某大型機場航站樓不規(guī)則自由曲面指廊屋面鋼結(jié)構(gòu)工程拔桿群整體提升技術(shù)

孫慶東 范寶秀 山西建筑工程集團有限公司

1 工程概況

某大型國際機場航站樓整體平面呈放射性的五指廊造型，屋頂及豎向支撐結(jié)構(gòu)均為鋼結(jié)構(gòu)。航站樓包括主樓C區(qū)、西北指廊WN區(qū)及東北指廊EN區(qū)、中央指廊CS區(qū)、西南指廊WS區(qū)和東南指廊ES區(qū)共6個區(qū)。主樓位于中央大廳中心區(qū)，各指廊沿中心區(qū)周圈布置。

指廊結(jié)構(gòu)由內(nèi)側(cè)鋼管柱、外側(cè)幕墻柱及橫縱向鋼管網(wǎng)架組成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定體系。屋面網(wǎng)架通過鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點支撐于柱頂上，為橫縱向交叉的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系。各區(qū)指廊結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)基本相同，現(xiàn)對其中之一的西南(WS）區(qū)指廊屋面鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進行應(yīng)用總結(jié)。其屋蓋投影51221m2，長391m，寬131m，結(jié)構(gòu)最高25m，總重約2071t。

2 施工條件

工程現(xiàn)場條件困難、情況復(fù)雜，不利因素多。

（1）施工工序限制：鋼結(jié)構(gòu)施工必須在前期土建主體結(jié)構(gòu)完成后才能進行。

（2）工程造型復(fù)雜：整體結(jié)構(gòu)為不規(guī)則自由曲面，造型復(fù)雜，無類似施工經(jīng)驗。

（3）質(zhì)量標準高：為國家重點建設(shè)、代表性的大型公共建筑工程，建造質(zhì)量非常高。

（4）安全要求嚴：受工序及工程特性制約，高空作業(yè)多，安全保障極其難。

（5）施工工期緊：整體部署要求在短期內(nèi)完成鋼結(jié)構(gòu)制作吊裝，難度大。

（6）工序交叉多：主體結(jié)構(gòu)完成后，陸續(xù)穿插鋼結(jié)構(gòu)施工，操作工種、作業(yè)空間均存在大量交叉作業(yè)，專業(yè)協(xié)調(diào)難。

3 施工重點、難點及解決方案

3.1 現(xiàn)場施工重點、難點及解決方案

3.1.1 大面積鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量是控制重點

焊接工程量大，大面積鋼結(jié)構(gòu)的焊接效率直接影響安裝進度。

解決措施：根據(jù)焊接特點，結(jié)合當?shù)貧夂?、溫度等條件，選用最佳焊接方式；將大面積鋼結(jié)構(gòu)化整為零，將焊接質(zhì)量和焊接精度控制在各小分區(qū)內(nèi)。

3.1.2 大面積鋼結(jié)構(gòu)組裝的測量放線管控是難點

屋面鋼架為異形曲面結(jié)構(gòu)，采用原位組裝，每組網(wǎng)架及單片桁架的空間定位、標高尤為重要，是整體屋蓋對接就位的關(guān)鍵。

3.2 施工進度控制是重點

大面積屋蓋鋼架在施工過程中，確保階段目標工期是關(guān)鍵。

解決措施：（1）制定合理的施工方案。采用在二、三層樓面上拼裝焊接，再利用拔桿整體提升吊裝。（2）制定合理的施工分區(qū)及順序。劃分2個工作面，每個工作面采取針對性的施工順序。

4 施工方案優(yōu)化選擇

4.1 方案優(yōu)化

經(jīng)過方案對比優(yōu)化，采用拔桿進行提升就位，具體為：將分片鋼架在樓板上進行原位組裝，周圈外懸挑鋼構(gòu)件在建筑物外側(cè)，下部搭設(shè)腳手架操作平臺施工，待組對焊接完成后，利用獨角拔桿群進行整體提升。采用整體吊裝首先減少了垂直運輸和大量腳手架的工作，其次大部分工作在地面或者樓面進行，質(zhì)量和安全更易保證，更有效地縮短工期，為后續(xù)工作創(chuàng)造條件。

4.2 施工分區(qū)及安裝順序

圖1 西南指廊安裝區(qū)域布置圖

網(wǎng)架分五個區(qū)域進行施工，一區(qū)至五區(qū)網(wǎng)架的拼裝過程基本相同，其中：一區(qū)、二區(qū)、四區(qū)、五區(qū)網(wǎng)架是在二層樓板上進行原位拼裝，三區(qū)是在三層樓板上進行原位拼裝。所有區(qū)域均采用拔桿群整體吊裝。

4.3 各分區(qū)拔桿布置

根據(jù)各區(qū)情況，部分拔桿設(shè)置在原有室外地面，部分拔桿安放在原有結(jié)構(gòu)鋼管柱頂，還有部分拔桿安放在原有結(jié)構(gòu)6.5m標高處的樓板上且與下層混凝土柱位置一致。

