高空大跨鋼結(jié)構(gòu)連廊深化設(shè)計(jì)與整體提升技術(shù)研究

張連冰

(中鐵建大灣區(qū)建設(shè)有限公司 廣東廣州 511455)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科技水平不斷提高，人們對建筑物的要求不斷升級，逐步變得多元化。新型建筑不僅要滿足人們物質(zhì)生活的需要，更要滿足人們精神生活的需要，同時(shí)也要能夠體現(xiàn)國家綜合實(shí)力的發(fā)展水平。而大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑在造型新穎、功能強(qiáng)大、施工便捷等方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢與強(qiáng)大的生命力。同時(shí)，BIM技術(shù)等三維建模技術(shù)、模擬檢測技術(shù)的發(fā)展也助推了復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)、精益建造、標(biāo)準(zhǔn)化管理的發(fā)展[1]。而在當(dāng)前建筑市場上，對高空大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊的深化設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究較為有限，本文針對場地嚴(yán)重受限條件下的大型鋼結(jié)構(gòu)施工做了深入分析，具有較強(qiáng)的代表性與借鑒意義。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

清華珠三角研究院粵港澳大灣區(qū)創(chuàng)新基地項(xiàng)目(以下簡稱該項(xiàng)目)位于廣東省廣州市中新廣州知識城，總建筑面積139 555.6 m2。建筑主體為一棟139.75 m高的超高層塔樓及55.45 m高的高層塔樓，兩棟塔樓在10～13層由一個(gè)3層的空中客廳串聯(lián)(見圖1)。3層地下室，平時(shí)為車庫及設(shè)備用房，戰(zhàn)時(shí)地下3層局部設(shè)核6級、常6級人防。本工程鋼結(jié)構(gòu)主要包括3部分:北塔樓加強(qiáng)層桁架(H型鋼骨柱、梁、斜撐)、南塔樓加強(qiáng)層桁架(H型鋼骨柱、梁、斜撐)和南北塔樓之間(10～13層)連廊，總用鋼量約3 000 t。各部分具體概況如下:

圖1 BIM模型

(1)北塔樓(地下3層，地上32層)，結(jié)構(gòu)總高145.6 m。鋼結(jié)構(gòu)主要集中在混凝土外框柱里的10根H型鋼骨柱(-1～12層)、10～13層加強(qiáng)層桁架(H型鋼骨柱、梁、斜撐)等。

(2)南塔樓(地下3層，地上13層)，結(jié)構(gòu)總高55.45 m。鋼結(jié)構(gòu)主要集中在混凝土外框柱里的14根H型鋼骨柱(9～12層)、10～13層加強(qiáng)層桁架(H型鋼骨柱、梁、斜撐)。

(3)連廊位于南、北塔樓之間10～13層，跨度41.5 m，寬42 m，結(jié)構(gòu)標(biāo)高為41.950～55.450 m。

2.2 重難點(diǎn)分析

2.2.1 深化設(shè)計(jì)重難點(diǎn)分析

深化設(shè)計(jì)是整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程生產(chǎn)、安裝的關(guān)鍵前置環(huán)節(jié)。通過深化設(shè)計(jì)，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)，使其在加工制備中的合理性更高，進(jìn)而提升加工效率和精度；選擇使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的加工圖紙，對節(jié)點(diǎn)和相關(guān)桿件區(qū)分類別編號，采取流水線式的加工，提升加工效率；對構(gòu)件在制作、運(yùn)輸和安裝過程中所需的構(gòu)造措施節(jié)點(diǎn)的受力進(jìn)行驗(yàn)算，確保節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求，確保構(gòu)件在制作、運(yùn)輸和安裝過程中的安全，并繪制安裝節(jié)點(diǎn)圖[2]。

(1)該項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)部分包括箱形鋼梁、圓管鋼柱、箱形鋼柱和箱形桁架等，構(gòu)件體量大，種類較多，形式多樣。這就造成圖紙深化任務(wù)較重，出圖量大，圖紙管理難度較大。

(2)構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)包括梁柱連接節(jié)點(diǎn)、梁梁連接節(jié)點(diǎn)、桁架節(jié)點(diǎn)、預(yù)埋件節(jié)點(diǎn)等，數(shù)量眾多，節(jié)點(diǎn)形式較復(fù)雜多變。本工程深化設(shè)計(jì)量較大，工期緊，如何保證出圖進(jìn)度以滿足構(gòu)件加工的需要也是一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。

