鋼與混凝土組合結構施工在仿生建筑中的應用

金凱　吳博　戚興

摘 要：結合某仿生建筑結構工程的特點分析，通過鋼結構節點的處理、圖紙的深化，勁性柱砼澆筑振搗，體現出鋼與混泥土組合結構的重要性及在專業建筑中的作用與影響。

一、 工程概況

本工程為中國港口博物館及國家水下文化遺產保護寧波基地。本工程為空間曲面網架結構。A區、B區外形類似海螺外殼，其上方均有類似風帆類結構。所有鋼結構材質均為：Q345B。鋼結構工作量3300多噸。本工程鋼結構主要由鋼柱、鋼梁、管桁架等構成；主體外殼和穹頂結構采用焊接箱型截面和圓鋼管；弧形框架梁柱、水平弧梁和支撐系統采用圓管；風帆結構采用管桁架；弧形鋼骨柱采用焊接H型截面；豎直鋼骨柱采用圓管、十字型截面。

二 工程特點和難點

1、工程特點

本工程異形構件多，鋼結構制裝構件形態各異、包羅萬象。

（1）、勁型柱：長度9.15m，牛腿4～5個，單件栓釘數量388個

（2）、勁型柱+圓管柱組合構件：長度10m，牛腿4個，單件栓釘數量450個

（3）、錐體柱+圓管柱組合構件：長度7m，牛腿6個，單件栓釘數量372個

（4）、弧形鋼骨柱：垂直高度15.5m，水平距離6.4m，牛腿5個，鋼管連接件4處，單件栓釘數量747個

（5）、箱形柱、梁組合構件：柱：弧長9.7m，隔板12塊；梁：水平距離9.2m，隔板9塊

（6）、弧形鋼骨柱+箱形柱組合構件：長度9m，牛腿4個，栓釘數量394個，牛腿部位隔板數量10塊，以上箱體隔板6塊

（7）、弧形環梁：弦長9.6m，牛腿及鋼管連接件4個，栓釘數量252個

（8）、外殼、風帆大量采用弧形鋼管，各管件曲率均不相同，無規律可尋，圓弧曲管彎制均需數控編程進行相貫線彎制切割。

2、工程難點及亮點

（1）、該項目結構體系十分復雜，設計院所給空間節點坐標多，且坐標點均為殼體表面三維坐標→各坐標點進行全面換算→定出鋼結構形狀，此項換算工作量非常大→解決大批桿件無法匯交在一起，不能形成完整的結構體系的問題→建混凝土結構模型→土建模型與鋼結構模型導入→解決鋼結構專業、土建專業、建筑專業間的大量沖突與矛盾。截止建模完成，共解決問題122項次，由業主組織綜合性答疑會4場。

（2）、本工程大量采用勁性鋼結構，鋼結構與鋼筋之間的節點處理復雜，是本工程鋼結構深化設計的一大重點。砼梁和勁性鋼柱連接節點區域需設牛腿，梁-柱節點區域需注明：鋼筋和柱筋的位置、柱筋穿牛腿的位置及孔的大小、梁筋錨固、穿孔、焊接情況、梁筋的上下層關系、柱箍筋的位置以及是否穿牛腿，每根鋼柱四周都要有鋼筋，這使得鋼結構詳圖的深化設計工作量加大，難度大大增加。另外，鋼結構詳圖的設計還應考慮方便土建方的施工。

（3）、異形箱體柱內設隔板，箱體和隔板各設有混凝土流動澆筑孔。

要求加工廠內對零部件加工進行精細化管理，組裝、焊接次序進行深入技術交流；施工單位、監理單位及時對廠內構件隱蔽工程進行檢查、驗收。

（4）、異形箱體結構加工難，弧形柱外殼連接埋件設計勁板、各勁板設計有鋼筋通過孔。外殼連接埋件的設計要充分考慮到：型鋼混凝土柱的主筋和箍筋施工，混凝土澆筑后的流動密實性。上工序鋼筋工程施工完成后頂部封閉板進行封閉處理 。

（5）、異形箱體結構加工難，穹頂結構在射線方向多牛腿定位組裝。加工廠內對穹頂環梁及牛腿實地放樣，分兩件供現場；現場實地放樣組裝成整件后吊裝；弧形箱體構件與牛腿各自對接時，利用測量設備精確控制定位坐標

（6）、尾翼相貫管件多，雙曲異形結構，安裝難度大：尾翼為雙曲面異形結構，各桿件相貫組成。安裝現場建立組裝平臺，利用吊機、叉車等機械實地放樣進行拼裝；拼裝胎模根據坐標精準放樣。B區尾翼重達18噸，高度為23米，利用300T汽車吊配合B區尾翼整體安裝。安裝就位前后控制各主要接觸面的坐標，并監測至各連接部位安裝焊接完成是安裝的重中之重。

三、 配合土建施工，進行鋼結構深化設計

1、 依據土建圖紙，鋼結構公司進行圖紙深化設計。型鋼柱分節時，根據現場塔吊起重參數，計算每根柱子所在位置塔吊最大起重量，將型鋼柱合理分節，不同柱子分節不同，滿足塔吊起重要求。

2、 深化設計中需畫出每個型鋼柱節點的大樣，即繪制型鋼柱制作詳圖、梁柱節點詳圖，分別明確穿型鋼腹板、錨入型鋼柱內、焊在型鋼柱牛腿上梁筋規格位置，根據詳圖，項目部進行鋼筋翻樣工作。

四、 控制型鋼柱制作環節，保證加工質量

型鋼柱在寧波建工鋼結構分公司濱海自有加工廠機械加工，所有需在型鋼鋼板上開的孔洞，全部在工廠采用相應的機床或專用設備鉆孔，嚴禁現場用氧氣切割開孔。構件每次出場前，項目部派質檢員到廠內，根據詳圖要求進行驗收檢查，確保加工的質量與精度。

五、 勁性柱砼澆筑振搗

型鋼柱翼緣板距柱外皮只有200mm，在此間隙內，設計有Ⅲ級直徑25mm的主筋，Ⅱ級直徑10mm的箍筋及Ⅱ級直徑10mm的八字箍，鋼筋凈距只有165mm，另勁性柱上錨釘密集（4根19栓釘@200）且柱子呈45度至85度角弧形布置，給砼澆筑振搗帶來很大難度。

為保證勁性砼澆筑質量，每次澆筑勁性砼柱，都進行重點控制，嚴格執行方案，加強過程控制，一方面與攪拌站協商控制好砼坍落度，另一方面，在型鋼柱相互垂直兩個方向架設經緯儀，監控型鋼柱的垂直度，發生偏差及時調整；同時選擇有施工經驗的砼班長親自拿棒，嚴格分層澆筑、分層振搗，振搗時盡量不碰型鋼柱，確保型鋼柱垂直度，收到較好的效果。

六、結語

從中國港口博物館工程中鋼骨柱的應用可以看到，型鋼混凝土組合結構技術相對于現澆鋼筋混凝土結構.施工程序復雜，梁柱節點焊接工作量大，工期長，需要預先放樣，對于技術人員的詳圖設計能力，總包的現場協調能力要求很高。從施工角度出發，不是一種較為困難的結構體系。

從設計角度出發，型鋼混凝土組合結構技術能夠解決超高、超限、錯層結構等復雜內力情況下的結構設計問題，能夠滿足對結構構件的抗震能力要求，減少結構構件截面尺寸，從而相對增加建筑使用面積，以較小的成本達到設計要求，是一種值得推廣的結構體系，其應用會越來越廣泛，特別是在建筑中的局部應用。