基于 BIM 技術(shù)的裝配式混凝土風(fēng)電塔架深化設(shè)計(jì)

為避免風(fēng)電機(jī)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(yīng)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(jù)工藝要求，混凝土部分被拆分為多個(gè)構(gòu)件，在構(gòu)件廠完成預(yù)制，再在現(xiàn)場吊裝。目前圍繞塔架現(xiàn)場施工模擬的研究比較充分，但針對(duì)構(gòu)件深化設(shè)計(jì)鮮有研究。構(gòu)件深化設(shè)計(jì)的精細(xì)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(duì)塔架混凝土部分預(yù)制構(gòu)件從拆分方案到深化設(shè)計(jì)中孔道、鋼筋及預(yù)埋件等布置要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，提出利用BIM三維建模出圖解決碰撞問題，借助參數(shù)的驅(qū)動(dòng)方式快速布置鋼筋，采用極坐標(biāo)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(xiàng)目為例進(jìn)行講解，該項(xiàng)目中風(fēng)電塔架均為2.0MW電勵(lì)磁風(fēng)電機(jī)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(xiàn)拉應(yīng)力，采用40束無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行張拉錨固，上端錨固在鋼法蘭上，下端錨固在基礎(chǔ)中。上部鋼塔筒部分通過法蘭盤實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，上部鋼塔筒結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)形式相同。本文僅研究下部混凝土塔筒設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目所在地抗震設(shè)防烈度為7度，混凝土塔筒抗震等級(jí)為二級(jí)。

裝配式塔架設(shè)計(jì)

塔架拆分設(shè)計(jì)

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，混凝土塔筒部分確定為中空?qǐng)A臺(tái)柱，其幾何信息如表1所示。

由于該項(xiàng)目地處偏僻，為保證構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸及吊裝方便，綜合考慮洞門高度、構(gòu)件吊重和鋼模板尺寸模數(shù)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(jié)段( 見圖1) 。為減少現(xiàn)場濕作業(yè)，單節(jié)段構(gòu)件不再沿環(huán)向進(jìn)行拆分。按照上述拆分原則，最大構(gòu)件重約100t，位于基礎(chǔ)頂面第1塊，其余構(gòu)件吊重均不超過90t，滿足預(yù)制構(gòu)件吊重限值。

圖1 混凝土塔筒拆分

Fig．1 Concrete tower tube splitting

塔架連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為使各節(jié)段混凝土塔筒間傳力合理、施工方便，本項(xiàng)目進(jìn)行如下節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。對(duì)鋼-混過渡部分，混凝土塔筒通過上部錨固的鋼墊板與鋼法蘭接觸，借助預(yù)應(yīng)力預(yù)壓作用實(shí)現(xiàn)連接，如圖2所示。

圖2 鋼法蘭與混凝土構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)

Fig．2 Connection between steel flange

and concrete members

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，通過接縫注漿的方式實(shí)現(xiàn)連接，如圖3所示。

圖3 混凝土塔筒水平縫節(jié)點(diǎn)

Fig．3 Connection between tower

tube horizontal seam

塔架構(gòu)件深化設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目混凝土塔筒為三維薄壁曲面構(gòu)件，預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要體現(xiàn)為坐標(biāo)系確定、孔道定位、鋼筋和預(yù)埋件的布置等方面。由于本項(xiàng)目構(gòu)件形式較復(fù)雜，因此采用BIM 技術(shù)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。

構(gòu)件坐標(biāo)系確定由于裝配式施工工藝是將整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)拆分為多個(gè)獨(dú)立構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和安裝，為保證后期生產(chǎn)與安裝定位準(zhǔn)確，必須在設(shè)計(jì)階段對(duì)構(gòu)件在整體結(jié)構(gòu)中的定位關(guān)系予以統(tǒng)一和明確。為此，預(yù)制構(gòu)件坐標(biāo)系按如下原則確定:

1.構(gòu)件下底面圓環(huán)中心作為坐標(biāo)系原點(diǎn);

2.構(gòu)件由上到下水平投影按照極坐標(biāo)系的方式定位;

3.從坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)沿洞門中心線方向?yàn)?°方向，并按照順時(shí)針方向?yàn)檎?

