基于BIM技術(shù)的重型方鋼套筒現(xiàn)澆獨立柱施工技術(shù)

趙 毅，方 園，張廣周，張紅永，齊鵬輝，龐玉林，周文浩

(中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)因相對質(zhì)量較輕、塑性好、強度大且工業(yè)化程度高被廣泛應(yīng)用于建筑工程中，尤其是大型公建項目。部分項目因概算控制造價問題，將勁性柱優(yōu)化為方鋼管套筒(鋼套管)柱，即梁柱節(jié)點2～3m范圍內(nèi)為方鋼管套筒混凝土結(jié)構(gòu)，鋼梁可與方鋼管套筒牛腿連接，層高其余范圍內(nèi)的柱為常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)[1]。

鋼套管柱是常見的抗震加固方法之一。鋼套管的作用類似混凝土中的箍筋，可在橫向與混凝土相互作用，因此可替代箍筋對柱進行約束與加固，施工簡易[2]。利用外部約束可改善混凝土的自身受壓特性，限制混凝土橫向變形，提高抗壓強度及延性[3]。

1 工程概況

河南省科技館新館主場館東塔為包含重型方鋼套筒現(xiàn)澆獨立柱的鋼框架結(jié)構(gòu)，北塔和南塔為混凝土結(jié)構(gòu)?？萍拣^主場館區(qū)域分布如圖1所示。東塔鋼框架結(jié)構(gòu)效果如圖2所示。

圖1 主場館區(qū)域分布

圖2 東塔鋼框架結(jié)構(gòu)

東塔重型方鋼套筒現(xiàn)澆獨立柱單層為19根，標準層層高為10.000m，每根獨立柱的方鋼套筒鋼材材質(zhì)為Q345B，截面尺寸為1m×1m，高度為1.5～2.5m，質(zhì)量為2.8～9.5t。標準層重型方鋼套筒分布如圖3所示。獨立柱如圖4所示。方鋼套筒如圖5所示。

圖3 標準層重型方鋼套筒分布

圖4 方鋼套筒獨立柱

圖5 方鋼套筒示意

柱鋼筋通過焊接鋼套筒上的搭筋板，實現(xiàn)與鋼結(jié)構(gòu)的連接，如圖6所示。

圖6 方鋼套筒與鋼筋布置

2 施工方案分析

該項目工期緊、質(zhì)量目標高、成本管控嚴格，在滿足工期、質(zhì)量、造價要求的前提下，實現(xiàn)方鋼套筒支撐及精準定位，從而保證現(xiàn)澆獨立柱的整體施工進度及質(zhì)量是施工重點。項目前期經(jīng)過策劃分析，提出以下施工方案。

1)方案1 通過預(yù)埋式支撐胎架支撐重型方鋼套筒。施工工序如下：澆筑獨立柱首段混凝土，并埋設(shè)預(yù)埋件→胎架焊接就位→鋼套筒就位→次段柱鋼筋綁扎及混凝土澆筑→鋼梁吊裝。

方案1的胎架支撐措施投入量小、成本較低，經(jīng)過現(xiàn)場實施總結(jié)，存在以下問題：①工期長 首段混凝土澆筑完成后至少養(yǎng)護7d，強度達到一定要求，才能吊裝方鋼套筒；次段混凝土澆筑完成后至少養(yǎng)護7d，才能吊裝后續(xù)鋼梁；②管理難度大 土建和鋼結(jié)構(gòu)為2個分包，且涉及鋼筋工、架子工、模板工、混凝土工、吊裝工、焊接工等多工種頻繁交叉作業(yè)，協(xié)調(diào)管理難度大；③質(zhì)量控制難 雖然預(yù)埋式胎架的措施投入量最少，但在鋼套管就位、混凝土澆筑過程中均存在一定變形；鋼筋分2段進行綁扎，次段綁扎時，工人操作空間小，且操作過程中對鋼套筒的位置有較大擾動，整體導(dǎo)致獨立柱垂直度偏差較大；④形象差 工人需搭設(shè)大量操作架體，且架體與鋼結(jié)構(gòu)有較多碰撞，施工現(xiàn)場凌亂。