4.4 鋼網(wǎng)架施工關(guān)鍵技術(shù)

4.4.1 鋼網(wǎng)架整體拼裝方法及順序

每個區(qū)域先由中間向跨度方向組對，待跨度方向組對完成后向兩側(cè)（長度方向）進行擴拼，將分片區(qū)域鋼網(wǎng)架組對完成后，利用拔桿（局部少量用吊車）整體提升。

一區(qū)～五區(qū)鋼網(wǎng)架均在樓面上進行原位組裝，管管相貫桁架預(yù)先在周邊場地胎膜中組對焊接，鋼網(wǎng)架依次由中間向四周擴拼。

4.4.2 一（二）區(qū)網(wǎng)架施工

（1）網(wǎng)架拼裝。此區(qū)域網(wǎng)架整體呈上曲面形狀，為了便于拼裝將網(wǎng)架整體旋轉(zhuǎn)后、平置于樓板上進行拼裝組對。

組對順序為：桁架A→桁架B→桁架C→桁架D→桁架E。組對完成后在二層樓板上進行整體拼裝組對,組對從中間向兩邊進行。拼裝時首先用汽車吊把A桁架從胎模中吊出，放到6.5m標高處的二層混凝土樓板上。如圖2所示。

圖2

然后把兩榀A桁架放到各自設(shè)計投影位置，加設(shè)臨時支撐。再從胎模中相繼陸續(xù)吊運B桁架、C桁架、C-1桁架、D桁架與E桁架依次類推，直至將此區(qū)域構(gòu)件組裝完成。

鋼桁架在二層混凝土樓板面上進行原位組裝時，提前施測放樣，在樓板上對應(yīng)混凝土梁位置安裝鋼管支托對下弦找坡定弧。

（2）鋼網(wǎng)架拔桿群整體提升吊裝。拼裝完成后利用拔桿群整體提升就位，就位過程中陸續(xù)進行其他構(gòu)件散拼。

4.4.3 三區(qū)網(wǎng)架施工

該區(qū)鋼構(gòu)件由主、次單片鋼管桁架組成，主次桁架連接節(jié)點均為鋼球節(jié)點。三區(qū)分成兩個區(qū)域、分別采用拔桿整體吊裝。

（1）網(wǎng)架拼裝。構(gòu)件均在胎模中組對,然后在樓板上拼裝組對。3-1區(qū)構(gòu)件在二層樓板上組對,3-2區(qū)構(gòu)件在三層樓板上組對。拼裝步驟如下：中間網(wǎng)格定位→短向擴拼→長度方向擴拼，直至完成。

（2）網(wǎng)架提升吊裝。3-1區(qū)的桁架在樓板處拼裝完成后,用拔桿吊裝到3-2區(qū)桁架對接位置。如圖3、圖4所示。

圖3 吊裝前示意圖

圖4 吊裝到位三層對接位置示意圖

3-1區(qū)與3-2區(qū)桁架在三層樓板處對接完成后,整體提吊到設(shè)計位置。如圖5、圖6所示。

圖5 整體吊裝過程中示意圖

圖6 吊裝到設(shè)計位置示意圖

提升到設(shè)計位置后，再空中散拼嵌補主體結(jié)構(gòu)柱周邊桿件。

4.4.4 四（五）區(qū)網(wǎng)架施工

分成三個區(qū)拼裝，中間部分區(qū)呈平面形狀，兩側(cè)區(qū)呈上曲面形狀，將上曲面旋轉(zhuǎn)后平置于樓板上拼裝。

（1）網(wǎng)架拼裝。

①屋脊天窗區(qū)域（4（5）-1區(qū)）拼裝。4（5）-1區(qū)構(gòu)件在二層樓板上原位拼裝。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式又分成三邊球節(jié)點桁架、四邊球節(jié)點桁架及單榀桁架三個類別桁架進行拼裝。

其中4（5）-1區(qū)屋脊網(wǎng)架在二層混凝土樓板面上原位組裝時，提前放樣，在樓板上安裝鋼管支托找坡定弧。

②天窗左側(cè)（4（5）-2區(qū)上曲面）拼裝。此區(qū)網(wǎng)架整體形式同一區(qū)網(wǎng)架，拼裝方法同一區(qū)網(wǎng)架。

③天窗右側(cè)（4（5）-3區(qū)上曲面）拼裝。此區(qū)結(jié)網(wǎng)架整體形式同二區(qū)網(wǎng)架，拼裝方法同二區(qū)網(wǎng)架。

（2）四區(qū)（五區(qū)）鋼網(wǎng)架提升。4（5）-1區(qū)、4（5）-3區(qū)在二層樓板上組對,4（5）-2區(qū)在三層樓板上組對。如圖7所示。