(3)本工程各專業(yè)相互交叉。詳圖設(shè)計(jì)人員需仔細(xì)研讀建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備等專業(yè)的設(shè)計(jì)圖紙，讀懂、吃透施工圖的意圖，避免各專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容沖突也是本工程重點(diǎn)亦是難點(diǎn)。

(4)受到運(yùn)輸條件和吊裝設(shè)備起重能力的限制，大批大型構(gòu)件需要進(jìn)行分段處理，分段點(diǎn)選擇的合理性、經(jīng)濟(jì)性及大型構(gòu)件工廠預(yù)拼和現(xiàn)場組裝胎架的設(shè)計(jì)是本工程深化設(shè)計(jì)的又一重難點(diǎn)[3]。

2.2.2 安裝、提升重難點(diǎn)分析

(1)鋼連廊安裝施工的難度大。鋼連廊跨度達(dá)42 m，寬度達(dá)41.5 m，高度達(dá)41.95 m，重量達(dá)2 400 t，若采用分件高空散裝，不但高空組裝、焊接工作量大，同時(shí)高空組拼胎架在實(shí)際搭設(shè)過程中具有較大難度，有一定的安全隱患。施工過程的高難度，對于鋼結(jié)構(gòu)的安裝和施工期限的掌握都帶來了一定的不確定性因素。

(2)鋼結(jié)構(gòu)施工測量與監(jiān)測要求嚴(yán)格。為了保證施工的安全性，鋼結(jié)構(gòu)在焊前和焊后、吊裝及卸載時(shí)均需要嚴(yán)格進(jìn)行跟蹤測量校正，防止節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生局部屈曲，與此同時(shí)必須跟蹤監(jiān)測。

(3)鋼結(jié)構(gòu)吊裝及安裝、鋼結(jié)構(gòu)與土建配合是本工程的重中之重。針對本工程的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合我公司的施工經(jīng)驗(yàn)，擬選用2臺200 t的汽車吊及2臺TC7025塔吊作為本工程鋼結(jié)構(gòu)的主要施工設(shè)備。針對安全問題，結(jié)合我公司的施工經(jīng)驗(yàn)，以及相關(guān)規(guī)范要求，鋼結(jié)構(gòu)吊裝就位后，迅速進(jìn)行臨時(shí)支撐固定，要及時(shí)使之形成整體結(jié)構(gòu)。

(4)厚板焊接控制變形、消除殘余應(yīng)力、防止層狀撕裂是本工程的重點(diǎn)。本工程最大板厚達(dá)到40 mm，且焊縫以全熔透焊接為主，這不僅會使焊接的形變嚴(yán)重，對其精度有一定的影響，另外全熔透焊接在實(shí)施過程中會產(chǎn)生較高的熱量，這使得在控制變形方面具有一定的難度。節(jié)點(diǎn)箱管柱與牛腿定位在施工現(xiàn)場對于精度有著較高的要求，這也是節(jié)點(diǎn)加工中需要注意的方面[4]。

(5)勁性鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)鋼筋施工連接節(jié)點(diǎn)十分重要。鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)與各相關(guān)專業(yè)管理充分協(xié)調(diào)，通過我司自有的項(xiàng)目綜合管理系統(tǒng)以及信息化共享平臺，確保鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)與各專業(yè)保持良好的溝通，統(tǒng)籌鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)與各專業(yè)間的進(jìn)度計(jì)劃，從而合理地安排施工流程。

3 高空大跨鋼結(jié)構(gòu)連廊深化設(shè)計(jì)措施

3.1 深化設(shè)計(jì)軟件資源配置

該項(xiàng)目在深化設(shè)計(jì)、方案論證與施工管理的過程中，應(yīng)用CAD、BIM技術(shù)、廣聯(lián)達(dá)(斑馬夢龍網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃)等驗(yàn)算建模技術(shù)建立三維模型，對螺栓定位、重要節(jié)點(diǎn)對接、管線布置、整體提升建立數(shù)字化模型，進(jìn)行各專業(yè)的圖紙復(fù)核、施工組織的模擬、三維立體交底與培訓(xùn)。此外，還針對本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對軟件進(jìn)行二次開發(fā)，編制了一套適合本工程建模和出圖的程序或插件，規(guī)范了出圖標(biāo)準(zhǔn)，提高了出圖效率。取得了較好的應(yīng)用效果[5]。

