机电管线深化设计在钢屋盖体系一体化同步提升中的应用

吴 彪 张 恩 邓正宁 朱玉山 廖文涛

中建三局第一建设工程有限责任公司 湖北 武汉 430040

高大空间钢屋盖体系常规施工受设计图纸、深化设计、专业协调、资源组织及变形控制等技术条件限制，各专业采用高空车或满堂架进行施工。其中，屋盖中的机电管线在钢结构安装完成及屋面闭水后施工，此方法在质量保障、安全防控等方面存在较大难度，且关键线路工序较多、施工周期长、材料运输困难、占用场地多，影响整体质量。由于机电安装的复杂性和综合性，不可避免地加大了各专业之间的交叉碰撞，直接体现在施工时各专业的相互制约，增大了施工难度，降低了施工效率[1]。

为了实现机电管线随钢结构一体化同步提升，本文依托珠海国际会展中心二期项目，分析了基于一体化提升的机电管线变形情况，进行了综合管线分层、走向、节点的深化设计，并研究了综合管线模块化快速建造，大大降低了机电安装施工难度，达到提高成形质量、缩短工期、降低安全风险的目的。

1 工程概况

珠海国际会展中心二期项目二标段地处澳门与珠海交界的十字门CBD，集高端会展、会议及宴会功能为一体，是珠三角功能最完善、配套最齐全、设施最先进的专业场馆之一。展厅采用国内首创的上下2层72 m大跨钢箱梁叠加布置，为典型的大跨重载结构。

本项目展厅全部采用钢箱梁＋小梁的形式。通风及空调系统主要包括空调水系统、空调风系统、通风系统；消防系统主要包括消防水系统、火灾自动报警系统、气体灭火系统、防排烟系统。钢屋盖下方共有风管系统管线35条，共计1 750 m2；消防水管系统主管8条，共计545 m；机电管线位于钢箱梁下弦次梁下方，最高安装高度达37 m。

2 机电管线深化设计工作要求

在不更改原设计系统的前提之下，对管线进行平面、竖向的优化排布，以期达到经济、美观、实用的统一[2]。项目需制定详细的BIM深化设计图纸及出图计划，初步设计由总承包审核、协调、修改，图纸送监理、建设单位审核[3]。通过总承包深化设计管理，确保图纸及时深化设计和确认，保证深化后的图纸具有如下特点。

1）可操作性：具备在施工现场的可操作性，以便对现场施工进度进行控制。

2）具体化、明细化：图纸设计更完善，明确土建及其他相关单位的工作范围，为配合交叉施工提供有利条件。

3）完善、优化原设计：满足原方案设计技术要求，并对条件图或原理图进行细化、补充和完善。

4）设计集成、一体化：能够尽可能在同一部位进行多专业工程一次施工，减少不同专业之间的交叉影响或因独立施工造成的半成品破坏，同时缩短施工工期。

3 基于一体化提升的机电管线变形分析

3.1 消防水管变形研究

采用Midas Gen有限元分析模拟计算消防水管随钢箱梁变形情况如图1、图2所示。根据计算结果可知，节点间（消防管每6 m一节）最大位移相差为10.5 mm，消防水管最大应力30.5 MPa，小于Q235钢材的屈服强度205 MPa。

图1 消防管应力云图

图2 消防水管位移曲线

针对消防水管的变形，作出如下控制措施：

1）根据钢箱梁变形曲线，在跨中设置可挠性金属软连接件点，并在主管地面安装时预留后装。

2）在钢箱梁提升就位、卸载完成后，进行可挠性金属软连接件安装，并在金属软接头的一侧设置固定支架固定（图3）。

图3 消防水管连接处安装示意

3.2 风管变形控制

根据GB 50243—2016《通风与空调工程施工质量验收规范》，明装水平风管安装时，水平度的允许偏差为0.3%，总偏差不应大于20 mm。本次吊装的风管最长为24 m，经计算总偏差为72 mm，大于20 mm。故按照不大于20 mm偏差控制。因风管在钢梁脱模并提升2.0 m悬停后安装，此时钢梁已充分变形，风管仅考虑自身变形即可。

深化设计时，展厅风管由两侧功能房间向展厅送风。为了减少单根风管长度，使其控制在24 m以内，将风管在钢梁跨中断开，安装时通过调整支架间距及支架水平度控制风管变形。

