影響建筑施工的設(shè)計問題研討

時間:2022-04-12 11:40:00

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影響建筑施工的設(shè)計問題研討

1地基處理與基坑工程

1.1北川體育中心地基處理方案分析

北川體育中心是援川的重點項目,包括體育場和體育館,共計14300m2,占地面積52000m2,工期緊。由于場區(qū)有大量的低洼區(qū)域需要回填,土方量約20萬m3,回填深度4~11m,因此地基處理方案是影響工期的關(guān)鍵。經(jīng)過論證,最后選擇了強(qiáng)夯處理地基的方案。對于回填深度超過6m的區(qū)域采用分層強(qiáng)夯,其他區(qū)域均為一次強(qiáng)夯,經(jīng)試夯和檢測,地基承載力為250kN/m2,滿足設(shè)計要求。該工程土方回填和強(qiáng)夯經(jīng)過2個月順利完成。地質(zhì)條件類似的另一個項目,建筑面積共計1.6萬m2,占地面積3萬m2,低洼處須回填的土方為92000m3。由于回填區(qū)采用分層碾壓的方案,回填與地基處理就達(dá)1.5個月,嚴(yán)重影響了總工期。通過對北川體育中心強(qiáng)夯方案與分層碾壓回填技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比可知,強(qiáng)夯方案不僅能滿足設(shè)計承載力的要求,而且造價低、施工速度快。

1.2奧帆賽媒體中心地基處理與基坑方案分析

工程建筑面積為8200m2,地上2層,混凝土框架結(jié)構(gòu),屋面為鋼結(jié)構(gòu);地下1層,面積3698m2,地下室埋深約為6.0m,筏板基礎(chǔ)。地質(zhì)條件復(fù)雜,含大量的碎石、拋石;基巖面起伏較大,部分區(qū)域基底為基巖,基底下還需超深開挖2~6m方至巖面;臨海近,最近點僅8m,地下水與海水直接貫通。

1)初步方案直接挖至中風(fēng)化巖,部分場區(qū)基底標(biāo)高即為巖石,其余需繼續(xù)開挖2~6m的深度到基巖面,然后用級配砂石換填至墊層底標(biāo)高,基底為巖石的場區(qū)仍需鋪設(shè)級配砂石褥墊層。基坑支護(hù)最深達(dá)13m,采用雙排長螺旋灌注樁,并在樁間注漿的樁錨支護(hù)止水方案。

2)優(yōu)化方案(見圖1)超深開挖部位采用高壓旋噴樁處理地基?;又ёo(hù)深度為5~6m,采用單排或雙排高壓旋噴樁帷幕支護(hù)、止水,臨海近或碎石、拋石較多的部位采用雙排樁。

3)對比分析由于該工程臨海近,無法采用降排水的方案,因此止水與支護(hù)方案是保證工程順利完成的關(guān)鍵。而設(shè)計方案未結(jié)合地質(zhì)條件綜合考慮對支護(hù)及止水帷幕的影響,在臨近基坑部位超深開挖,使支護(hù)深度由6m增至13m,不僅加大了支護(hù)造價,也加大了基坑透水和坍塌的風(fēng)險;優(yōu)化方案中旋噴樁止水效果好,可防止地基透水,地基處理能滿足設(shè)計要求。由于該工程是在綜合考慮了地下結(jié)構(gòu)與地基設(shè)計、基坑支護(hù)與止水方案的基礎(chǔ)上,對地下工程方案做出的優(yōu)化。不僅避免了基坑透水,保證了工程的順利進(jìn)行,而且造價降低7.78%,工期提前25%,取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。臨海復(fù)雜地質(zhì)的場區(qū)應(yīng)避免超深開挖,結(jié)合上部結(jié)構(gòu)的情況可選擇樁基或地基處理的方案。

2地下結(jié)構(gòu)工程

2.1嵌巖端承短樁承載力的研究與應(yīng)用

在巖體地基上施工,由于基巖面起伏較大,經(jīng)常遇到超深開挖,換填或澆筑毛石混凝土,以及樁長不夠需要增加入巖深度等問題,往往會增加成本延誤工期。嵌巖短樁可以解決上述問題。對24項應(yīng)用嵌巖短樁的工程進(jìn)行研究,并對其中的部分工程進(jìn)行了試驗研究和理論分析。

