基于BIM技术的预埋内挂式管道吊挂安装技术研究与应用

基于BIM技术的预埋内挂式管道吊挂安装技术研究与应用

2身份证号：3711021993010550933身份证号ummary：在建筑施工过程中，随着建筑施工装配式技术发展及BIM技术的广泛应用，采用基于BIM技术精准定位的预埋吊挂安装方式替代传统后钻孔埋置螺栓的方式，可以有效提高管道、设备吊挂安全系数，提高机电安装专业施工的装配率。研发的组合式预埋内挂件进行了理论计算、实体检测验证以及工程实施应用，具有安全可靠、通用性强、工艺简单的特点，结合BIM技术进行吊架设计可以实现精准定位，同时进行了该施工工法在施工工艺、安全保障、经济效益等方面的研究。Keys：BIM技术；预埋内挂件；T型连接件；吊挂安装

前言：近些年国内已经发生多起管道坠落事故，事故发生多为公共建筑或建筑物的公共部分，对人民群众的生命安全及财产造成较大危害。同时，管道坠落也必然给系统运行造成重大影响，严重影响到公众生活、企业生产、科研甚至可能涉及国防。建筑工程施工中的管道、设备及其他构配件的安装固定方式通常采用后打孔埋设金属膨胀螺栓或化学锚栓方式吊挂固定，此类传统安装方式存在的质量隐患是造成此类事故的重要因素。管道安装是机电安装专业的主要作业内容，具有工程量大、荷载大、传输介质种类多、安全影响大的特点，为适应新时代发展、新建造模式、新施工技术的应用，改变传统施工方式成为必然。一、管道吊架现状调研与分析1．民用建筑与一般工业建筑给排水管道支吊架施工依据主要有《室内管道支架及吊架》03S402，设计依据主要为《管道支吊架》GB/T17116、《钢结构设计规范》GB50017以及《建筑结构荷载规范》GB50009等。管道吊架根部常用做法主要有以下4种类型，各类型与混凝土结构连接、与吊杆连接以及优劣分析见下表：

