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【施工技術(shù)】基于 BIM 技術(shù)的裝配式混凝土風(fēng)電塔架深化設計
發(fā)布日期:2020-03-26來(lái)源:綠建之家

為避免風(fēng)電機組耦合振動(dòng),同時(shí)兼顧材料成本,超高風(fēng)電塔架一般采用鋼-混組合形式。風(fēng)電塔架一般地處偏僻,為適應批量化、短周期的施工需求,混凝土部分通常采用裝配式工藝。

根據工藝要求,混凝土部分被拆分為多個(gè)構件,在構件廠(chǎng)完成預制,再在現場(chǎng)吊裝。目前圍繞塔架現場(chǎng)施工模擬的研究比較充分,但針對構件深化設計鮮有研究。構件深化設計的精細程度決定了工藝成敗,因此非常重要。


本文以某鋼-混組合風(fēng)電塔架為例,對塔架混凝土部分預制構件從拆分方案到深化設計中孔道、鋼筋及預埋件等布置要點(diǎn)進(jìn)行總結,提出利用BIM三維建模出圖解決碰撞問(wèn)題,借助參數的驅動(dòng)方式快速布置鋼筋,采用極坐標方式進(jìn)行定位等措施。



案例介紹


本文以江蘇省某鋼-混凝土組合風(fēng)電塔架項目為例進(jìn)行講解,該項目中風(fēng)電塔架均為2.0MW電勵磁風(fēng)電機組,輪轂高140m,由下部高55.6m的混凝土塔筒和上部高84.4m的鋼塔筒組合而成。為使混凝土塔筒在正常使用階段不出現拉應力,采用40束無(wú)粘結預應力鋼絞線(xiàn)進(jìn)行張拉錨固,上端錨固在鋼法蘭上,下端錨固在基礎中。上部鋼塔筒部分通過(guò)法蘭盤(pán)實(shí)現與混凝土塔筒的連接。為便于施工,下部的混凝土塔筒采用裝配式結構,上部鋼塔筒結構與傳統形式相同。本文僅研究下部混凝土塔筒設計。該項目所在地抗震設防烈度為7度,混凝土塔筒抗震等級為二級。



裝配式塔架設計


塔架拆分設計


通過(guò)結構優(yōu)化,混凝土塔筒部分確定為中空圓臺柱,其幾何信息如表1所示。


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由于該項目地處偏僻,為保證構件生產(chǎn)、運輸及吊裝方便,綜合考慮洞門(mén)高度、構件吊重和鋼模板尺寸模數等限制條件,將混凝土塔筒部分拆分成4.4m+3.35m+3.55m×13+1.4m = 55.3m 組合的16個(gè)節段( 見(jiàn)圖1) 。為減少現場(chǎng)濕作業(yè),單節段構件不再沿環(huán)向進(jìn)行拆分。按照上述拆分原則,最大構件重約100t,位于基礎頂面第1塊,其余構件吊重均不超過(guò)90t,滿(mǎn)足預制構件吊重限值。


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圖1 混凝土塔筒拆分



塔架連接節點(diǎn)設計


為使各節段混凝土塔筒間傳力合理、施工方便,本項目進(jìn)行如下節點(diǎn)設計。對鋼-混過(guò)渡部分,混凝土塔筒通過(guò)上部錨固的鋼墊板與鋼法蘭接觸,借助預應力預壓作用實(shí)現連接,如圖2所示。


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圖2 鋼法蘭與混凝土構件連接節點(diǎn)


混凝土塔筒段間的接縫,借鑒裝配式剪力墻水平縫連接方法,通過(guò)接縫注漿的方式實(shí)現連接,如圖3所示。


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圖3 混凝土塔筒水平縫節點(diǎn)



塔架構件深化設計


項目混凝土塔筒為三維薄壁曲面構件,預制構件深化設計重點(diǎn)主要體現為坐標系確定、孔道定位、鋼筋和預埋件的布置等方面。由于本項目構件形式較復雜,因此采用BIM 技術(shù)對構件進(jìn)行深化設計。


構件坐標系確定由于裝配式施工工藝是將整個(gè)混凝土結構拆分為多個(gè)獨立構件進(jìn)行設計、生產(chǎn)和安裝,為保證后期生產(chǎn)與安裝定位準確,必須在設計階段對構件在整體結構中的定位關(guān)系予以統一和明確。為此,預制構件坐標系按如下原則確定:


1.構件下底面圓環(huán)中心作為坐標系原點(diǎn);


2.構件由上到下水平投影按照極坐標系的方式定位;


3.從坐標原點(diǎn)出發(fā)沿洞門(mén)中心線(xiàn)方向為0°方向,并按照順時(shí)針?lè )较驗檎?