1)嵌巖短樁的豎向承載力主要由樁端阻力提供(見圖2),樁側(cè)摩阻力作用很小,樁端阻力約占短樁豎向承載力的70%~90%,而且樁的長徑比越小,樁端阻力貢獻(xiàn)比例越大。同一樁端持力層風(fēng)化巖地基上,嵌巖長樁與短樁豎向承載力大致相當(dāng)(見表1),樁的沉降量都不大,殘余沉降量基本相當(dāng),回彈率較高。

2)嵌巖深度對承載力會產(chǎn)生一定影響,但非線性增加,嵌巖至1~2倍樁徑時變化不大,建議:①對于破碎巖體、軟質(zhì)或強(qiáng)風(fēng)化巖體,嵌巖深度取值宜為樁徑的1~1.5倍;②對于中風(fēng)化、微風(fēng)化和未風(fēng)化的新鮮巖體不宜<0.5m,樁徑宜>800mm,以充分發(fā)揮樁端巖體高承載力的特性;③風(fēng)化巖地基上的最短樁長(下限值)控制在2.5m。

3)嵌巖長、短樁共同作用可以滿足建筑物豎向及水平承載力的要求。嵌巖短樁可以與長樁混合使用,也可以與獨立基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)混合使用。

4)工程應(yīng)用某高層住宅為獨立柱基,地基起伏較大,部分基底至基巖面,其他還要超深開挖4m左右。工程采用的是超深開挖,再澆筑約4m高混凝土墊層。該方案與獨立柱基超深開挖做柱墩的方案相比,工期長、造價高。因此,在基巖起伏地段如有較大區(qū)域需要超深開挖2m以上時,應(yīng)選擇獨立柱基或筏板結(jié)合樁基礎(chǔ)的方案。

2.2地下室底板形式與工期

為研究不同形式底板的施工速度,分別對巖體和土體地基10多項工程做了對比分析,分析結(jié)果如表2所示。上返梁式底板回填土的工作量較大,但可以安排到后期,不占用絕對工期。下返梁較上返梁多了開槽、砌磚模、回填、抹灰4道工序,施工速度較慢。尤其是巖體地基的下返梁,開槽占工期較長,底板施工速度是上返梁式底板的50%~70%。建議巖體地基地下工程應(yīng)從工期、施工難度和造價等方面考慮,應(yīng)采用上返梁式底板的方案。

2.3底板與墻體混凝土強(qiáng)度等級的合理取值

目前,地下室大多為超長、大體積混凝土,如混凝土強(qiáng)度等級過高,將加大水泥和膠凝材料的用量,產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力,導(dǎo)致開裂和滲漏。因此,在保證結(jié)構(gòu)承載力和耐久性的前提下,混凝土強(qiáng)度等級宜取低值,建議為C30~C40。另外,地下室外墻的附墻柱較多,而設(shè)計通常是將墻、柱作為獨立的受力構(gòu)件,使墻、柱的混凝土強(qiáng)度不一致,從而造成施工困難和墻柱交界處開裂。經(jīng)過對地下室外墻及柱的共同受力分析,并在多項實際工程采取適當(dāng)降低附墻柱混凝土強(qiáng)度等級及墻柱混凝土強(qiáng)度相統(tǒng)一的技術(shù)措施,取得了較好的效果。

2.4巖體基坑地下室抗浮設(shè)計與施工問題分析

1)地下室抗浮失效可以分為3種形式:①局部抗浮失效即建筑的整體抗浮承載力滿足要求,但底板抗浮承載力不足,從而導(dǎo)致底板出現(xiàn)嚴(yán)重開裂,但地下室整體沒有位形變化;②局部整體抗浮失效即地下室非主樓區(qū)域的整體抗浮承載力不足,該區(qū)域的位形變化引起了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞;③整體抗浮失效即建筑整體抗浮承載力不足,引起了結(jié)構(gòu)整體上浮的位形變化。

