異形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)綜合施工技術(shù)

王策，郝寶成，劉云龍

（1.北京建工海亞建設(shè)工程有限公司，北京 102628；2.中國(guó)二冶集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)關(guān)于異形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的研究?jī)?nèi)容比較豐富，異形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)朝著安全、經(jīng)濟(jì)、創(chuàng)新的方向發(fā)展，研究成果比較豐富。崔嘉慧等[1]詳細(xì)分析了浪花狀屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的施工關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)浪花狀屋蓋獨(dú)特的造型特點(diǎn)及施工條件，提出了“整體臥式拼裝，雙機(jī)空中轉(zhuǎn)體”的施工技術(shù)，并利用有限元?jiǎng)討B(tài)仿真模擬技術(shù)分析了浪尖結(jié)構(gòu)高空轉(zhuǎn)體過(guò)程中的變形和受力情況，結(jié)合仿真分析數(shù)據(jù)對(duì)雙機(jī)抬吊過(guò)程進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)。卓新等[2]針對(duì)異形多面體鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的施工難題提出一系列施工成套技術(shù)，發(fā)明了“異形構(gòu)件的虛擬四面體頂點(diǎn)測(cè)量定位方法”，解決了施工安裝的測(cè)量定位問題；提出以異形節(jié)點(diǎn)為中心、同時(shí)焊接與該節(jié)點(diǎn)相連的至少3 根主梁的施工工藝，能夠有效抵消焊接應(yīng)力與焊接變形，而且能夠保證屋蓋結(jié)構(gòu)在施工期間分區(qū)形成獨(dú)立穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)；提出材料便宜、構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便的水平與垂直運(yùn)輸系統(tǒng)，解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工吊裝問題，而且使施工成本大大降低。歐陽(yáng)元文等[3]重點(diǎn)介紹計(jì)算機(jī)三維模擬放樣、工廠精密數(shù)控加工，操作架搭設(shè)，鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)安裝、分塊曲面滑移技術(shù)等，既保證了鋁合金結(jié)構(gòu)的安裝質(zhì)量及速度，又推動(dòng)了鋁合金結(jié)構(gòu)體系安裝技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)螺栓鉚接工藝，裝配式施工，也降低了對(duì)環(huán)境的污染程度，降低了消耗，大大提高安裝效率和社會(huì)效益本文結(jié)合前人的研究成果，從具體的全民健身館異形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工入手，綜合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全質(zhì)量控制、新技術(shù)應(yīng)用等方面內(nèi)容，提出異形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工的優(yōu)化方案。

1 工程概況

本工程鋼結(jié)構(gòu)主要分為勁性鋼柱部分和屋蓋鋼結(jié)構(gòu)兩部分。其中屋蓋部分包含鋼框架、張弦梁結(jié)構(gòu)和四周幕墻鋼結(jié)構(gòu)。

全民健身館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋大跨度區(qū)域采用張弦梁結(jié)構(gòu)體系和正交單梁結(jié)構(gòu)體系。主體結(jié)構(gòu)構(gòu)成如下：籃球場(chǎng)上空最大跨度42m，采用張弦梁結(jié)構(gòu)，撐桿高度3.5m；中央羽毛球場(chǎng)上空最大跨度34m，采用張弦梁結(jié)構(gòu)體系，撐桿高度3m；西側(cè)羽毛球場(chǎng)上空最大跨度26m，采用正交單梁結(jié)構(gòu)體系。屋蓋四周挑檐部分采用懸挑桁架體系和單梁結(jié)構(gòu)體系，最高點(diǎn)標(biāo)高40.6m，最高點(diǎn)距離下方混凝土樓板高度達(dá)24m。桁架截面主要為Φ450×20、Φ351×12、Φ250×12，懸挑梁截面主要為：600mm×250mm×16mm×25mm、700mm×350mm×16mm×25mm。材質(zhì)均為Q355B。共計(jì)40 榀，單片桁架最重單元約10t。如圖1、2 所示。