3.2 深化設(shè)計(jì)人員配置

根據(jù)該項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和業(yè)主的工期質(zhì)量要求，為按時(shí)保質(zhì)保量地完成本工程的深化設(shè)計(jì)工作，配備了專業(yè)的信息化中心與專業(yè)的建模、驗(yàn)算人員。

3.3 其他設(shè)計(jì)考慮

針對該項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)任務(wù)重、工期緊等特點(diǎn)，組織精干技術(shù)力量，成立領(lǐng)導(dǎo)小組，統(tǒng)一指揮和審核圖紙。制定合理的深化設(shè)計(jì)工期計(jì)劃和嚴(yán)格的深化設(shè)計(jì)質(zhì)量控制體系，配置先進(jìn)技術(shù)資源，保質(zhì)保量按時(shí)完成本工程深化設(shè)計(jì)。

3.4 圖紙表達(dá)方面

該項(xiàng)目存在大量復(fù)雜節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件，圖紙表達(dá)比較困難。對于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件圖紙將配三維效果圖，以便制作安裝人員更直觀理解設(shè)計(jì)意圖，避免出錯(cuò)。

3.5 與設(shè)計(jì)單位協(xié)調(diào)方面

該項(xiàng)目各專業(yè)相互交叉，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的過程中，安排專人負(fù)責(zé)與建筑、設(shè)備、機(jī)電管線、幕墻等各專業(yè)單位的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，最終的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)圖紙經(jīng)設(shè)計(jì)單位審核確認(rèn)后方可施工。力爭在深化設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)并解決一切有可能影響施工質(zhì)量及進(jìn)度的問題。

3.6 現(xiàn)場服務(wù)方面

從公司工程部抽調(diào)專家常駐現(xiàn)場，負(fù)責(zé)解決現(xiàn)場安裝過程中遇到的技術(shù)問題，協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)院與我部的配合工作。

3.7 鋼結(jié)構(gòu)安裝方面

深化設(shè)計(jì)過程將充分考慮以下與鋼結(jié)構(gòu)安裝有關(guān)的施工措施:需要完成合理化的分節(jié)或分段，該過程主要以選擇吊裝設(shè)計(jì)的類型和安裝的方式作為參考；安裝塔吊以及其他附加性的要求的板件；構(gòu)件吊裝過程中要求使用的相關(guān)結(jié)構(gòu)和設(shè)備，其中包括臨時(shí)連接板、吊耳等；吊裝防護(hù)所需的連接板和螺栓孔等[6]。

4 高空大跨鋼結(jié)構(gòu)連廊整體提升技術(shù)

由于連廊西側(cè)位置的結(jié)構(gòu)屬于下沉結(jié)構(gòu)，所以無法進(jìn)行起重裝置的正常使用，只可以將起重裝置設(shè)置在東側(cè)位置。首先將拼裝平臺安裝在12～17軸～E-J軸的下沉位置。同時(shí)在施工處安裝一臺履帶吊，重量為120 t，將其作業(yè)平臺安裝在17～20軸～D-J軸位置，并在17軸進(jìn)行拼接安裝，同時(shí)向安裝位置側(cè)移，并借助于樓承板和系桿等機(jī)械部件將其抬升，完成位置確定后進(jìn)行焊接固定。

4.1 鋼結(jié)構(gòu)連廊安裝流程

利用BIM技術(shù)建立三維立體模型，連廊安裝施工流程如下:

(1)地下室回頂，安裝連廊拼裝胎架，見圖2。

圖2 拼裝胎架

(2)地面拼裝連廊(12～13軸)，見圖3。

圖3 拼裝連廊(12～13軸)

(3)地面拼裝連廊(16～17軸)，見圖4。

圖4 拼裝連廊(16～17軸)