4.坐標原點(diǎn)朝向構件上方作為坐標系z 軸。構件坐標系如圖4所示。


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圖4 構件坐標系


預應力孔道定位


該項目中混凝土塔筒構件每個(gè)截面均有40個(gè)預應力孔道,根據與門(mén)洞的位置關(guān)系可分為標準孔道和非標準孔道,如圖5所示。


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圖5 預應力孔道


1.標準孔道分布于距洞門(mén)較遠的區域,孔道中心線(xiàn)在水平面投影沿圓弧方向等角度均勻布置,孔道軸線(xiàn)投影交匯于圓心,即坐標系原點(diǎn)。


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圖6 構件節段間孔道偏差


2.非標準孔道靠近洞門(mén),屬于三維孔道,存在2 個(gè)維度的傾角,孔道軸線(xiàn)投影不通過(guò)圓心。塔筒吊裝完成后,預應力鋼束均需從每個(gè)孔道自上而下依次穿過(guò)。由于孔道數量較多,容易出現構件節段間孔道偏差,如圖6所示,孔道凈空間被削弱,穿束失敗風(fēng)險增加; 此外非標準孔道由于三維斜率原因,問(wèn)題將更為突出。為解決上述問(wèn)題,


首先在確定孔道內徑時(shí)考慮生產(chǎn)誤差,預留足夠空間,因此本項目孔道截面與鋼束截面面積比為3;


其次在繪制構件三維模型時(shí),采用底圖方式對孔道進(jìn)行定位和繪制,坐標精度為0.1mm。


鋼筋布置


混凝土部分塔筒為薄壁圓環(huán)形構件,且半徑隨高度線(xiàn)性變化,使環(huán)向鋼筋布置的基準不斷變化,導致鋼筋布置及定位十分繁瑣。為此,綜合考慮構件特征,對鋼筋布置方式進(jìn)行優(yōu)化。


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圖7 鋼筋參數化設計


1.針對構件內外側豎向鋼筋采用環(huán)向陣列的布置方式,考慮到構件高度不同,將陣列后的鋼筋族設計為參數化驅動(dòng)的鋼筋組,通過(guò)載入方式實(shí)現鋼筋快速布置( 見(jiàn)圖7a) ,與常規Revit單一放置鋼筋方式相比效率提升約80%。


2.對構件環(huán)向鋼筋采用報告參數的方式解決布置問(wèn)題。有門(mén)洞口避讓的環(huán)向鋼筋,增加開(kāi)口寬度參數,實(shí)現多參數驅動(dòng),如圖7b所示,相比常規Revit 鋼筋放置方式效率提升約60%。


預埋件布置


由于塔筒節段為三維曲面構件,給預埋件的定位與布置造成了極大困難。不僅需要考慮定位方式及精度問(wèn)題,還要考慮基準面為曲面給埋件設計帶來(lái)的困難。


脫模及吊裝埋件與支撐調標高用埋件一般設置在構件橫截面上,放置方式無(wú)特殊要求。注/出漿孔道、防雷埋件及設備連接用牛腿埋件一般設置在塔筒內側壁上,由于內側壁為三維曲面,采用直角坐標系定位不易表達,且精度不易控制,最終采用極坐標方式進(jìn)行定位。同時(shí)由于曲面傾角存在,為保證埋件外露面處于水平和豎直狀態(tài),在埋件設計過(guò)程中要考慮埋件傾角問(wèn)題。


由于單個(gè)構件中預埋件數量較多,埋件間、埋件與鋼筋間交叉情況較為頻繁,因此需要在設計過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注,借助Revit 軟件的三維顯示功能進(jìn)行核查和調整,取得了良好的效果。



結語(yǔ)


1.對風(fēng)電塔架及類(lèi)似結構三維曲面構件深化設計,利用BIM三維建模出圖可有效解決碰撞問(wèn)題,同時(shí)借助參數化驅動(dòng)方式可對鋼筋進(jìn)行快速布置。


2.由于風(fēng)電塔架外形如圓環(huán)構件,考慮到幾何外形設計和埋件定位問(wèn)題,采用極坐標較直角坐標系簡(jiǎn)便且易于表達。


3.在塔筒構件深化設計階段,應綜合考慮生產(chǎn)、運輸與吊裝環(huán)節問(wèn)題,保證設計方案對后續環(huán)節具有實(shí)際指導意義。深化設計階段重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題為孔道精確布置、埋件準確定位及與鋼筋間碰撞檢查等。


來(lái)源:《施工技術(shù)》