圖1 工程BIM 示意圖

圖2 屋蓋示意圖

2 施工難點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)難，異形鋼結(jié)構(gòu)造型曲面多變，需要借助BIM 技術(shù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)，深化設(shè)計(jì)模型與建筑總模型進(jìn)行復(fù)核，深化設(shè)計(jì)過(guò)程中不光要考慮到構(gòu)件加工，更要考慮便于現(xiàn)場(chǎng)施工[4]。

屋面結(jié)構(gòu)跨度大、構(gòu)件種類多是本工程難點(diǎn)之一，組織各專業(yè)進(jìn)行研討，了解結(jié)構(gòu)形式及受力體系，制定合理施工方案。

根據(jù)構(gòu)件分段位置，合理安放臨時(shí)支撐架，要保證支撐架的抗側(cè)移剛度較大，以防止結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整對(duì)支撐架引起較大的位移，對(duì)支撐架體設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行計(jì)算。

本工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程及工藝十分復(fù)雜，特別是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)受力尤為復(fù)雜。解決此類工程問題，需要用到有限元計(jì)算軟件。首先在設(shè)計(jì)院分析模型基礎(chǔ)上，添加施工階段的工況信息，使用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。通過(guò)有限元軟件對(duì)施工過(guò)程及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，以整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型為基礎(chǔ)利用程序的階段分析功能對(duì)整體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程模擬。極大地保證了鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中及結(jié)構(gòu)使用期的安全。如圖3 所示。

圖3 屋蓋施工仿真模擬計(jì)算

3 安裝工況分析

3.1 安裝分析

經(jīng)過(guò)項(xiàng)目部團(tuán)隊(duì)周密策劃，內(nèi)部鋼框梁采用塔吊進(jìn)行安裝，內(nèi)部大跨度鋼結(jié)構(gòu)采用塔吊吊裝，局部采用地面組拼+提升方法安裝，外部大桁架采用汽車吊整榀吊裝。

3.2 吊點(diǎn)及吊索具分析

目前在異形曲面鋼結(jié)構(gòu)中，雙傾斜鋼梁吊裝時(shí)一般采用倒鏈（手拉葫蘆）+鋼絲繩進(jìn)行吊裝，側(cè)傾斜在側(cè)向加設(shè)手拉葫蘆，即此種方式吊裝雙傾斜鋼梁需要三點(diǎn)吊裝，其中兩個(gè)手拉葫蘆和一個(gè)鋼絲繩，但是采用這種方法吊裝存在使用手動(dòng)葫蘆容易造成安全風(fēng)險(xiǎn)，手動(dòng)拉倒鏈難以調(diào)設(shè)傾斜構(gòu)件的角度，吊裝過(guò)程中的吊重角度難以尋找，施工效率低下。一種異形結(jié)構(gòu)雙傾斜鋼梁吊裝方法就是為了解決此類技術(shù)問題[5]。

雙傾斜鋼梁與地面夾角角度各不一致。需要選擇合適的吊耳位置和鋼絲繩長(zhǎng)度，使鋼梁起吊后角度基本與設(shè)計(jì)值一致，減少空中調(diào)整的工作量。利用吊繩經(jīng)過(guò)重心線原理，并運(yùn)用BIM 技術(shù)確定重心。最終設(shè)計(jì)方法：采用兩點(diǎn)吊裝，鋼絲繩長(zhǎng)度確定為6m，吊耳位置根據(jù)鋼絲繩實(shí)際長(zhǎng)度確定吊耳具體位置。

3.3 分段分析

本工程鋼結(jié)構(gòu)曲面多變且截面尺寸大，既要考慮現(xiàn)場(chǎng)塔吊工況，又要考慮到加工廠到施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸路況。最終制定出合理的構(gòu)件分段方案：

