1.国家电投集团河南电力有限公司沁阳发电分公司中电投电力工程有限公司国家电投集团河南电力有限公司沁阳发电分公司
摘要： 介绍大跨度储煤场预应力管桁架+预应力索结构，遵循“凡是与工作相关的信息必须通过可视化的形式表现出来”的遵旨，根据数字化、模型化原理，解决了大直径管桁架冷弯、形式各异管件加工与拼装、焊工所作业的焊缝进行编码可追溯性质量管理、焊缝位置模型化标识等技术难题，以电力人的工匠精神为驱动，精益建设为主导，取得了创新成果。主要有六项核心型技术，针对主体钢结构建造中的技术难题开展了数字化建造关键技术研究和实施，不断丰富模型信息，最终形成完整的竣工BIM模型，为项目全寿命期数据分析提供支持，取得了创新型成果。
关键词： 大跨度储煤场封闭工程 空间管桁架 预应力索结构 数字化 BIM模型 空间双向弯曲管件 曲面坡口 内隐蔽焊缝焊接
一、前言
近年来随着环保要求的提高，新建电厂基本都要配套建设封闭储煤场，以往的露天煤场也要逐步进行全封闭改造，条形封闭储煤场相对于筒仓和圆形储煤场而言，因其性价比高在电厂中应用非常普遍。传统储煤场大部分由钢网架加彩钢板维护构成，过大的跨度会造成成本急剧上升，其结构特性一般跨度不超过120米。为了尽量节约造价，缩短施工工期，提高储煤场主结构在高腐蚀的煤场环境中的耐久性，预应力管桁架结构体系在封闭储煤场领域应用越来越广泛。通过预应力技术和传统钢桁架进行有机结合，构成新型预应力管桁架结构，可实现200米以上跨度空间的封闭，且降低吨煤的存储成本，非常适合超大规模储煤场封闭和既有储煤场封闭改造工程。
预应力管桁架结构是将上弦刚性受压构件通过撑杆与下弦拉索组合在一起，形成自平衡的受力体系，又称张弦桁架结构，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构体系发展中最成功的创造之一。
二、立项背景
焦作丹河电厂异地扩建2 ×100万千瓦机组上大压小工程大跨度储煤场封闭工程（效果图见图一）属特级大跨度钢结构建筑工程，建筑面积62090平方米，结构最高点标高51.3米。大跨度的空间管桁架+预应力索结构体系，由13榀张弦预应力索管桁架及2榀山墙管桁架，每两榀张弦桁架之间设置横向联系桁架结支撑和系杆，净尺寸219m（跨度方向）×230m（长度方向），桁架间距16.5m，单榀桁架重量约165t，预应力管桁架下弦设置5×199双层护套预应力拉索，主桁架的所有管件均为弯曲钢管。本项目针对大跨度储煤预应力管桁架+预应力索结构，跨度大、高度高、覆盖面积大的特点，针对近年来大跨度储煤场钢结构坍塌事故和施工安全事故情况，提出本项目一些改进措施，积极策划，大胆创新，组织调研，全面了解收集大跨度储煤场施工技术及经验，总结分析，努力建造单拱结构预应力钢结构国内跨度第二精品工程。
火力发电厂工程建设涉及专业较多，项目庞大，参与方较多，整个项目利用BIM技术，形成数字化电站或智能化电站，投入较大，工作量非常之大。结合本项目工程特点：大跨度侧煤仓钢结构的特性，结构杆件数量多且型式多样的特点，利用BIM技术进行数字化建造建模技术的探索，分析五个方面的应用课题：
1、针对空间大直径冷弯管弓形弯曲曲线达到圆弧状形态不顺直，个别区段形成硬弯曲，不利于结构受力，加工杆件形式较多，管件连接坡口切割曲面加工无法实现；
2、针对主体桁架、辅助桁架、连接桁架和斜支撑等连系杆件多，焊接节点连接坡口型式各异，加工无法采用人工曲面坡口加工，加工周期较长的技术难题；
3、针对空间预应力管桁架结构受力要求，预应力索受力位置和连接杆、索夹等杆件加工、拼装必须位置准确、加工精度要高，拉索耳板为不规则体的加工和拼装的技术难题；
4、针对本项目施工图中构件列表数量多，形式各异及三维坐标法标注，施工者很难直观地理解设计意图且不便与加工和拼装施工，拼装空间安全风险高，工作效率低的技术难题；
5、针对本项目焊接工作量大、焊口位置标识和焊口质量的可追溯性，为项目运营期观测及全寿命期数据分析支持的难题。
针对以上技术难题，本项目立足于技术发展前沿，以BIM软件信息为基础，依托数字化、模型化原理，采用空间双向弯曲曲线数字模型转化，解决了钢管弯曲的难题，大大提高了杆件加工、校核效率以及现场拼装效率。遵循“凡是与工作相关的信息必须通过可视化的形式表现出来”的遵旨，利用BIM技术Autodesk Revit、Bentley Structures和Navisworks软件生成模型（见图二：大跨度储煤场整体桁架图），在模型中对杆件形体提取，生产加工模型，结合数控加工设备，进行数控化加工，加工精度高；在焊工所作业的焊缝进行编码，在模型中对杆件以及焊工所作业的焊缝进行编码，焊缝位置模型化标识，对工程质量控制和工程安全全生命周期管理有很好作用。利用数字化技术在设计和建造方面发挥模型及模型信息化课题研究和实施，不断丰富模型信息，最终形成完整的竣工BIM模型，为项目全寿命期数据分析提供支持。
