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BIM在抗震支吊架领域的应用

分类:知识库阅读:820
来源:给水排水期刊

摘要:BIM技术在建筑机电工程中抗震支吊架斜撑安装空间预测,介绍在抗震支吊架建族过程中以光圈形式将锚栓的作用范围可视化,运用BIM技术的碰撞检测功能可以达到锚栓间距检测的目的。

    以广州某大型项目为例,针对抗震支吊架安装中最为常见的侧向斜支撑安装空间问题,选择管线设备集中的地下二层核心筒走廊样板区进行了成品与抗震支吊架的深化设计。最后提出了将最下层横担延伸通过型钢底座与左侧结构墙进行生根、侧向支撑改为与横担一体的水平支撑和简化管线空间布排等解决措施。


引言

     BIM是当下的热门话题,以三维数字技术为基础,能对工程项目相关信息进行详尽表达。综合管线部分是机电安装工程中的难点,工具经BIM技术深化设计后的三维图导出安装节点图,不仅可以提高机电安装的精确性,还可以节省大量绘制抗震支吊架节点图的时间。BIM模型信息的完备性、关联性、协同性在建筑行业的应用,除了能减少工程成本并有效控制工程进度及质量外,还将为建筑行业的科技进步带来不可估量的影响。

    抗震支吊架是以地震力为主要荷载的抗震支撑设施,对机电设备及综合管线可进行有效保护,其由锚固体、加固吊杆、抗震连接构件及抗震斜撑(侧向、纵向均为斜撑)组成。然而,由于抗震支吊架的安装基于建筑的机电系统,因其设备管线复杂、设计图纸信息不充分,以及其对建筑物的主体结构依赖性强,则后续安装时安装难度大,安装空间浪费。在BIM技术的带动下,抗震支吊架的深化设计能实现真正意义上的与周围空间环境的精确匹配,减少现场不必要的“打架”问题。

  为了节约管线与抗震支吊架材料、增加建筑净空间和提高抗震支吊架安装的合理性,本文将对BIM技术在抗震支吊架模拟安装和综合管线进行碰撞检测方面展开研究。


1、BIM技术在抗震支吊架斜撑和锚栓安装的运用

1.1斜撑安装空间预测

    抗震支吊架的斜撑按其支撑形式可分为刚性支撑与柔性支撑两种。刚性支撑斜撑材料一般选择C型槽钢、镀锌钢管,因其同时能抵抗拉力与压力,从而一般以单边撑的形式存在;柔性支撑斜撑材料一般是钢索,只能抗拉力,所以必须以两边对称的形式存在。抗震斜撑按其作用功能划分,又可分为侧向支撑与纵向支撑,侧向支撑是用以抵御侧向水平地震力作用,纵向支撑是用以抵御纵向水平地震力作用。例如,管道同一点位,既安装侧向支撑又安装纵向支撑,其作用原理是在管道质心水平面上形成互成90°的4个方向上的支撑,水平地震力从任意方向作用,管道均受到保护。成90°安装的两个刚性支撑,因其同时具有抗拉压能力,所以能对管道作水平方向的保护;对柔性支撑,则须做水平面上互成90°的4个支撑。

    因此,抗震支吊架对斜撑、吊杆的性能有更加严格的要求。特别是斜撑两端的抗震连接座更需要合理的设计,目前国际上最权威的的抗震检测机构是美国FM认证机构。斜撑上用以与结构体生根的锚栓不仅需要验算其拉拔性能,抗切能力也必不可少。斜撑安装的空间位置是最复杂的,对楼板板底,一般斜撑与垂直吊杆之间的角度宜为45°,且不得小于30°。角度区间分为:30~45°、45~60°和60~90°,角度的变化也会影响抗震支吊架能承受作用范围,进而改变其最大间距。

    BIM技术的运用,能根据模拟的三维图纸了解每个支吊架斜撑的具体安装空间,结合管线综合技术从而在设计阶段就能确定每个支吊架的斜撑的安装方式与角度,再根据具体的支吊架形式能承受的实际荷载与角度确定支吊架应有的最大间距,给出确定的抗震计算书及可靠的产品选型验算过程。

1.2锚栓间距检测

    对于锚栓的检测,首先确定锚栓的安装位置,运用点荷载绘图使结构的受力范围可视化,使锚栓之间保持必要的间距,保证锚栓性能有效性,避免对结构造成伤害。利用BIM技术,将每一个锚栓的力学作用范围表现出来,在三维图中为光圈,如图1所示。当作用范围不重合则表示锚栓力的有效性能达到结构的承载。反之,则对支吊架安装位置或者斜撑角度进行优化调整。抗震支吊架的族库建设过程中,可以把对应大小锚栓部分设计成为一个相应大小的光圈,从而在支吊架模型放置完成后,利用BIM的碰撞检测功能,检测出相应的锚栓碰撞位置,再做出相应的位置调整。