外部大型幕墻桁架總長(zhǎng)度約25m，寬度3.5m，由于運(yùn)輸車長(zhǎng)度不能滿足25m 構(gòu)件的運(yùn)輸，最終確定出大型幕墻桁架分為兩段進(jìn)行運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)再進(jìn)行二次組拼；

大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件分段為5 段，每段重量約5.5～6.5t，既滿足構(gòu)件運(yùn)輸，也可以滿足現(xiàn)場(chǎng)吊裝的要求。

3.4 支撐架分析

大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行分段后，安裝過(guò)程中勢(shì)必需要在下方設(shè)置支撐架體，根據(jù)構(gòu)件重量單獨(dú)對(duì)支撐架體進(jìn)行有限元分析計(jì)算，最終采用角鋼制作臨時(shí)支撐架（單元尺寸為1 000mm×1 000mm），立柱采用L75×5，腹桿采用L50×5，支撐架體下方與混凝土樓板采用預(yù)埋件進(jìn)行焊接連接。

經(jīng)計(jì)算核對(duì)支撐架體的混凝土結(jié)構(gòu)后，無(wú)需對(duì)支撐架下部樓板進(jìn)行加固處理。

3.5 其他要點(diǎn)分析

（1）本工程平面長(zhǎng)度約150m，寬度100m。為了有效降低鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的焊接應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，現(xiàn)場(chǎng)采用在適當(dāng)位置進(jìn)行留設(shè)焊接施工縫的施工工藝，待施工縫兩區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)焊接完畢后，最終焊接結(jié)合部位。

（2）在深化設(shè)計(jì)過(guò)程中，項(xiàng)目部技術(shù)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖中張拉拉索端部節(jié)點(diǎn)還可以更加優(yōu)化，針對(duì)此問題，項(xiàng)目部提出在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部增加兩塊立板，經(jīng)設(shè)計(jì)院確認(rèn)，最終完美解決了該節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化。

（3）編制施工進(jìn)度計(jì)劃。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)逐一對(duì)全部構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1 所示。并制定詳細(xì)的加工生產(chǎn)計(jì)劃。

表1 屋蓋結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件吊次統(tǒng)計(jì)表

4 安裝施工工藝

4.1 整體安裝思路

勁性結(jié)構(gòu)隨土建進(jìn)度從下向上逐層安裝，屋蓋立柱埋件和鋼骨柱需在工廠焊接成一體，現(xiàn)場(chǎng)整體吊裝。待鋼骨柱安裝、焊接、驗(yàn)收完畢后；先安裝支座，再安裝立柱。施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)支座進(jìn)行節(jié)點(diǎn)保護(hù)，待結(jié)構(gòu)形成一定受力體系，再對(duì)支座受力進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于本工程鋼結(jié)構(gòu)屬于張弦梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)先對(duì)主箱梁進(jìn)行分段安裝，下設(shè)支撐架體；隨著逐段安裝情況，可拆除前段部分支撐架體。待本跨度內(nèi)張弦梁安裝完畢后，拆除標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，移交張拉單位，對(duì)張弦梁進(jìn)行張拉工作，如圖4 所示。

圖4 鑄鋼支座節(jié)點(diǎn)保護(hù)示意圖

安裝屋蓋四周挑檐部分前，應(yīng)隨土建進(jìn)度需在其上層混凝土樓面合理區(qū)域埋設(shè)預(yù)埋件。幕墻桁架底部為銷軸連接，安裝幕墻桁架時(shí)，將其中部與混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉結(jié)加固，角鋼與幕墻柱進(jìn)行焊接處理，以起到臨時(shí)固定作用。將前榀幕墻桁架與當(dāng)前榀及時(shí)安裝之間拉結(jié)次梁，以此類推把幕墻部分安裝完畢，如圖5 所示。

