施工工效提高20%。可为其他材质层叠状幕墙设计和施工提供借鉴,成果创新和社会效益显著。该技术的成功应用,形成了《层叠铝板幕墙施工工法》和《层叠幕墙的连接结构》实用新型专利。

        该工程于2011年6月29日开工建设,2015年9月28日竣工。先后获得中国建设工程鲁班奖、中国钢结构金奖、中国安装工程优质奖、中施企协科技创新成果奖、江苏省优质工程“扬子杯”、北京市安装工程优质奖、江苏省建筑业新技术应用示范工程等省部级以上科技质量奖18项。自2015年12月28日投入使用来,各项设施运行良好,成功举办了《唱响宜兴》、《天鹅湖》等近300场文艺演出,“翰墨宜兴”等100余项民俗艺术展,“名家带我读经典”等150多次公益讲座及活动,提升了宜兴市民的精神生活品质,得到了市民一致好评,已成为宜兴市民的“城市会客厅”。

 

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