图1锚栓的力学作用



2、BIM技术在抗震支吊架系统中的运用

2.1BIM技术对于系统设计阶段的指导

    抗震支吊架深化设计布置流程见图2[1]。首先,应引入建筑对象,反映建筑空间、结构、构件的位置关系。此外,BIM技术对于安装支吊架的后期材料统计带来的极大便利是传统CAD所不具备的,从材料数量的统计,到每一个支吊架类型的属性。基于Revit的插件如图3所示。基于BIM的材料管理不仅仅只是一个深化设计→预制加工→物流追踪→现场安装的物流管理流程,而是一个建造全过程的信息管理,譬如欧美的装配式支吊架流程:预埋件→过渡横梁→悬吊式支吊架[2],而预埋的位置是否准确更离不开BIM技术模拟与施工的结合。

    综合管线布排应考虑暖通、给排水、强电、弱电、消防、机电等各专业安装的空间位置关系以及与装饰专业之间的关系,一般应遵循以下原则。



图2利用BIM技术建立支架系统的流程


图3支吊架基于Revit的绘制插件


    (1)管线综合协调过程中还应根据实际情况综合布置。避让原则:有压管让无压管,小管让大管,施工容易的避让施工难度大的。

    (2)支吊架节点图最终出图时,剖面图、平面图所表现的位置、标高应保持一致,需要充分考虑管线周围的梁、柱、墙等构筑物并详细展示在节点图中。标高时,一般有压管标管中,排水管标管底,风管、桥架都标管底。在管线综合布排过程中,平面图与剖面图调整应同步。

    (3)支吊架应考虑到空调水管、空调风管保温层的厚度,考虑与电气桥架、水管外壁、墙柱的最小净距,考虑支吊架垂直槽钢的放置空间。根据现场实际情况确定各管线间的距离。抗震支吊架还应考虑斜撑形式与斜撑放置空间,这也是抗震支吊架设计安装中的难点。
   
    (4)空调冷、热水管布置时应考虑管道坡度,考虑设备、管路的操作空间及检修空间。水管与桥架的空间位置还应考虑平行净距与交叉净距。

    (5)对支吊架周围的建筑结构,因为其作为支吊架的生根点,直接决定支吊架是否牢靠,必须有清晰的了解,特别是板厚,再选用适当的锚固方式与锚栓。

    具体的实施方式有以下几种:

    (1)用BIM技术对走廊管线进行三维建模,根据三维模型生成剖面图;生成剖面图时,自动附着、捕捉系统中的管道截面及标高。

    (2)根据空间要求及不能调节的管线(譬如排水管线),必要时可更改有压管走向(在剖面中上下左右调节位置),风管形状规格(譬如800×750可改为1000×600,这样可节约吊顶空间);强电还需考虑放置电缆空间与检修空间,根据现场情况,必要时可以把桥架分改为几根线管综合布排,以节约相应的空间。

    (3)更改完剖面图后通过BIM技术对更改后的各专业管线再次碰撞检查,检查各管线是否与建筑结构碰撞,各专业间是否碰撞,进行再次协调整合,如此往复多次。最后生成的平面图中管线走向同步作了相应的改变。

2.2BIM技术在抗震支吊架系统的应用实例

2.2.1系统设计与模拟

    该项目为广州某大型项目,选择管线设备集中的地下二层核心筒走廊样板区进行成品与抗震支吊架的深化设计。

    走廊层样板区位于地下二层南北走向走廊,该区域管线较多。其包含了冷却水、消防喷淋、给水、送排风、变配电及应急电源、照明、弱电控制等多个系统的管线。该区域管线复杂,而且还需要保证抗震斜撑的安装空间,从而需要更准确的管线综合排布。BIM效果图更能体现管线的布排及支吊架各个构件所需要的位置空间。最具代表性的支吊架模拟就是同时双侧向及双纵向的门型抗震支吊架的模拟。
  
    技术人员首先对该区域的设计图纸进行了图纸会审,根据设计的二维图纸中的管线位置进行模拟,判断是否有空间位置安装能承受相应地震力荷载的支吊架,如不能,将标注有出入处和需要更改空间位置的管线进行整理并与设计沟通。然后对该区域管线进行管线综合布排并进行模拟设计、绘制管线图,最后对综合后的管线进行碰撞检测。图4为走廊样板区二维设计的局部平面图,图5为管线剖面图,图6为走廊样板区门型抗震支吊架的三维效果图。


图4走廊样板区二维设计的局部平面


图5综合布排前管线剖面


图6走廊样板区门型抗震支吊架的三维效果

    结合图4~图6,分析结果如下:

    (1)管线左边为结构墙,右边为砖墙,结构墙可以作为抗震支吊架的生根点,而砖墙则不能。

    (2)管线左、右两边与结构墙之间的距离过近不足以做45°侧向斜支撑。

    (3)水管右侧如设侧向支撑,桥架之间的空间不足以放置一根41×41×2的C型槽钢,且桥架还需单独设置门型吊架。

    (4)管线之间的间距均足以放置垂直的C型槽钢作为垂直承吊槽钢及纵向斜支撑。

     经过管线空间位置的模拟及综合管线布排,解决方案如下:

