基于BIM 技术的核电厂结构模块就位安装

2024-01-08刘虹泽朱茂林

设备管理与维修 2023年23期

刘虹泽，朱茂林，刘帅

（上海核工程研究设计院股份有限公司，上海 201100）

0 引言

核电作为一种稳定高效的清洁能源，近年来在我国发展迅速。核电建造工艺的提升也势在必行，通过模块化施工，不仅能提升核电现场建造进度，同时有利于核电现场建造质量的控制，因此模块化施工在核电厂建造中的应用也越来越广泛。但大型结构模块的就位安装工作也对现场施工提出了新的考验。BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术的应用很好地解决了大型结构模块就位安装时的干涉问题。

1 概念介绍

1.1 模块

模块是指一个由材料和部件组装而成的组合件。模块化施工是一种先进的施工理念，它对传统施工理念进行优化，大量引入平行作业，使厂内的使用作业从串行施工变为并行施工。依靠先进技术，将土建、安装、调试等工序进行深度交叉，从而大大缩短了核电站建设工期，进而降低工程造价。典型非能动核电厂的模块主要分为机械模块、结构模块、免拆除浇筑模板、楼梯模块等。

1.2 结构模块

结构模块一般由钢板和型钢及内部混凝土构成，形成完成厂房的结构。其目的是取代传统的棒式钢筋绑扎和模板材料支设。一旦将组装好的模块安装就位，混凝土浇筑施工就能与房间完成和设备模块安装平行进行。典型的结构模块主要包括两侧面板、两侧面板中起支撑和连接作用的型钢、面板内侧的剪力钉等（图1）。

以CA20 结构模块为例，该模块是结构模块中最大的模块之一，位于辅助厂房6 区（1/K 轴-N 轴与2 轴-4 轴线之间区域）标高-10.200 m 的底板上，主要用于乏燃料的贮存、传输、热交换以及废物收集等，是由27 个墙体模块和18 个楼板模块及角钢梁构成的箱盒板式钢构构筑物，具体安装位置如图2 所示。

图2 结构模块位置

模块的外形尺寸为17.75 m×15.55 m×22.85 m（长×宽×高，图3），外形尺寸大，结构复杂。其就位底板布置大量插筋，就位时与模块墙体内的型钢、剪力钉以及模块内已安装好的管道等结构冲突的风险极大（图4）。如果在就位过程中处理干涉问题，则会增加吊装风险，因此提前识别并消除干涉，对于CA20模块的就位安装至关重要。

图3 CA20 模块外形

图4 CA20 模块就位基础

1.3 BIM 技术

BIM 是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，是基于三维图形、物件导向、建筑学的计算机辅助设计。目前，国内BIM 技术在民建施工中的应用已趋于成熟，针对道路、桥梁的BIM 技术应用也在逐步深化中。在核电建设土建施工过程中，BIM 技术的应用还在初步探索阶段[1]。BIM 模块化施工的核心理念是“虚拟建造，事前反馈”[2]。

2 基于BIM 技术的CA20 结构模块就位安装

利用BIM 技术，在CA20 模块的安装就位前对基础部位的钢筋和模块内部的结构进行模拟，提前识别出干涉部位，并按照允许的技术要求进行处理，能有效避免吊装时的干涉问题，降低吊装风险，其主要包括数据采集、碰撞检测、干涉处理3 个步骤。

2.1 数据采集

设计图纸中已经提供了结构模块内的型钢、剪力钉及模块基础上钢筋等的布置位置，但在实际执行过程中会产生各种偏差最终导致干涉碰撞的产生，产生偏差的因素如下：

（1）结构模块拼装过程中焊接引起的模块变形。

（2）结构模块吊装、翻转过程中由于磕碰等原因引起的模块变形。

（3）结构模块组装拼装过程中产生的累计误差。

（4）模块基础浇筑过程中钢筋发生位移。

因此，仅用设计图纸中的数据进行BIM 模型的搭建来进行碰撞检测是不可行的，应结合图纸利用三维扫描仪器对实体进行现场数据采集，并用采集的数据来搭建BIM 模型（图5、图6）。

图5 三维扫描仪器

图6 三维扫描数据收集

2.2 碰撞检测

在数据采集完成后，可利用合适的软件平台建立BIM 模型。BIM 技术在国际上已有上百种相关软件，针对不同的问题采取不同的软件能在保证节省效率的同时提高模型精度[3]。常见的软件平台有Autodesk Revit、Tekla、Rhino、ArchiCAD 等，其中Revit软件具备相对简单、操作界面友善、兼容性强等特点，应用广泛。

完成BIM 模型的建立后可导出WC/IFC/DXF 格式文件，将其导入到Navisworks 碰撞检测软件中进行检测，校核精确度，可得到节点碰撞模型（图7）。

图7 整体干涉

2.3 干涉处理

在得到节点干涉碰撞模型后，可依照设计允许的方式进行干涉处理。常见的处理方式有修改结构模块内的构件和修改基础钢筋。

2.3.1 修改基础钢筋

当结构模块内的构件与基础发生干涉时，一般采取修改基础钢筋的方式来进行干涉处理，该处理方式主要包含两类。

2.3.1.1 钢筋弯曲避让

当模块内的构件与基础钢筋干涉较小，通过适当避让即可规避时，可采用弯曲钢筋的形式进行避让。钢筋适当的弯曲不会影响其伸入混凝土的长度和与混凝土的接触面积，即不会影响整体的受力和结构性能，因此可做适当弯曲来进行干涉避让，对于易操作的钢筋可直接进行绑扎弯曲，对于不易弯曲的钢筋可按照设计批准后的方式进行热弯处理（图8）。

图8 钢筋弯曲避让

2.3.1.2 切割钢筋并恢复

当干涉情况较严重，不能通过钢筋弯曲进行排除时，可在吊装之前进行部分切除，待模块就位后恢复。钢筋恢复采用全焊透对接焊的形式进行焊接，焊接接头采用100 % 目测及磁粉检测，钢筋恢复后需保证至原设计高度。在进行钢筋恢复时，需要对模块本体进行切割创造钢筋恢复和焊接空间，钢筋恢复完成后对模块切割部位进行恢复，恢复钢板开坡口，进行单V 全熔透焊接。

2.3.2 修改模块内的构件

除修改基础钢筋外，还可以通过修改模块内构件位置的方式进行干涉避让。以修改剪力钉位置为例，对于剪力钉的修改可采用弯曲避让和拆除后恢复两种方式：剪力钉弯曲避让，一般可将剪力钉扳弯不超过30°，待吊装就位完成后复位到不超过15 °，且弯弧直径不小于4 d，复位后检查根部焊缝是否有裂纹，保证不影响剪力钉强度。若需切除剪力钉，可在吊装之前进行切除，在切除时应采取措施避免伤及母材，吊装完成后在被切除剪力钉周围75 mm 内恢复被切除的剪力钉。