高大中庭組合桁架鋼屋蓋的預留洞分段安裝技術

中國建筑第五工程局有限公司安徽分公司 合肥 230051

近年來，一些場館建筑里較多的設計形式為組合鋼桁架鋼屋蓋結構。在屋蓋的吊裝方法中，有高空散裝法、整體吊裝法、屋面整體滑移法等。三種方法各有利弊，選擇一種合理的吊裝方法是施工的難點[1]。

1 工程概況

蚌埠三館工程由規劃館、檔案館、博物館組成，建筑面積68 325.98 m2，其中博物館單體地下局部1 層，地上5 層，總高34.4 m；規劃館、檔案館單體地下局部1 層，地上6 層，總高30.45 m，三館均為框架結構。其中博物館中庭1～5層部分內空，四周設有勁性混凝土斜交網格柱，中庭頂部為36 m×36 m大跨度鋼桁架屋蓋。

2 施工工藝流程

高大中庭組合桁架鋼屋蓋預留洞分段安裝施工工藝流程為：施工準備→工廠預拼裝→預留吊裝洞口→分段吊裝→洞口處理。

3 施工準備

對于中庭組合桁架鋼屋蓋鋼結構，項目部采用Sketchup、X-steel軟件建立了相應模型，如圖1、圖2所示。

BIM模型的建立對于優化鋼結構設計、二維CAD出施工圖紙，以及對鋼構件進行三維數控加工起到了非常大的指導作用，同時為現場精確定位、安裝提供了三維坐標，為安裝帶來便利。

圖1 博物館中庭Sketchup模型

圖2 中庭組合桁架鋼屋蓋X-steel模型

4 工廠預拼裝

鋼結構預拼裝是將分段制造的大跨度柱、梁、桁架、支撐等鋼構件和多層鋼框架結構，特別是用高強度螺栓連接的大型鋼結構、分塊制造和供貨的鋼殼體結構等，在出廠前進行整體或分段、分層臨時性組裝的作業過程。預拼裝是控制質量、保證構件在現場順利安裝的有效措施[2,3]。

預拼裝方法分為整體預拼裝、分段預拼裝和分層預拼裝。本工程中庭鋼結構采用分段預拼裝方法。

1）工廠預拼裝流程為：拼裝胎架搭設→地樣線的畫制→拼裝構件組對及局部調整→尺寸檢驗→連接處焊接聯接耳板并畫出安裝定位線→構件編號確認→構件下胎架→包裝、發運。

2）具體拼裝示意。從整體上分析，工廠拼裝有2 種方案，一種是先次梁→定位主梁→定位鑄鋼件節點；另一種是先定位鑄鋼件節點→主梁→定位次梁。由于采用的是單元拼裝，在尺寸的準確度上，采用第1種方案比較好一些，能夠較準確判斷鑄鋼件和主梁牛腿的準確度。現場安裝第1榀的工廠預拼裝示意如圖3～圖5所示。

圖3 從一側依次拼裝次梁、主梁

圖4 從一側依次拼裝鑄鋼件

圖5 利用三維坐標測量系統，對構件進行掃描

3）鋼結構分段運輸到現場。鋼構件預拼裝完成后，與BIM模型進行尺寸復核，確認合格后，分段運輸到現場進行安裝。

5 預留吊裝洞口

1）預留吊裝洞口。本工程采用預留吊裝洞口的方法，中庭地下室頂板施工時，在中庭地下室頂板適當區域留置28 m×28 m的預留吊裝洞口，在地下室相應位置的外墻上預留寬4.5 m的吊車進出洞口（圖6）。

圖6 預留洞口處理

2）吊車進場線路。外墻洞口東側留置進出坡道，吊車從坡道進入，經外墻預留洞口到達地下室中庭。

6 分段吊裝

鋼桁架組合屋蓋為36 m×36 m方鋼組合框架斜交矩形結構，根據實際運輸和吊裝要求進行分片或分段。桁架分為HJ1（3 片）、HJ2（3 片）、HJ3（3 片）、HJ4（1 片），及HJ5、HJ6、HJ7各2 片，各單件梁288 件。主桁架最大長度為33.6 m，最大單件長度為32.6 m、質量31 t，安裝高度39.9 m，其中地下室總高度5 m。