圖7

4（5）-1區(qū)在二層樓板組對完成后,用拔桿吊裝到與4（5）-3區(qū)桁架結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的設(shè)計標高。4（5）-1區(qū)吊運到與4（5）-3區(qū)桁架結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的設(shè)計標高后，開始散裝二者之間的連接桿件。二者間連接桿件完成后,用拔桿群把4（5）-1區(qū)及4（5）-3區(qū)桁架整體提升到與4（5）-2區(qū)桁架對接處的設(shè)計標高位置，散裝4（5）-1區(qū)和4（5）-2區(qū)之間的連接桿件。如圖8所示。

圖8

3個子區(qū)在三層樓板處全部對接完成后,拔桿群整體吊裝4（5）區(qū)網(wǎng)架，吊裝到設(shè)計標高后,配合玻璃幕墻安裝網(wǎng)架下面的結(jié)構(gòu)柱。

4.4.5 鋼網(wǎng)架和鋼桁架高空連接

指廊五個區(qū)域的每相鄰兩個區(qū)提升到位后均須進行對接，對接部分主要為單片鋼管桁架結(jié)構(gòu)和單管構(gòu)件，安裝順序由內(nèi)向外，兩側(cè)同時施工。對接部分單片桁架預(yù)先在胎膜中制作好，采用50t履帶吊車安裝就位，吊裝前在對接區(qū)域兩側(cè)操作通道，并在桁架下面掛安全網(wǎng)，在焊接球節(jié)點部位掛設(shè)安全吊籃。

4.4.6 鋼網(wǎng)架組對、拼接測量控制

屋面鋼構(gòu)整體形狀為不規(guī)則的自由曲面，組裝均采用原位拼裝，，每部分鋼架組裝前須將每榀主構(gòu)件、次構(gòu)件的水平投影線、節(jié)點測放在樓面上，整體組裝時以樓面上測設(shè)的投影線為基準組拼。

4.4.7 網(wǎng)架拼接合攏施工質(zhì)量控制

（1）理論模擬分析合攏溫度。調(diào)研合攏施工期間當?shù)貧鉁匦畔?shù)據(jù)，并分析不同結(jié)構(gòu)形式下季節(jié)性陽光照射構(gòu)件產(chǎn)生“溫箱”效應(yīng)、結(jié)構(gòu)迎(背)光面溫差，以及屋面、立面鋼構(gòu)件溫差而形成較大梯度的溫度場分布情況，優(yōu)化選定結(jié)構(gòu)的合攏溫度為:15℃±7.5℃。

（2）現(xiàn)場合攏變形控制。合攏前對擬拼裝結(jié)構(gòu)進行坐標測量監(jiān)測，根據(jù)情況適當調(diào)整結(jié)構(gòu)坐標?，F(xiàn)場合攏時針對網(wǎng)架節(jié)點可能出現(xiàn)的微小三維變形，現(xiàn)場采取微調(diào)糾偏。

（3）合攏口的桿件就位。所有對接口部位均為桿件與球相連接，采用加襯管的方法進行安裝。

對于相貫長度超過5mm的部位設(shè)置活動襯管，在坡口上預(yù)留小缺口，襯管與鋼管套在一起，裝入球之間后，再將襯管拉出點焊定位。

4.4.8 網(wǎng)架吊裝拼接完成后卸載

（1）卸載原則。網(wǎng)架卸載過程必須遵循“變形協(xié)調(diào)、卸載均衡”、“中間向四周，中心對稱，周邊向中間”及“精確計算，嚴格監(jiān)控”的原則。過程中設(shè)置測控點，全過程監(jiān)測，對比分析控制，實行信息化管理。

（2）卸載施工。采用絞磨等距分布，多次循環(huán)精準控制卸載行程，依次放松絞磨，分次逐步卸載，每次嚴格控制同步性。通過多個循環(huán)卸載，使屋面結(jié)構(gòu)從施工受力狀態(tài)按預(yù)控轉(zhuǎn)化到設(shè)計受力狀態(tài)。

（3）卸載人員。由專業(yè)起重工進行統(tǒng)一指揮，所有人員必須服從總指揮指令。卸載時設(shè)置觀測人員10名，對每個拔桿進行卸載過程中的受力觀測，發(fā)現(xiàn)有異常及時傳輸反饋至總指揮平臺系統(tǒng)，按預(yù)案糾偏處置。

5 結(jié)束語

本文介紹了某大型機場航站樓不規(guī)則自由曲面指廊屋面鋼結(jié)構(gòu)工程的施工關(guān)鍵技術(shù)，詳細分析項目重點和難點，對指廊屋面鋼結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化、整體部署、分段組對、分區(qū)拼裝、高空合攏及逐級卸載等技術(shù)做了詳盡總結(jié)，為今后類似航站樓不規(guī)則自由曲面指廊屋面鋼結(jié)構(gòu)工程施工提供參考。