圖5 屋蓋四周挑檐安裝示意圖

4.2 安裝工作

4.2.1 內(nèi)部鋼框架安裝

先安裝鋼柱，接著再安裝鋼梁，使之內(nèi)部先形成穩(wěn)定體系，如圖6 所示。

圖6 鋼框架安裝過(guò)程照片

4.2.2 內(nèi)部大跨度張弦梁安裝

在相應(yīng)位置架立支撐架體，逐段安裝張弦梁，安裝大跨度鋼梁后，及時(shí)安裝與前一榀間次梁，如圖7 所示。

圖7 內(nèi)部大跨度鋼梁安裝過(guò)程照片

4.2.3 外部大桁架安裝

外部大桁架所對(duì)應(yīng)位置的內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢后，即可對(duì)大桁架進(jìn)行吊裝作業(yè)。采用50t 汽車吊進(jìn)行吊裝作業(yè)，如圖8所示。

圖8 外部大桁架安裝過(guò)程照片

5 質(zhì)量、安全控制措施

5.1 質(zhì)量控制

鋼結(jié)構(gòu)深化過(guò)程中進(jìn)行三維建模。模型中的軸網(wǎng)必須與現(xiàn)場(chǎng)相符。在模型中進(jìn)行鋼梁關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)捕捉，鋼結(jié)構(gòu)安裝施工時(shí)，利用模型中的三維坐標(biāo)信息，結(jié)合全站儀進(jìn)行測(cè)量定位。為了提高安裝精度，測(cè)量定位采用空間三維坐標(biāo)定位法進(jìn)行控制。

結(jié)構(gòu)全部張拉完成后，對(duì)索力進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的索力值結(jié)果，確定是否進(jìn)行對(duì)索力的調(diào)整。若需調(diào)整，應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的索力值建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，依托仿真計(jì)算確定索力的調(diào)整順序和調(diào)整值，以防止相鄰各榀鋼梁拉索索力的相互影響，如圖9 所示。

圖9 張拉索力仿真計(jì)算

5.2 安全控制

支撐架根據(jù)支撐架體的實(shí)際高度進(jìn)行調(diào)整，高度超過(guò)10m時(shí)應(yīng)在支撐架體頂部需拉設(shè)四道纜風(fēng)繩進(jìn)行加固，纜風(fēng)繩可固定于混凝土柱等固定物上，可采用捆綁形式固定，也可以設(shè)置用于固定纜風(fēng)繩的地錨，并采用卡環(huán)固定。樓層板施工時(shí)，需在支撐架位置預(yù)埋鋼板，支撐架安裝時(shí)，底部與預(yù)埋鋼板焊接固定。支撐架拆除是安裝的逆操作，當(dāng)上部鋼梁對(duì)接安裝、焊接完成后，支撐架可拆除。

所有鋼梁端部均設(shè)置碼板增強(qiáng)吊裝穩(wěn)定，碼板大小為100mm×16mm×200mm。鋼梁吊裝就位后，應(yīng)將碼板與前段鋼梁（牛腿）焊接完畢、鋼梁兩側(cè)腹板下部進(jìn)行加固焊，加固焊接長(zhǎng)度不得小于50mm，厚度不小于10mm。

6 結(jié)論

本文以某全民健身館異形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程為背景，首先介紹重難點(diǎn)分析，針對(duì)重難點(diǎn)給出解決方案，最后對(duì)異形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)和安全質(zhì)量控制進(jìn)行研究分析，可以得出以下主要結(jié)論：（1）通過(guò)BIM 技術(shù)應(yīng)用，輔以嚴(yán)格的加工工藝控制，有效解決了異形屋蓋加工精度和構(gòu)件分段的問題，提高了加工質(zhì)量和效率；（2）采用模擬吊裝和有限元計(jì)算技術(shù)，確保施工方案可行、支撐架安全，實(shí)現(xiàn)了吊裝姿態(tài)的空中傾斜角度控制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)吊裝實(shí)施、安全管理起到積極的作用；（3）實(shí)際施工過(guò)程中，通過(guò)空間三維定位的測(cè)量方法進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合度較高，表明有限元分析可以為結(jié)構(gòu)安全施工提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，為類似工程的施工提供了借鑒。