4 机电管线深化设计

机电管线深化时，对各专业进行叠加并调整形成综合管线平面图后，图中一些管线较为密集区域，仅靠平面图表示不清时，应绘制剖面图，在剖面图中各种管道、线槽要按比例绘制[4]。

4.1 综合管线分层走向深化设计

钢屋盖一体化提升前机电管线安装周期短，屋盖底下机电管线复杂，任务重。项目采用BIM对整个钢屋盖及机电管线进行BIM建模，并对原有机电管线进行优化，从而减少管线与管线之间，管线与钢结构之间的交叉碰撞。

根据一体化提升机电管线变形情况，基于钢梁变形模型将管线分3层布置：

1）最上层布置喷淋主管，喷淋支架置入大梁内。

2）第2层布置相应的电气桥架。

3）第3层平行布置新风和防排烟管道。

通过合理的管线综合排布，达到减小管线占用构筑物预留空间，满足大空间、管线净高要求，且方便安装，易于调试、检修及确保与钢梁连接牢固可靠（图4、图5）。

图4 模型排布整体三维示意

图5 机电管线分布示意

根据一体化同步提升的需要，利用BIM优化机电管线排布走向，将风管、排烟管及消防管在区段内沿主梁方向布置于下弦次梁下方，风管、排烟管在跨中处断开，区段间仅设1道消防管连接接口，最大程度地减少一体化同步提升钢梁变形对机电管线的影响。

4.2 机电管线节点深化创新

4.2.1 基于快速安装的支架体系深化设计

由于展厅屋面属于钢结构屋面，机电管线支架不允许与钢结构进行焊接或者钻孔连接。项目结合钢结构上下弦次梁特有属性，利用BIM技术精准定位，绘制符合项目特色的机电管线支架（双槽钢对夹式支架），并交付加工厂进行提前预制，最大程度地缩短后期机电管线安装时间（图6、图7）。

图6 消防主管支架示意

图7 风管支架安装俯视示意

4.2.2 喷淋支管连接节点设计优化

由于规范要求喷头与楼板的间距为75～150 mm，喷淋支管须置入大梁内部。根据现场钢梁的设计特点，钢次梁每跨间距2 750 mm，符合规范中危Ⅱ级喷头间距要求。项目利用BIM深化设计将喷淋支管移动至次梁边，将上喷的固定支架设置在上弦次梁边，既满足规范要求，也便于固定喷淋支管，同时还节省施工成本，为一体化同步提升创造了有利条件（图8）。

图8 设计优化后喷淋点位示意

4.3 综合管线模块化快速建造

4.3.1 喷淋管道模块化快速组装

根据BIM模型布置，喷淋系统管道按次梁拆解成若干个模块后预制加工，利用BIM-FC软件提取各管段加工清单，分系统编号，进行预制化加工及装配（图9）。

图9 消防系统BIM模型

模块化预制加工控制重点在于模块化设计。模块化设计应根据BIM模型布置，将一整跨的喷淋系统管道按次梁拆解成若干个模块，每一榀次梁的喷淋水管作为一个模块。确定模块组成后预制加工管段，通过绘制模型，利用BIM-FC软件提取各管段实际数据并绘制成加工清单，然后分系统编号，达到预制化加工及装配目的。

4.3.2 风管模块化快速组装

项目采用场外预制，现场拼装的方式进行风管安装。通过BIM技术将风管分成若干段，并进行编号，利用数字加工基地对分段风管进行预制加工后运至现场进行拼装。项目根据深化图纸创造性地提出“导轨定位”管线安装法，实现风管6 h快速组装。所谓“导轨定位”管线安装法就是将导轨中心与图纸上管线中心线精准定位，用推车将场外预制完成的机电管线精准地运送至指定地点，工人只需要将管线上抬至设计标高，封闭管线底部支架，即可完成整项工作流程。随着多条轨道的运输推车一节节地运输卸货，施工班组效率成倍提升，轻而易举地在短时间内完成整条机电管线的拼装工作（图10、图11）。

图10 风管剖面示意

图11 “导轨定位”管线安装

5 结语

为实现机电管线随钢结构一体化同步提升，项目对钢屋盖整体提升的机电管线进行了深化设计，从而有效保障了机电管线综合排布，确保了成形质量。为实现机电管线快速安装，项目利用“导轨定位”法进行管线安装，累计完成85 t钢屋盖机电管线安装，最大程度地减少了后期管线安装的时间，节省了人力、物力，具有较好的综合效益。