2)方案2 對方案1的缺陷進行優(yōu)化，采用落地式支撐+操作一體化的胎架支撐重型方鋼套筒(見圖7)。

圖7 落地式支撐+操作一體化的胎架支撐

將方鋼套筒與鋼筋全部通過搭筋板進行連接，優(yōu)化成一半通過搭筋板連接，另一半通過方鋼套筒內(nèi)隔板穿孔貫通連接上部結(jié)構(gòu)的方式。在滿足鋼結(jié)構(gòu)穿孔率的前提下，盡量減少鋼筋焊接量。鋼套筒節(jié)點如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的鋼套筒節(jié)點

整體施工工序優(yōu)化如下：落地式胎架就位固定→優(yōu)化后的重型方鋼套筒就位→鋼梁吊裝→柱鋼筋綁扎及混凝土澆筑。

雖然該施工方法一次性投入胎架支撐措施量大，但可層層周轉(zhuǎn)，落地式支撐胎架集支撐架+操作架一體化，胎架經(jīng)設(shè)計可承受方鋼套筒及鋼梁荷載，省去兩次混凝土養(yǎng)護期。一次澆筑成型的重型方鋼套筒獨立柱施工管理更簡單，柱鋼筋施工減少一半的焊接工作量，更易控制整體施工質(zhì)量。優(yōu)化后的方案可實現(xiàn)造價、工期、質(zhì)量協(xié)調(diào)統(tǒng)一[4]。

3 施工過程分析

3.1 支撐胎架計算說明

運用MIDAS Gen軟件，結(jié)合GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》等，對鋼節(jié)點及鋼梁安裝進行施工驗算。結(jié)構(gòu)計算按承載力極限狀態(tài)進行設(shè)計，位移采用荷載標準組合進行計算，內(nèi)力和應(yīng)力通過荷載基本組合進行計算。

大梁收下了，說要給阿黃立個碑，把李先生這副挽聯(lián)刻在碑上。他用杉木板給阿黃釘了個匣子，可往哪兒埋卻犯了愁。我們河浦規(guī)矩嚴，抬紅山陽坡那叫“葬”，是善終；送駝背山那叫“埋”，是夭歿。可那都是死的人，死個畜生也埋，冇得先例。正躊躇間，塆里主事的姜大爹和旺明叔就來了。旺明叔說，不能把阿黃當畜生看啊。我跟大爹商量過了，就葬在紅山的陽坡吧。姜大爹說阿黃仁義啊，也有福啊。李先生的挽聯(lián)金貴著呢，阿黃當?shù)昧诉@個福！

3.2 支撐胎架荷載分析

1)自重荷載 結(jié)構(gòu)自重按實際構(gòu)件質(zhì)量取值，由軟件自動計算。

2)活荷載 即鋼節(jié)點自重，需考慮動荷載系數(shù)1.3。鋼套筒及筒周邊鋼梁質(zhì)量分別為1，5，5，10，10t(安裝前需確認，若質(zhì)量高于此值，需重新驗算)。

3.3 支撐胎架計算模型

采用MIDAS Gen軟件對鋼套筒高空拼裝施工進行建模與驗算分析。鋼構(gòu)件為Q235，底部鋼梁截面為HW300×300，剛接在主梁上，連接處做加勁肋?！?00×14 立于鋼梁HW300×300上，連接點做加勁肋；└100×10與□200×14相焊接，焊接處加斜撐，且角鋼水平間距≤2m。導(dǎo)荷梁HW200×200與□200×14焊接，焊接處加斜撐，鋼套筒擱置在導(dǎo)荷梁上[5]。節(jié)點高空拼裝如圖9所示。胎架模型如圖10所示。