2)由于巖體中無地下水或地下水較少,很容易使人產(chǎn)生一些錯誤的認(rèn)識:①巖體基坑不考慮抗浮問題或取較小的抗浮水頭高度;②未考慮或未正確計算,暴雨時基坑的匯水量使基坑的排水能力不足;③忽視了施工階段的抗浮問題,在未完成室內(nèi)外回填土?xí)r,便停止了基坑的降排水。上述錯誤認(rèn)識,已導(dǎo)致了多起嚴(yán)重的整體和局部地下室抗浮事故。

3)基于巖體基坑的透水性很小,匯集的地下水無法消散的特點,經(jīng)過對多個出現(xiàn)抗浮事故工程的研究,可以得出:①巖體基坑中的地下水源主要包括:大氣降水、地表潛水、巖石裂隙水、施工用水、地下管道滲漏水,其地下水位不同于地勘報告所提供的水位高度,抗浮設(shè)計水頭高度取值如圖3所示。②結(jié)構(gòu)的抗浮承載力按照計算模式可分為整體和局部抗浮承載力,按照時間可分為施工和使用階段的抗浮承載力。在施工和使用階段均應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體、局部抗浮承載力計算。③結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)應(yīng)按巖體基坑的水頭高度值進(jìn)行抗浮設(shè)計,不宜采用降排水控制地下水位的方法進(jìn)行抗浮設(shè)計。施工或使用階段采用控制地下水位的方法進(jìn)行抗浮設(shè)計時,應(yīng)按本地區(qū)的最大降雨量計算基坑的匯水速度,且排水速度必須大于匯水速度。④地下室外側(cè)回填土完成,其底板和頂板的覆土尚未回填時,應(yīng)進(jìn)行施工過程的抗浮承載力和抗浮水頭高度的計算。如抗浮承載力不足,則應(yīng)繼續(xù)降排水以控制地下水位不超過抗浮水頭。

3后澆帶的設(shè)置與無縫施工

后澆帶是釋放混凝土收縮和溫度應(yīng)力,解決沉降差異有效措施,但沉降后澆帶要等主樓封頂后才能封閉,收縮后澆帶要等混凝土澆筑45~60d后方可封閉。因此,無論地上或地下結(jié)構(gòu),過多或不正確使用后澆帶,不僅影響結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量和耐久性,而且嚴(yán)重制約工期、加大模板等材料的消耗。

3.1硬質(zhì)巖體沉降后澆帶設(shè)置

1)主樓和裙房間的沉降后澆帶對地下室后續(xù)施工的插入以及工期的制約較大。硬質(zhì)巖體地基上建筑物的沉降總量和沉降差值均較小,因而在主樓和裙房間的沉降應(yīng)力也很小,所以在青島地區(qū)許多工程不設(shè)沉降后澆帶。通過研究巖體地基建筑物沉降的計算方法,分析青島地區(qū)的地質(zhì)條件和沉降計算參數(shù)的取值,并結(jié)合工程實例對建筑物的沉降和底板應(yīng)力做了計算分析,得出:①當(dāng)持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖時,建筑高度在100m以內(nèi)可不設(shè)置沉降后澆帶,有計算依據(jù)時可達(dá)150m;②當(dāng)持力層為中風(fēng)化花崗巖時,建筑高度200m以內(nèi)可不設(shè)置沉降后澆帶,若超過200m應(yīng)進(jìn)行計算驗證。

2)青島高新區(qū)創(chuàng)業(yè)中心工程建筑面積10萬m2,地下2層、地上最高23層,地基為安山巖強(qiáng)風(fēng)化帶。通過研究,確定將主樓周邊的沉降后澆帶于地下室完成、主樓施工至10層時封閉,地下室提前3個月驗收,使裝修、安裝施工提前插入,縮短關(guān)鍵路線工期,節(jié)省模板支撐費(fèi)用,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.2間歇式、后澆式