管道吊架根部常用做法类型及分析表类型形式简图适用管径优劣分析类型1锚栓固定槽钢

DN15～150施工成本：低施工性：快捷可靠性：差精准性：较好应用范围：广适用于结构板或梁下吊挂，承载较小类型2埋件焊接槽钢

DN15～150施工成本：较高施工性：繁琐可靠性：好精准性：较差应用范围：较少适用于结构板或梁下吊挂，承载较大类型3埋件焊接吊杆

DN15～300施工成本：较高施工性：繁琐可靠性：好精准性：较差应用范围：少适用于结构板或梁侧吊挂，承载大类型4打穿结构吊挂

DN15～300施工成本：较高施工性：快捷可靠性：好精准性：较好应用范围：少适用于结构板下吊挂，承载大2.吊架根部做法类型中采取预留埋件做法由于安装位置准确性差，结构施工前做到精准定位策划难度大，造成实际安装时可利用率低，虽然此做法安全可靠性高，但由于其工序复杂、精准性差、施工成本较高等因素致使当前采用较少。3.现阶段，建筑工程施工中的管道、设备及其他构配件的安装固定方式通常采用后打孔埋设金属膨胀螺栓或化学锚栓、固定连接钢板或型钢、焊接或穿孔挂吊杆的方式吊挂固定，此类传统安装方式存在的质量隐患是造成坠落事故的重要因素。后打孔埋设金属膨胀螺栓或化学锚栓形成质量安全隐患的原因主要包括以下主要方面：（1）开孔孔径偏大影响螺栓使用性能。混凝土结构梁板后钻孔施工劳动强度大、高粉尘作业环境、混凝土强度高施工困难，且受作业工人的技术、责任心、钻孔设备等影响因素大，容易形成实际孔径与螺栓直径不匹配，普遍存在孔径偏大现象，影响螺栓使用性能，降低吊架的承载能力从而形成较大质量隐患。（2）材料质量是影响吊件的重要因素。现阶段，市场销售的金属膨胀螺栓、化学锚栓的种类形式多、厂家及品牌多，产品质量参差不齐，劣质产品被广泛应用在建筑工程中，这些不合格材料抗拉拔力低、耐久性差，随着使用年限的增加或受管道震动、荷载变化、意外事件（如风、雪、地震等）等的影响，必然形成安全事故隐患。（3）混凝土结构设计对后埋设螺栓的影响。混凝土结构梁板内的钢筋直径与位置也是影响后埋设螺栓的主要因素之一，后置埋件大部分需要多个螺栓固定，而受结构钢筋分布影响，螺栓位置精准且深度满足要求在实际操作中经常存在很大难度，减少螺栓数量、深度不足、位置偏差是后埋置螺栓中普遍存在的状况。二、新型管道及设备吊挂型式必要性分析1.有效解决管道运行过程中的安全性。正常运行中的管道发生的坠落事故警钟，使新型管道及设备的吊挂研发具有了紧迫性。2.劳动力成本增加因素。前述各安装型式中，在结构板打孔安装金属螺栓、安装型钢、楼板打穿孔、手工焊接作业等工序均需要投入较多劳动力，现阶段以至今后劳动力紧张、成本高已成为影响施工造价和工期的主要因素，减少劳动力需求多的手工操作量成为迫切需求，故需要改变传统做法降低成本。3.手工操作精准度差、位置偏差大、质量隐患多。结构混凝土钻孔孔径偏差、埋件位置精准度差、现场手工焊接质量可靠性差等因素，使得提高装配化水平降低手工操作率成为必然。4.提高员工职业健康安全、环境的需求。传统做法的工艺具有手工操作多、高空作业多、作业粉尘多、劳动强度大等不利因素，提高职业健康安全、环境水平需要对吊挂件传统工艺进行改进。三、基于BIM技术的预埋内挂式管道吊挂件安装技术1.施工新技术的普及应用使精准预埋具有了技术保障。建筑施工现场BIM技术应用已基本普及，机电管道、设备安装的综合优化工作已经成为现场管理的常规技术手段，管道及设备的吊挂点位置可以通过BIM技术（市场已经具有专业吊架优化和现场定位软硬件）精准策划定位，实现混凝土浇筑前准确预埋。2.组合式预埋内挂式吊挂件的设计与原理（1）内挂式吊挂件由上部预埋体和下部T型金属连接杆件两部分组成，可作为混凝土结构安装管道、设备等的预埋体。预埋体为薄壁高强硬质塑料壳体，并在顶部设金属槽型件，混凝土结构构件浇筑前将预埋体精准牢固固定在模板上使之埋设于混凝土内，通过预埋体塑料壳体矩形凹槽连通上部金属槽型件形成T型空间；连接杆件为钢制T型杆件（根据需要下端部可为直螺栓，也可为钢环作为挂钩），并带可旋转的紧固盘。组合式预埋内挂式吊挂件设计见下图：内挂式吊挂件构造图

内挂式吊挂件安装图

（2）在结构混凝土浇筑前将预埋体牢固钉固定于结构底模板上，混凝土浇筑完成后预埋体与结构形成一体。（3）内挂式吊挂件的组合安装方式。结构模板拆除后预埋体的下部矩形槽体外露，将T型连接杆件的T型头插入矩形凹槽内至顶部并旋转90度，使连接件牢固挂于金属槽型件的槽内，安装并旋紧紧固盘，使T型杆件位置固定并有效防止T型头转动避免脱槽。组合式预埋内挂式吊挂件实例见下图：内挂式吊挂件实物照片（4）钢制T型杆件的底部可为直接吊挂吊杆用的环形挂钩、可为的标准直螺栓，还可制作为吊挂需求的其他形式，可作为建筑机电管道、设备、重型装饰件等的安装吊挂连接件，还可作为混凝土结构安装支托架的预埋连接件。（5）内挂式吊挂件工作原理分析。利用预埋体件在混凝土内自然形成内凹槽，T型杆件安装就位后，杆件即管道吊杆所承载拉力直接并全部由结构混凝土承载。依靠结构钢筋混凝土抗剪强度承受荷载安全可靠；杆件与混凝土接触面增加钢制垫板可有效传递荷载；预埋体内矩形凹槽使杆件可具有一定的位移调节量，可调节因位置偏差造成的吊点位移。（6）设备及管道的安装。内挂式吊挂件安装组合完毕后，设备及管道利用吊杆的吊挂安装基本与传统安装方式相同，吊点间距、吊杆直径应符合设计及规范、图集的相关要求。四、基于BIM技术的预埋内挂式管道吊挂安装工艺1.施工工艺流程基于BIM技术的预埋内挂式管道吊挂安装施工工艺见下流程图：机电安装各专业设计图纸复核确认