(4)地面拼裝桁架間鋼梁，見圖5。

圖5 拼裝桁架間鋼梁

(5)連廊提升就位，見圖6。

圖6 連廊提升就位

(6)2～4層混凝土施工，拆除拼裝胎架，見圖7。

圖7 拆除拼裝胎架

4.2 鋼結(jié)構(gòu)連廊整體提升工藝

在安裝鋼結(jié)構(gòu)提升單元位置正下方地面上完成整體拼裝，而且借助于原結(jié)構(gòu)矩形鋼柱完成提升平臺的安裝，共12組。在提升單元的鋼梁上弦桿與上吊點(diǎn)相對應(yīng)的位置加裝具有提升功能的釣具，借助于專用鋼絞線以及底錨連接上吊點(diǎn)和下吊點(diǎn)，并借助于液壓同步提升系統(tǒng)直接提升鋼梁結(jié)構(gòu)達(dá)到安裝的標(biāo)準(zhǔn)高度位置，進(jìn)行主鋼梁對接以及后裝桿件的安裝[7]。具體流程操作如下:

在安裝鋼結(jié)構(gòu)提升單元位置下方垂直位置的第1層地面上進(jìn)行提升單元整體拼接安裝。利用混凝土柱頂預(yù)埋件和主鋼梁預(yù)裝段，完成上吊點(diǎn)，即提升平臺的安裝，共對稱設(shè)置12組上吊點(diǎn)。完成液壓同步提升系統(tǒng)裝置的安裝，其中有提升器、液壓泵源系統(tǒng)以及傳感器等。將下吊點(diǎn)臨時(shí)吊具安裝在上吊點(diǎn)和提升單元屋面層桿件相對應(yīng)的位置。同時(shí)將專用型的鋼絞線以及地錨安裝在提升上吊點(diǎn)和下吊點(diǎn)之間[8]。

(1)調(diào)試液壓同步提升系統(tǒng)。

(2)張拉鋼絞線，使其受力均勻；并檢查鋼結(jié)構(gòu)提升單元和液壓同步提升的相關(guān)手段是否安全可靠、符合施工指標(biāo)。

(3)確定不存在錯(cuò)誤之后，以設(shè)計(jì)載荷的不同比例順序作為參考逐漸增加負(fù)載級別，比例分別為20%、40%、60%、70%、80%、90%、96%、100%，直至提升單元和拼裝平臺完全分離。

(4)提升單元升高至150 mm后暫停。

(5)對提升單元的所有吊點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行微小校正至絕對水平狀態(tài)，之后靜置4～12 h。

(6)檢查提升單元及相關(guān)安全防護(hù)措施是否正常。

(7)確認(rèn)無誤后，開始提升操作。

(8)將提升單元升高至安裝標(biāo)高附近后暫停。

(9)測量提升單元在不同位置處的尺寸，將測量結(jié)果與設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行對比并完成相關(guān)處理以后，將上升的速度進(jìn)行減小，以較小的速度向上方提高鋼結(jié)構(gòu)，使其與設(shè)計(jì)位置相互靠近，借助于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存在的微調(diào)點(diǎn)動(dòng)功能，提升吊點(diǎn)與設(shè)計(jì)位置相互靠近，滿足對接要求[9]。

(10)鋼結(jié)構(gòu)提升單元主鋼梁弦桿與預(yù)裝段桿件對接，并安裝鋼梁后裝桿件，安裝完畢后形成整體；依據(jù)相應(yīng)的順序卸載液壓提升系統(tǒng)的不同吊點(diǎn)，以達(dá)到轉(zhuǎn)移鋼結(jié)構(gòu)自身重量的目的，從而符合設(shè)計(jì)狀態(tài)。

將液壓提升裝置進(jìn)行拆卸，結(jié)束鋼結(jié)構(gòu)提升施工。

4.3 鋼結(jié)構(gòu)連廊安裝、提升關(guān)鍵技術(shù)

4.3.1 地下室加固處理

本工程鋼結(jié)構(gòu)連廊吊裝及主要材料的轉(zhuǎn)運(yùn)需要在地下室頂板上進(jìn)行?？紤]結(jié)構(gòu)安全與成品保護(hù)，需對部分地下室頂板進(jìn)行加固，加固采用鋼管扣件腳手架支撐。為保證施工順利進(jìn)行，需要詳細(xì)編制地下室頂板加固專項(xiàng)施工方案，并對外力進(jìn)行現(xiàn)場校驗(yàn)。施工過程中，在頂板上施作施工分區(qū)與交通導(dǎo)行設(shè)施，機(jī)械設(shè)備的位置、材料的堆碼嚴(yán)格按方案執(zhí)行。安排專人負(fù)責(zé)管理現(xiàn)場施工，嚴(yán)密監(jiān)控地下室頂板的受力情況，避免產(chǎn)生裂紋[10]。