加強(qiáng)帶間歇式加強(qiáng)帶是與相鄰下一施工段一起澆筑的方法,后澆式加強(qiáng)帶是在下一施工段完成7~14d后即可澆筑的方法。這2種方法既利用了后澆帶的放,又利用了膨脹帶的抗,是依據(jù)抗放結(jié)合原理實現(xiàn)混凝土無縫施工的方式。為了解決間歇式加強(qiáng)帶設(shè)計構(gòu)造與施工工藝問題,結(jié)合奧運(yùn)帆船比賽陸域停船區(qū)等10余項工程進(jìn)行了大量的現(xiàn)場試驗和理論分析,使間歇式加強(qiáng)帶與后澆帶一起應(yīng)用的地下結(jié)構(gòu)長度達(dá)到300~400m,在地上結(jié)構(gòu)采用間歇式與后澆式加強(qiáng)帶的長度達(dá)218m,如表3所示。

間歇式、后澆式加強(qiáng)帶可以與施工段的混凝土一起或提前澆筑,避免了后澆帶的保護(hù)和清理,也減少了滲漏的隱患,還能加快施工速度,具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

4靈活運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)解決制約工程的問題

在部分對混凝土結(jié)構(gòu)工期制約較大的部位,靈活運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)可以較大地加快施工速度。造型復(fù)雜或大跨度、大空間的建筑,以及高層建筑屋面構(gòu)筑物等大多采用鋼結(jié)構(gòu)。

4.1青島現(xiàn)代藝術(shù)中心屋面

青島現(xiàn)代藝術(shù)中心(見圖5)總建筑面積5萬m2,地下1層,地上2層,局部1層,混凝土框架結(jié)構(gòu),其造型是不規(guī)則的多曲面波浪形,曲線多,坡度起伏大,造型復(fù)雜且不規(guī)則。屋面原設(shè)計為混凝土結(jié)構(gòu),后經(jīng)多次論證,認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)由于模板定位、支設(shè)難度較大,而且模板一次性投入大,工期長,最終調(diào)整為鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu),屋面板為加氣混凝土板。

4.2青島廣電影視劇場

該工程為3~4層的混凝土框架結(jié)構(gòu),屋面為網(wǎng)架結(jié)構(gòu),演播大廳四周設(shè)3層懸挑的混凝土結(jié)構(gòu)馬道,如圖6所示。由于工期緊且該區(qū)域安裝、裝飾項目多,如能將四周懸挑的3層馬道改為鋼結(jié)構(gòu),既可避免廳內(nèi)的高大模板支設(shè),又能加快框架結(jié)構(gòu)的施工速度,方便屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安裝,使安裝、裝飾項目得以提前穿插施工。

4.3青島高新產(chǎn)業(yè)區(qū)創(chuàng)業(yè)中心轉(zhuǎn)換桁架設(shè)計

1)青島高新區(qū)創(chuàng)業(yè)中心工程地下2層,地上共4個單體,A,B座為8.4m柱網(wǎng)的框架核心筒結(jié)構(gòu),首層高度6m,標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2m。A座1層、B座5層為展示大廳,大廳中央為滿足大空間使用要求,不設(shè)中柱。為實現(xiàn)高層建筑物內(nèi)部上、下層結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)的局部變化,A座2層?/①~⑥軸、B座6層?/瑏瑢~瑏瑦軸采用樓層同高的一道型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換桁架,如圖7所示。

2)該工程轉(zhuǎn)換桁架雖然數(shù)量不多,但施工難度大,對工程進(jìn)度制約較大。施工中經(jīng)過方案優(yōu)化,采用先安裝型鋼桁架,將下弦與5.95m標(biāo)高樓板一起澆筑,再將腹桿、上弦與10.15m標(biāo)高樓板一起澆筑的方案。由于腹桿混凝土無法振搗,選用了免振搗自密實混凝土。