本项目以电力人的工匠精神为驱动，逐步努力技术研究，利用数字化建造关键技术难题开展了数字化建造，取得了创新成果，主要有五项核心型技术，针对主体钢结构建造中的技术难题开展了数字化建造关键技术研究，取得了创新型成果。
三、项目实施过程及效果
1、利用BIM技术生成模型，对空间双向弯曲管件实现数字模型
本项目主桁架管件直径大、管壁厚，桁架管件曲率不一多，型式各异，冷弯加工难度大。针对加工中的技术难题大，利用BIM技术生成模型（见图三：单榀主桁架效果图），对空间双向弯曲杆件形成管件模型，进行数控技术加工。本项目最大直径冷弯曲管φ500*34，数控化若干次微分塑性冷弯加工，弯曲度达到设计要求，经现场安装测试，15榀拱桁架偏差在规范允许范围内，很好的实现大直径冷弯管弯曲椭圆度和平直度加工精度，解决了加工难题，大大提高了主桁架管件的加工、校核效率。
2、利用BIM技术生成模型，对空间杆件焊接节点坡口数控化加工
针对主体桁架、辅助桁架、连接桁架和斜支撑等连系杆件多，焊接节点连接坡口型式各异，无法采用人工曲面坡口加工的技术难题，利用BIM技术生成模型，提取杆件模型（见图四：管件模型示意图），模型细化焊口坡口轨迹，以便实现数控加工，并对杆件模型进行编码，防止现场错用、混用，提高组装效率。
经过模型计算，本项目对不同直径管件及同一直径不同坡口的数量统计，总计305种连接杆件。通过数控化加工和现场安装测试，加工精度在规范允许范围内。通过模型系统化编码，加工时将编码采用电子钢印的方式标识在杆件表面，大大提高了拼装效率，取得了创新型成果。
3、空间预应力张拉索耳板的数字化模型加工及安装技术
预应力管桁架结构通过对索施加一定的预拉力，将索与桁架之间的受力比例进行科学调整，使整体结构既充分发挥了索的抗拉能力，又大大降低结构的水平推力，减少钢材用量，便于预应力管桁架结构杆件之间采用相贯线焊接。
本项目的预应力张拉索采用空间张拉的施工方法，自一端向另一端拼装、张拉，拉索索体设计为φ5*265mm，其钢丝为抗拉强度1670MPa，长180.6米，每根重量7.4吨。大跨度储煤场空间结构整体稳定性分析中预应力张拉索结构分析尤为重要，张拉索耳板的空间位置、不规则体的放样、加工和拼装是施工难题。利用BIM技术生成模型，解决不规则体加工及拼装技术。
本项目拉索耳板是预应力索与管桁架连接支点，耳板贯穿主桁架下炫管焊接于主桁架，以为防止因拉索索力过大导致下弦管的局部屈服变形过大，端板与拉索连接处增加两块δ=40厚的劲板加强。耳板的加工和拼装精度要求高，通过数字化模型（见图五：耳板模型示意图）计算，精准实现了26片耳板空间拼装，现行了精益建造的效果。
4、利用BIM模型，实现三维图纸会审、虚拟设计和施工交底及施工模拟
本项目建设伊始，就提出建设三维数字化电站，大跨度煤棚工程设计和模型计算、风动试验等均在三维空间中建立多专业数字化信息模型，实现建设及运行全寿命数据的传递和共享。模型所有信息来源于工程构件，工程构件的所有信息来源于建设过程信息。
利用BIM模型，实现三维图纸会审、设计交底及施工模拟（见图六：施工模拟示意图）。虽然施工模拟已清晰的模拟了施工环境及作业条件，大大减少建筑质量问题，安全问题，减少返工和整改，精准评估安全风险，但是因为技术工具和工作习惯等问题，还需现场加强管理和监督工作。
5、利用BIM模型，实现焊工与所作业的焊口编码，实现项目全寿命期数据支持
干煤棚钢结构存在大量焊缝以及内隐蔽焊缝，内隐蔽焊缝焊接质量难以控制。本项目利用BIM模型，建立焊口模型信息，对焊工及所施焊缝进行模型录入。内隐蔽焊缝通过模型分析，进行识别、记录、编码，处理采取加劲板措施，实现焊缝全过程质量管控，提高了焊接效率，并将加劲板信息录入模型，同时录入焊口检测信息，使模型信息丰富，实现项目全寿命期数据支持。
6、利用BIM模型减化工程量计算程序，提高预算精度
主体桁架为空间双向弯曲管件，辅助桁架、连接桁架和斜支撑等连系管件种类多、型式各异，工程量计算繁杂，工作量大。利用BIM模型，进行工程量统计，大大减化工程量计算程序，计算准确，提高了造价人员的工作效率。