    (1)将3个桥架降标高与风管底标高一致,将支吊架分为上下两层。

    (2)将风管与桥架整体左移,以减少横担的跨度,也为右边侧向斜支撑准备一定的空间。

    (3)最下层的横担经过挠度计算选型后,将横担左侧延伸至结构墙并用型钢底座进行生根固定,这样将横担与斜撑简化为一体,既能提高侧向抗震效果,又能节约材料。

    (4)纵向斜支撑的安装位置分别设置在离两根垂直C型槽钢中心水平距离不超过200mm的最下层横担上,根据斜撑安装空间选择在垂直C型槽钢左右或者离其中心的距离不超过200mm横担上。

    (5)根据实际安装空间设置右侧侧向斜支撑,横担上的生根位置同上,并保证其与垂直C型槽钢之间的夹角不小于30°,根据设防作用范围的地震力荷载,验算侧向支撑是否满足要求,结果证实达到要求。

2.2.2设计建议和解决方案

    该实例是结合BIM技术解决抗震支吊架安装中最为常见的侧向斜支撑安装空间的问题,创新地将最下层横担延伸通过型钢底座与左侧结构墙进行生根,将侧向支撑改为一体的水平支撑,加大号的水平横担的抗拉压能力远高于普通斜支撑;将管线进行简要的空间位置布排,减少没必要的管线位置移动,减少横担的跨度,既节约空间,又节省型钢材料,达到了管线综合布排的要求。

    针对常见的斜支撑安装空间的问题,特提出如下建议及解决方案:

    (1)根据支架周围的剪力墙、梁、柱、楼板等结构体,尽量选择可缩短斜支撑长度或者增大斜支撑角度的位置作为生根处。


    (2)吊杆本身均具有抗剪切能力,特别是短的吊杆,当其抗剪切能力能够满足下端管线的地震力荷载时,可选择将斜支撑安装在垂直的C型槽钢吊杆及加劲槽钢上,但距离管线质心的垂直距离不得大于300mm。

    (3)如是多层门型吊架,可选择在横担与垂直C型槽钢连接处附近增设斜支撑,直到满足抗震要求,这样才能在满足不超过国标要求的最大间距的情况下,尽量减少一段管线上抗震支吊架的数量。

    (4)柔性钢索对空间要求相对较低,在成对对称布置的前提下,也可考虑柔性抗震支吊架的应用。

2.3BIM技术在抗震支吊架系统中的应用特点

    设计与施工之间的协调更改一直是施工的重点和难题,特别是在支吊架领域,由于支吊架是附着在管道以及结构上,需考虑施工现场的实际空间环境等因素。目前项目施工往往需要有经验的施工者根据图纸与想象结合现场安装空间位置来决定,同时会影响其他专业管路的安装变更。利用传统的CAD预先所布置的点位,例如广州某项目,采用抗震支吊架系统,由于现场实际安装条件,安装线路与设计图纸有一定的偏差,导致多次施工图纸变更。BIM软件,在设计院所交付的BIM图上直接进行布点,充分考虑建筑的结构,在设计阶段便已考虑支吊架的生根点,从而避免了反复更改图纸带来的麻烦与浪费。

    BIM软件在设计阶段提前充分考虑到管线综合的细节问题,避免问题遗留到施工阶段。通过施工模拟演练,能更快、更精准地提前统计出各时间点所需的材料,便于材料的把控。更是可以利用BIM技术直观地预推出材料的堆放位置以及补料时间,节约搬运材料的劳动力,便于现场的综合管理[3]。中国第一个全BIM项目———总高632m的“上海中心”,通过BIM提升了规划管理水平和建设质量,据有关数据显示,其材料损耗从原来的3%降低到万分之一。


结语

    运用BIM的可视化管理,模拟化演练,打破现有支吊架安装的传统模式,全面预先在安装位置的结构里放置预埋件,抗震支吊架安装时,只需用相应的连接构件与预埋件进行紧固安装,避免了锚栓对结构的破坏。抗震支吊架各个构件通过BIM的精确模拟,可以完全在工厂生产线完成,在实际安装过程中只需进行匹配拼装与紧固,施工过程高效无污染。拆下来的材料可重复利用,缩短施工工期,达到绿色建筑施工的标准。


参考文献

1.高远,邓雪原.基于BIM的建筑MEP设计技术研究.土木建筑工程信息术,2010,2(2):95~100

2.王和慧,刘纪才,杜伟国.工厂预制、现场装配———机电安装的发展趋势暨装配式支吊架的主要问题综述.安装,2013,(8):61~64

3.刘政.BIM技术在机电安装工程深化设计中的应用.安装,2014,(6):58~60

(作者:严丰安固士(天津)建筑工程技术有限公司)

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