吊裝采用1 600 kN和2 000 kN吊車。2 000 kN吊車伸出臂長50 m，回轉半徑10 m，75%力矩可安裝33 t，85%力矩可完全滿足施工要求。

6.1 桁架吊裝流程

利用1 500 kN汽車吊先吊邊跨4 榀主桁架→吊裝5～L軸3 榀斜向短桁架（分段為8.5 m的桁架）→將桁架之間的支撐全部連接并焊接完成（便于后續大跨度桁架安裝的安全性）→安裝斜向大跨度桁架，并在大跨度桁架中間用臨時支撐進行固定，以防止變形→安裝剩余主桁架→安裝所有次桁架（從大跨度桁架中間開始安裝，以控制變形）。次桁架的吊裝方法如圖7所示（在每榀次桁架的上平面均設置安全生命繩）。

圖7 次桁架吊裝順序

6.2 桁架吊裝

吊裝采用臨時固定，采用自制圓管φ133 mm×8 mm螺栓連接，根據現場安裝要求，工廠內組合成片狀運至現場，安裝前對預埋件尺寸進行復核無誤、對構件尺寸進行驗收合格后，方可組織吊裝。首先從西南角開始安裝，考慮構件質量、跨度，其中HJ4最長、最重，最長為25.452 m，最大質量為25 t，采用1 600 kN吊車，臂長50 m，吊裝半徑8 m，起重負荷360 kN，完全滿足先前吊裝。

安裝HJ1、HJ2、HJ3、HJ4后，用塔吊進行桿件安裝并焊接，然后進行下一步安裝（圖8）。

安裝西北角HJ1、HJ2、HJ3、HJ5與西南角形式相同，HJ6、HJ7采用2 000 kN汽車吊，最大質量為31 t，最大長度為33.6 m。2 000 kN吊車伸出臂長50 m的起重最大負荷為330 kN，旋轉半徑9 m，能夠滿足安裝要求（HJ7）。按順序安裝后，采用臨時支撐固定，并用6515型塔吊安裝連接桿件（圖9）。

圖8 安裝桁架HJ1、HJ2、HJ3、HJ4

7 洞口處理

7.1 預留洞口安全防護

由于地下室預留洞口為無梁樓蓋，安全圍護高度需大于1 100 mm，掛設安全網，并設置警示標語（圖10）。

圖9 鋼屋蓋吊裝過程

圖10 預留洞口安全防護措施

7.2 預留洞口處理

根據規范要求，預留方洞的四周施工縫應作加強處理，包括結構、防水、后封板等幾個方面。

1）施工縫結構處理。地下室頂板厚度為100 mm，在預留洞口范圍內，需要斷開預留施工縫。根據施工規范要求，洞口四周板需增加與原設計頂板相同直徑及間距的加強筋，鋼筋錨入頂板、梁混凝土長度Ld，伸出頂板、梁外長度500 mm。本工程中，在洞口四周將φ12 mm@400 mm的附加分布鋼筋加密為φ12 mm@200 mm，伸入洞口內500～1 000 mm。頂板原設計面筋和底筋伸入預留洞內500～1 000 mm，且相鄰2 根相互錯開，待補澆預留洞口混凝土時，再用相同直徑、間距的鋼筋與之焊接。

2）施工縫防水處理。地下室頂板、梁預留洞四周，采用快易收口網，其高度與梁高及板厚相等，用以增加新老混凝土的連接，同時在補澆預留洞口混凝土時，在板厚的中部沿預留洞口四周滿布一圈300 mm×3 mm止水鋼板。

3）后封板施工。補澆預留洞口混凝土，采用比原設計混凝土強度高一級的混凝土補澆，本工程中采用強度等級為C35、抗滲等級為P8的微膨脹混凝土補澆地下室頂板預留洞口。

8 經濟效益分析

常見吊裝方法與本安裝技術分析對比如表1所示。

表1 常見吊裝方法與本安裝技術分析對比表

對高大中庭組合桁架鋼屋蓋預留洞口分段安裝技術的研究，利用BIM技術對鋼構和復雜節點進行充分優化，不但節省了鋼材，而且減少了操作難度，節約了工期。

高大中庭組合桁架鋼屋蓋不采用常見的高空散裝法、整體吊裝法、屋面整體滑移法等，而采用預留吊裝洞口的方法，吊車進入地下室中庭直接進行吊裝，吊裝易操作、施工簡便、工期短、成本低廉，技術創效顯著[4,5]。

9 結語

項目通過應用BIM技術、創新吊裝方法等手段，高質量地完成了本工程施工，取得了一系列社會和經濟效益，對于具有地下室、高大中庭和鋼屋蓋的博物館、展覽館等場館類，且中庭結構跨度大、高度高、地下室頂板承載力小、鋼屋蓋質量較大的建筑，具有很好的工程參考價值，為今后類似工程的施工提供了可借鑒的方法。