四、项目经验总结
1、本项目大跨度储煤场CAD平面施工图，通过密密麻麻的三维坐标法标注，难懂不便施工，利用三维模型实现空间放样，清晰，实用。利用BIM模型，数字化建造技术，从设计阶段实现三维数字化建模，使施工者直观地理解图纸意图，施工阶段实现高精度的加工及拼装，使难点部位可视化、提前预见问题，减少安全风险，提高工作效率，确保工程质量。
2、本项目大直径三维模型放样结合数控化冷弯加工，实现弯曲管桁架加工精度，保证工程质量。
3、通过三维模型放样，对不同直径管件及同一直径不同坡口杆件，结合数控化加工，加工精度高，拼装效率高。
4、利用模型，实现三维图纸会审、设计交底及施工模拟，使管理人员和作业人员有感性认识，大大减少质量和安全问题，减少返工。
五、工程推广应用
利用BIM建模，搭建数字化建造技术，在本项目得到了成功应用，在其他类似工程（诸如：会展中心、体育馆、飞机停机库、火车站等）推广使用。尤其在空间大直径二维或三维弯曲冷弯管件加工，以及型式各异的管件、杆件无法采用手工曲面坡口加工等技术难题方面，取得了显著经济效益，具有广阔的应用前景。
利用BIM模型，凡是与工作相关的信息必须通过可视化的形式表现出来，实现三维图纸会审、交底及施工模拟，模拟了施工作业条件，大大减少建筑质量和安全问题，减少返工和整改，实现建设及运行全寿命数据的传递和共享，为打造项目国优金奖和集团公司提出的工匠理念奠定基础。
六、数字化建造技术探索
1、对于本项目，高空作业多，安全风险大，利用BIM模型建立时，只进行了三维信息功能丰富，在工期方面未进行模拟，进一步利用BIM技术，实现网络图信息，让模型更加智能化，模拟出科学合理的进度管理措施，在人力，机械投入方面做科学计算，制作多因素影响整体进度可靠性预测模型，为项目决策提供科学依据。
2、本项目主体结构为大跨度储煤场封闭---钢结构建筑工程，配有照明系统、消防系统和通风系统，专业较为单一，其它工程利用BIM技术，在施工图设计中可以实现多专业协同设计，在错、碰、漏、撞等问题上更好利用BIM的特点，使其发挥更大的作用。
3、利用BIM技术实现了施工方案的工程计算及优化，由于本项目特点大跨度钢结构施工，需大量的组装场地和施工场地动态协调工作，组装过程的模拟仅发挥了BIM技术的一个优点，如何更好的全方位实现动态总平面优化模拟、空间动态化冲突模拟和安全问题等模拟，为节约成本和施工方案优化提供经济效益。
4、全面提高建筑业信息化水平，着力增强BIM、大数据、智能化等信息技术集成应用能力，推广数字化技术需在项目招标过程中作为一项技术措施列入招标文件中，在项目实施阶段实施，为项目全寿命周期提供数据分析支持。
七、结束语
本项目通过数字化技术应用，管桁架加工安装、杆件焊接质量和预应力索张拉效果质量优良，也为空间钢结构管桁架+预应力索结构跨度219米技术难题累计经验，被中国钢协空间结构分会评为“金奖工程”。
项目前期就确立了本项目创中国钢协空间结构分会金奖目标是非常正确和超前的。项目人员积极策划，组织外出调研、参观和学习，全面了解收集大跨度储煤场施工技术及经验，提出具有项目特性的针对性解决的技术难题，利用数字化技术在设计和建造方面发挥模型及模型信息化课题研究和实施，不断丰富模型信息，最终形成完整的竣工BIM模型，为项目全寿命期数据分析提供支持。
参考文献
《大跨度储煤结构-----设计与施工》作者罗尧治
《电力建设工程BIM建模》（刘睿 胡骁强 马健著）（中国电力出版社出版）
《建设工程施工进度BIM预测方法》（李勇编著）（化学工业出版社出版）
《焦作丹河电厂异地扩建2*100万千瓦上大压小工程封闭煤场工程初步设计文件》（哈尔滨建创钢结构有限公司编制）
《焦作丹河电厂异地扩建2*100万千瓦上大压小工程封闭煤场工程施工组织设计》（哈尔滨建创钢结构有限公司编制）
《焦作丹河电厂异地扩建2*100万千瓦上大压小工程封闭煤场工程施工图》（哈尔滨建创钢结构有限公司设计出版）
《焦作丹河电厂异地扩建2*100万千瓦上大压小工程煤罩棚张弦桁架结构--结构计算复核报告》（北京市建筑研究院有限公司出版）
论文作者:王维强1,赵永雷2,刘亚琼3
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第28期
论文发表时间:2018/12/27
标签：桁架论文; 模型论文; 煤场论文; 预应力论文; 加工论文; 项目论文; 技术论文; 《建筑学研究前沿》2018年第28期论文;