3)設(shè)計優(yōu)化探討轉(zhuǎn)換桁架的斜腹桿采用型鋼結(jié)構(gòu),必須將其作為一個整體進(jìn)行施工,由于工序較多,而且型鋼結(jié)構(gòu)的安裝及其四周的鋼筋綁扎較為困難,故整個轉(zhuǎn)換桁架的施工時間較長,對結(jié)構(gòu)施工的制約較大。如能將4根斜腹桿改為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,則上下弦桿可以分層操作,即下弦桿安裝并與下層結(jié)構(gòu)混凝土澆筑后,再施工上弦桿及相應(yīng)的水平結(jié)構(gòu),待混凝土達(dá)到強(qiáng)度等級后,安裝鋼腹桿,整個轉(zhuǎn)換桁架層的施工與普通混凝土結(jié)構(gòu)基本相同,省去了轉(zhuǎn)換桁架的工序,而且避免了三維鋼筋密集交叉綁扎,降低了現(xiàn)場作業(yè)的難度,縮短了工期。

5深化設(shè)計

工程建造過程中,需要施工企業(yè)對設(shè)計院施工圖中不能涵蓋的部分進(jìn)行深化設(shè)計。①施工圖中不能直觀表達(dá),須由施工企業(yè)依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行細(xì)化的部分,如:復(fù)雜節(jié)點鋼筋的排布,型鋼混凝土節(jié)點,地面、墻面、屋面界格縫的設(shè)置,機(jī)電設(shè)備管線的綜合排布等;②由專業(yè)承包商進(jìn)行深化設(shè)計的部分,如:基坑支護(hù)、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、幕墻及其他室內(nèi)外精裝修等。

5.1復(fù)雜梁柱節(jié)點鋼筋排布與型鋼混凝土節(jié)點

1)復(fù)雜梁柱節(jié)點與型鋼混凝土節(jié)點的鋼筋之間、鋼筋與型鋼之間縱橫交錯,排布密集,設(shè)計院的施工圖一般很難直觀地表達(dá)其相互關(guān)系,往往需要施工企業(yè)利用相關(guān)軟件,在三維空間上明確其位置。通過對復(fù)雜梁柱節(jié)點鋼筋和型鋼混凝土節(jié)點的深化設(shè)計,可以調(diào)整不合理的鋼筋排布和型鋼節(jié)點,明確鋼筋的綁扎順序和混凝土的澆搗方式,提高工效和質(zhì)量,方便施工。

2)某超高層建筑的型鋼混凝土節(jié)點如圖8所示,經(jīng)過深化設(shè)計并與設(shè)計協(xié)商,將梁頂部的第1排鋼筋焊接在型鋼柱的鋼牛腿上,第2排鋼筋與設(shè)置在型鋼柱的直螺紋套筒相連接,避免了底排鋼筋焊接困難的問題。5.2鋼結(jié)構(gòu)的施工仿真分析對于各種形式的大跨度、大空間以及超高層的鋼結(jié)構(gòu),一方面施工荷載可能超過使用荷載,另一方面尚未形成完整的結(jié)構(gòu)體系前,會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形甚至破壞。由于設(shè)計院進(jìn)行的是使用狀態(tài)的設(shè)計計算,因此需要施工企業(yè)根據(jù)實際的施工工況對該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的計算分析,以確定是否應(yīng)調(diào)整設(shè)計,并作為編制施工方案的依據(jù)。青島體育中心游泳跳水館工程,形似貝殼,下部為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),屋面為130m跨度的鋼網(wǎng)架。選擇在比賽館室內(nèi)部分布置23個格構(gòu)式主拔桿和其他副拔桿及輔助吊點,分多步實施網(wǎng)架的擴(kuò)展拼裝和提升:①以比賽池、跳水池、熱身池為3個提升單元,分別進(jìn)行網(wǎng)架的拼裝,并獨立提升至±0.0m,如圖9所示。②在±0.0m標(biāo)高上,將比賽池和跳水池的網(wǎng)架拼裝為1個單元,該單元與熱身池網(wǎng)架分別提升至8.4m標(biāo)高,并擴(kuò)大拼裝成整體后,再依次進(jìn)行不同標(biāo)高的擴(kuò)展拼裝和提升,直至網(wǎng)架的設(shè)計標(biāo)高。③在室內(nèi)網(wǎng)架拼裝、提升的同時,室外網(wǎng)架分5個單元進(jìn)行拼裝,然后再分別與室內(nèi)網(wǎng)架進(jìn)行對接。④室內(nèi)外網(wǎng)架對接形成整體后,再分7步實施網(wǎng)架的卸載。為保證結(jié)構(gòu)和施工的安全,分同步、不同步和某一吊點失效3種情況,對上述工況進(jìn)行詳細(xì)的施工仿真分析(見圖10)。通過分析,調(diào)整了部分應(yīng)力比超過0.8的桿件,并為拔桿布置、吊點選擇、提升機(jī)具型號確定、提升同步性差異控制值的確定提供了依據(jù),使方案得以順利實施。