4.坐標(biāo)原點(diǎn)朝向構(gòu)件上方作為坐標(biāo)系z(mì) 軸。構(gòu)件坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 構(gòu)件坐標(biāo)系

Fig．4 Coordinate system of the members

預(yù)應(yīng)力孔道定位

該項(xiàng)目中混凝土塔筒構(gòu)件每個(gè)截面均有40個(gè)預(yù)應(yīng)力孔道，根據(jù)與門洞的位置關(guān)系可分為標(biāo)準(zhǔn)孔道和非標(biāo)準(zhǔn)孔道，如圖5所示。

圖5 預(yù)應(yīng)力孔道

Fig．5 Prestressed duct

1.標(biāo)準(zhǔn)孔道分布于距洞門較遠(yuǎn)的區(qū)域，孔道中心線在水平面投影沿圓弧方向等角度均勻布置，孔道軸線投影交匯于圓心，即坐標(biāo)系原點(diǎn)。

圖6 構(gòu)件節(jié)段間孔道偏差

Fig．6 Duct deviation

2.非標(biāo)準(zhǔn)孔道靠近洞門，屬于三維孔道，存在2 個(gè)維度的傾角，孔道軸線投影不通過圓心。塔筒吊裝完成后，預(yù)應(yīng)力鋼束均需從每個(gè)孔道自上而下依次穿過。由于孔道數(shù)量較多，容易出現(xiàn)構(gòu)件節(jié)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(xiǎn)增加; 此外非標(biāo)準(zhǔn)孔道由于三維斜率原因，問題將更為突出。為解決上述問題，

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

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

鋼筋布置

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

圖7 鋼筋參數(shù)化設(shè)計(jì)

Fig．7 Ｒeinforcement parametric design

1.針對(duì)構(gòu)件內(nèi)外側(cè)豎向鋼筋采用環(huán)向陣列的布置方式，考慮到構(gòu)件高度不同，將陣列后的鋼筋族設(shè)計(jì)為參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的鋼筋組，通過載入方式實(shí)現(xiàn)鋼筋快速布置( 見圖7a) ，與常規(guī)Ｒevit單一放置鋼筋方式相比效率提升約80%。

2.對(duì)構(gòu)件環(huán)向鋼筋采用報(bào)告參數(shù)的方式解決布置問題。有門洞口避讓的環(huán)向鋼筋，增加開口寬度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)驅(qū)動(dòng)，如圖7b所示，相比常規(guī)Ｒevit 鋼筋放置方式效率提升約60%。

預(yù)埋件布置

由于塔筒節(jié)段為三維曲面構(gòu)件，給預(yù)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題，還要考慮基準(zhǔn)面為曲面給埋件設(shè)計(jì)帶來的困難。

脫模及吊裝埋件與支撐調(diào)標(biāo)高用埋件一般設(shè)置在構(gòu)件橫截面上，放置方式無特殊要求。注/出漿孔道、防雷埋件及設(shè)備連接用牛腿埋件一般設(shè)置在塔筒內(nèi)側(cè)壁上，由于內(nèi)側(cè)壁為三維曲面，采用直角坐標(biāo)系定位不易表達(dá)，且精度不易控制，最終采用極坐標(biāo)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(shè)計(jì)過程中要考慮埋件傾角問題。

由于單個(gè)構(gòu)件中預(yù)埋件數(shù)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(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)關(guān)注，借助Ｒevit 軟件的三維顯示功能進(jìn)行核查和調(diào)整，取得了良好的效果。

結(jié)語

1.對(duì)風(fēng)電塔架及類似結(jié)構(gòu)三維曲面構(gòu)件深化設(shè)計(jì)，利用BIM三維建模出圖可有效解決碰撞問題，同時(shí)借助參數(shù)化驅(qū)動(dòng)方式可對(duì)鋼筋進(jìn)行快速布置。

2.由于風(fēng)電塔架外形如圓環(huán)構(gòu)件，考慮到幾何外形設(shè)計(jì)和埋件定位問題，采用極坐標(biāo)較直角坐標(biāo)系簡便且易于表達(dá)。

3.在塔筒構(gòu)件深化設(shè)計(jì)階段，應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)、運(yùn)輸與吊裝環(huán)節(jié)問題，保證設(shè)計(jì)方案對(duì)后續(xù)環(huán)節(jié)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。深化設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)關(guān)注問題為孔道精確布置、埋件準(zhǔn)確定位及與鋼筋間碰撞檢查等。

（編輯：奚雅青）