圖9 節(jié)點高空拼裝

圖10 胎架模型

3.4 支撐胎架不同工況下施工活荷載(見圖11)

圖11 施工活荷載(單位：kN)

1)施工活荷載1 考慮最不利情況為兩個導(dǎo)荷梁受荷。

2)施工活荷載2 鋼套筒荷載均布在4個導(dǎo)荷梁上，10t鋼梁安裝在導(dǎo)荷梁上。

3)施工活荷載3 鋼套筒、10t及5t鋼梁進行安裝；鋼套筒、10t及10t鋼梁進行安裝。

4)施工活荷載4 鋼套筒、10t、5t及5t鋼梁安裝；鋼套筒、10t、10t及5t鋼梁安裝。

3.5 支撐胎架計算結(jié)果

1)位移計算結(jié)果 在準永久荷載組合包絡(luò)工況下安裝節(jié)點時，支撐架水平位移3.0mm<11 000/1 000=11mm。導(dǎo)荷梁豎向撓度最大為1.9mm<2 250/200=11.25mm。位移及撓度符合要求。

2)應(yīng)力比計算結(jié)果 在荷載基本組合下可知，鋼構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.55<1，應(yīng)力比符合要求。

4 重型方鋼套筒現(xiàn)澆獨立柱施工技術(shù)

4.1 施工方案

根據(jù)已實施胎架的缺陷優(yōu)化整體部署，以提高施工質(zhì)量、縮短工期、改善施工形象。

將預(yù)埋式支撐胎架優(yōu)化成落地式支撐+操作一體化胎架，胎架腳部剛接于鋼梁上，一次澆筑成型。

鋼套筒采用鋼筋連接形式，柱縱向鋼筋一半與搭筋板焊接，一半通過鋼套筒內(nèi)隔板穿筋孔貫通連接，在滿足鋼結(jié)構(gòu)穿孔率的前提下，最大化減少鋼筋焊接[6]。

因方鋼套筒現(xiàn)澆獨立柱施工在國內(nèi)并無相關(guān)經(jīng)驗，可通過BIM施工模擬建造進行可視化交底[7]。

4.2 施工流程

1)將已經(jīng)拼裝好的支撐胎架與鋼梁進行固定。

2)安裝鋼筋連接形式優(yōu)化后的鋼套管，并校核定位，確認無誤后與胎架進行點焊固定。

3)如圖12所示，安裝上部主鋼梁。

圖12 主鋼梁安裝

4)鋼結(jié)構(gòu)分包工作面全部移交土建隊伍，進行鋼筋綁扎、模板封閉及混凝土澆筑。

5)混凝土澆筑養(yǎng)護完成后，支撐胎架可周轉(zhuǎn)至下層循環(huán)使用。

5 結(jié)語

本文以河南省科技館新館東塔重型方鋼套筒鋼框架結(jié)構(gòu)為對象，提出落地式支撐+操作架一體化支撐方鋼套筒的施工方法。結(jié)合施工經(jīng)驗優(yōu)化方鋼套筒的鋼筋連接形式，通過MIDAS Gen軟件及BIM技術(shù)優(yōu)化原安裝方案，驗證改進后施工方案的合理性。該施工技術(shù)的應(yīng)用，使單層施工周期至少縮短15d，支撐+操作一體化胎架改善施工現(xiàn)場的整體形象，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定可靠、定位更精準、鋼筋連接形式更合理、可操作性更高，獨立柱的整體施工質(zhì)量得到大幅提升。同時，鋼結(jié)構(gòu)及土建專業(yè)分包僅一次交叉作業(yè)，不同工種接口更少，操作更方便，大大降低管理難度。在滿足質(zhì)量及工期的前提下，支 撐措施可層層周轉(zhuǎn)，使成本處于可控狀態(tài)，整體經(jīng)濟效益及社會效益較原設(shè)計方案有較大提高，累計經(jīng)濟效益達180余萬元。