5.3裝修工程的深化設(shè)計

1)玻璃幕墻、石材干掛、室內(nèi)精裝修等項目,一般需要由專業(yè)承包商進(jìn)行深化設(shè)計。該類設(shè)計往往在結(jié)構(gòu)施工的后期進(jìn)行,通常會造成預(yù)埋件無法埋設(shè)、二次結(jié)構(gòu)甚至結(jié)構(gòu)的多處調(diào)整,影響工程進(jìn)度,造成質(zhì)量隱患。因此,建議該類深化設(shè)計應(yīng)提前至結(jié)構(gòu)工程施工的前期。

2)結(jié)合設(shè)計院的施工圖及規(guī)范要求,對地面、墻面、屋面等粗裝修項目進(jìn)行位置和細(xì)部構(gòu)造的深化設(shè)計(如界格縫、排氣孔等),既可以方便施工,又有利于提高工程質(zhì)量。

5.4管線綜合平衡

1)隨著建筑物功能的增多,室內(nèi)各種機(jī)電管線的種類和數(shù)量也越來越多,這些縱橫交錯的管線需要占用很大空間。然而,在設(shè)計過程中,給排水、電氣、暖通空調(diào)等專業(yè)普遍存在配合協(xié)調(diào)不足以及和建筑、結(jié)構(gòu)等專業(yè)配合溝通不足的情況,經(jīng)常造成管道標(biāo)高交叉嚴(yán)重,管道定位互相擠占空間等現(xiàn)象。在施工過程中,受現(xiàn)場情況、施工順序、設(shè)計人員不在現(xiàn)場等因素的影響,不可避免地會造成返工、延誤工期、增加成本、影響美觀,甚至?xí)绊懡ㄖ锏恼J褂霉δ堋R虼?,需要施工企業(yè)相關(guān)專業(yè)人員在施工前進(jìn)行管線綜合平衡的深化設(shè)計。

2)某工程一直徑為150mm的消防管道與1.4m高的混凝土梁交叉,因消防專業(yè)未與建筑、結(jié)構(gòu)溝通,使管道無法穿梁。管道自梁下通過后,使該處的室內(nèi)凈高由2.4m降為2.1m,極大影響了建筑的使用功能和美觀。

6結(jié)語

1)由于設(shè)計、施工在建造過程中密切相關(guān),只有設(shè)計與施工的充分結(jié)合才能選擇科學(xué)、合理的方案,加快施工速度、降低工程造價。

2)地下結(jié)構(gòu)工程中的嵌巖短樁承載力的研究與應(yīng)用、硬質(zhì)巖體地基沉降后澆帶的設(shè)置,超長結(jié)構(gòu)中間歇式加強(qiáng)帶的研究與應(yīng)用,以及巖體基坑地下室抗浮問題的研究,能夠有效地加快施工速度、降低成本、提高工程質(zhì)量,避免工程事故的發(fā)生。

3)除與設(shè)計單位密切協(xié)調(diào),解決施工圖中存在的問題外,施工企業(yè)還應(yīng)提前做好預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、裝飾裝修、機(jī)電設(shè)備安裝等施工圖的深化設(shè)計與二次設(shè)計。對于大跨度、大空間及超高層鋼結(jié)構(gòu),應(yīng)結(jié)合施工工況進(jìn)行詳細(xì)的施工仿真分析。