4.3.2 鋼結(jié)構(gòu)施工測量與監(jiān)測技術(shù)

(1)采用經(jīng)緯儀等高精度儀器，二級控制網(wǎng)等測量手段，控制垂直構(gòu)件的垂直度、水平構(gòu)件的平整度。

(2)地表沉降測點(diǎn)采用Leica NA3003電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)埋設(shè)好的基準(zhǔn)點(diǎn)，從已知水準(zhǔn)點(diǎn)施測一條閉合路線取得初始數(shù)據(jù)；每次觀測前對照技術(shù)規(guī)范校驗(yàn)儀器設(shè)備，為確保觀測精度，要提前選定操作人員、儀器設(shè)備和固定路線等。將編制專項(xiàng)測量及監(jiān)測方案，明確監(jiān)測點(diǎn)、監(jiān)測頻率以保證結(jié)構(gòu)安全[11]。

(3)懸挑結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測是本工程的重點(diǎn)，將編制專項(xiàng)測量及監(jiān)測方案。明確監(jiān)測點(diǎn)、監(jiān)測頻率以保證結(jié)構(gòu)安全。

(4)由甲方、監(jiān)理及我司派駐現(xiàn)場人員組成監(jiān)控量測及信息反饋小組，配合第三方檢測與監(jiān)測確?；印⒈竟こ碳爸苓吔ㄖ陌踩?。

4.3.3 鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制

優(yōu)化焊接接頭，利用窄間隙小坡口焊接技術(shù)并以CO2作為保護(hù)氣體，這樣就能降低變形發(fā)生的概率，進(jìn)而確保焊縫的質(zhì)量；同時(shí)，采取設(shè)置臨時(shí)剛性支撐和火工矯正等手段來提升節(jié)點(diǎn)的精度。

4.3.4 鋼連廊安裝施工

采用原位拼裝，整體提升技術(shù)，先將結(jié)構(gòu)在安裝位置正下方拼接完成，再借助于“超大型構(gòu)件液壓同步提升技術(shù)”將其垂直輸送到相應(yīng)的安裝位置，這對于施工安全、工期以及工程成本的管控都較為有利。

4.3.5 BIM技術(shù)應(yīng)用

采用三維軟件高效建模，根據(jù)本工程特點(diǎn)組建BIM技術(shù)中心與深化設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)優(yōu)化工作團(tuán)隊(duì)，在圖紙深化階段解決勁性鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)鋼筋施工連接、管線綜合、圖紙碰撞等方面問題。在施工過程中，將BIM技術(shù)與智慧建造平臺結(jié)合，完成鋼結(jié)構(gòu)連廊與塔樓主體工程的數(shù)字孿生模型[12]。

5 結(jié)束語

該項(xiàng)目施工場地非常有限，施工環(huán)路不能閉合，更沒有土基礎(chǔ)施工場地。鋼結(jié)構(gòu)連廊自重與幾何尺寸較大，無法使用塔吊完成吊裝，因此合理深化設(shè)計(jì)、優(yōu)化機(jī)械設(shè)備配置、優(yōu)化施工組織是項(xiàng)目順利推進(jìn)的重中之重。為確保地下室的安全，在吊裝鋼結(jié)構(gòu)、拼裝構(gòu)件過程中，盡可能地搭建臨時(shí)平臺并對地下室頂板進(jìn)行回頂加固。施工現(xiàn)場選用原位拼裝整體提升技術(shù)，在地面完成整個(gè)提升單元的拼裝，進(jìn)而完成整體提升，降低在高空中實(shí)施拼裝、焊接和防腐防火涂料涂裝等過程中出現(xiàn)安全隱患的概率，保證工程如期完成。

項(xiàng)目重點(diǎn)、難點(diǎn)、特點(diǎn)鮮明，在同類型項(xiàng)目中具有較強(qiáng)的代表性，通過整體提升技術(shù)的應(yīng)用，既取得了較好的應(yīng)用效果，也完善了整體提升技術(shù)在特種條件下應(yīng)用的工藝做法。