BIM模型制作

碰撞检查

技术优化

BIM优化图纸确认

综合支吊架设计、排布

吊架优化、确认

模板底模验收

模板吊点位置标注

钢筋绑扎

预埋体安装就位

隐蔽验收

混凝土浇筑

底模板拆除

预埋体清孔

T型挂件安装

T型挂架紧固锁定

下吊杆安装

管道安装2.施工操作要点与注意事项（1）利用BIM技术进行吊架设计与排布时，应综合考虑有效空间、各专业管道及设备位置、荷载、结构设计以及相关规范要求等因素设计吊点位置、吊杆规格型号、根部做法、内挂式吊挂件型号、T型挂件的类型，尽可能设计为多专业管道共用吊架等，还要根据相关要求综合设计管道抗震吊架和固定吊架的位置、型号。T型挂件下部采用直螺栓或吊环形式要根据吊架根部做法设计进行确定。（2）为避免各专业、设备吊点位置混淆，内挂式吊挂件预埋体颜色宜根据预设计的颜色进行区分以防确保错用吊点。（3）预埋体预埋作业时应严格按照优化设计点位在梁、板的底模板上分规格型号精准安装就位，严防规格错用。（4）木模板面安装固定采取自带钢钉的预埋体，用锤子敲击就位，要求预埋体底面与模板面紧密接触，确保件体垂直。金属模板面安装固定自带胶体的预埋体，预埋体与金属模板面粘贴牢固紧密。（5）预埋体预埋固定时，件体的矩形凹槽纵向应与管路方向垂直，以实现吊杆在管路轴线垂直方向具有可调节量，达到吊杆管路纵向的直线度，提高安装工程观感度。（6）T型挂件安挂就位时，必须确保T型挂件的上挂端头有效搁置于预埋体上部金属凹槽内，T型挂件的上挂端头平直段与预埋体矩形凹槽纵向呈90度（即吊环方向与凹槽纵向一致）。挂件就位后用紧固盘将杆件锁紧固定，防止杆件脱落或不能实现有效受力。安装见下示意图：内挂式吊挂件组装示意图（7）当设计的管道或设备吊点位置位于结构梁内或其他钢筋密集的结构时，可在优化吊点时尽可能避开钢筋主筋或密集区位置，或者优化钢筋位置以满足预埋体埋设，确保吊点位置准确。（8）预埋体埋设时边缘距离于梁、板边缘不得少于50mm，结构板厚应大于预埋体高度不少于20mm，即不少于100mm厚。（9）管道、设备的支吊安装方式以及结构承载力应满足设计要求。五、预埋内挂式管道吊挂件的可靠性研究1.进行安全性理论计算参照《混凝土结构设计规范》GB50010、《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145、《钢结构设计规范》GB50017以及中电投工程研究检测评定中心有限公司翟传明论文等相关资料，对该组合式预埋内挂式吊挂件T型金属连接杆件的受拉承载力、单锚栓混凝土锥体破坏受拉承载力标准值进行简要计算，计算结果安全可靠。2.抗拔承载力现场检测试验（1）检测方式。为确保管道吊挂的安全性，吊挂件承载力应满足设计及相关规范要求，2020年9月对该组合式预埋内挂式吊挂件进行了抗拔承载力现场检测，检测条件如下：T型金属连接杆件直径14mm，材质Q345；混凝土强度等级C30；挂点锚固深度60mm；检测依据《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145；参照化学锚栓；要求检测抗拉力值45.0KN；检测设备ZY型锚杆拉力器；检测部位复合材料厂房二层、板、随机；采用非破坏性检验形式。工程现场拉拔承载力检测见下图：

现场检测图片（2）检测数据。抗拔承载力现场检测吊挂件共两组6根，第一组检测数值分别为（KN）47.9、48.5、49.6，第二组检测数值分别为（KN）54.6、51.2、53.7，平均值为50.91KN。检测最高值时未发生杆件延伸、混凝土破坏、预埋体压缩变形等情况。现场拉拔检测报告见下：

承载力现场拉拔检测报告（3）检测结论。根据《室内管道支架及吊架》（03S402）图集选用φ12吊杆拉力允许值为4.74KN，φ20吊杆拉力允许值为14.0KN，M12锚栓极限抗拉荷载为4.83KN，M20锚栓极限抗拉荷载为15.0KN。根据抗拉拔承载力检测值及图集选用表判定，本吊挂件具有良好的安全可靠性及通用性能，受力性能明显高于传统金属膨胀螺栓以及化学锚栓。六、结论基于BIM技术实现管道、设备吊架点精准定位，混凝土浇筑前预埋内挂式吊挂件，可以实现吊挂安装快捷、吊架吊挂点耐久