超高層建筑斜向型鋼混凝土組合柱的斜率控制

祝兆平 武 杰 張興志 王 濤 黃和飛

中建三局集團有限公司成都分公司 四川 成都 610041

1 工程概況

重慶來福士廣場項目位于長江與嘉陵江交匯處的朝天門廣場，由8棟高層建筑組成。8棟建筑皆以弧形塔樓臨水北向，錯落有致，形成一組強勁的風帆造型。

項目在結構設計中有大量斜向的型鋼混凝土柱，與通常的垂直型鋼混凝土組合柱相比，斜向型鋼混凝土組合柱的軸線、標高的控制和定位是保證施工質量的重點控制事項，型鋼混凝土斜柱的斜率如若不能得到有效控制，勢必影響整個工程的質量和進度。

本文以重慶來福士廣場項目（A標段）為背景，應用型鋼混凝土斜柱施工模擬、空間定位、鋼柱焊接預調（加工長度/焊縫）、鋼柱整體同時焊與單根對稱焊相結合、工具式可調幾字梁模板體系設計與施工、專用斜柱混凝土澆筑、斜柱變形監測與預調等技術，并結合總包管理的總體調配，確保了斜柱斜率的良好管控，效果甚佳。

2 技術原理

項目的立面帆船造型弧形結構由型鋼混凝土斜柱構造而成（圖1），通過斜柱傾斜角度的變化勾勒出立面弧形，施工中根據施工模擬結果對斜柱控制軸線和標高進行預調，利用深化斜柱BIM模型，采用RTS機器人全站儀對斜柱進行空間放樣；為保證對斜柱斜率的有效控制，鋼骨柱采用整體同時焊與單根對稱焊相結合的方法；斜柱模板采用工具式材料進行加固；采用與滿堂腳手架相連的鋼管斜撐對斜柱模板進行加固；斜柱混凝土澆筑時采用膠管串筒，以保證混凝土澆筑質量；斜柱施工完成后，及時對斜柱進行監測，根據監測結果，實時調整施工模擬預調值，以保證整體結構變形在可控范圍內。

圖1 施工完畢的型鋼混凝土柱

3 型鋼混凝土柱施工工藝流程

施工模擬預調→斜柱定位放樣→鋼骨柱安裝、校正→鋼骨柱焊接管控→斜柱鋼筋、模板工程管控→變形監控

4 型鋼混凝土柱施工操作要點

4.1 斜柱定位施工模擬預調

立面弧形結構，由于結構形式外傾，施工過程中隨著結構荷載加載，會產生豎向和水平向的變形。為控制結構變形，利用ETABS 2013和SAP2000軟件進行全過程施工模擬分析，在軟件中預演整個施工過程，進行逐步加載，分析結構及施工措施的變形規律，得到各施工步水平向和豎向結構預調值。施工過程中對設計軸線和標高進行預調，每層按照調整后的控制軸線和標高進行施工[1]。

水平向預調為平面內調整，現場施工時，先將柱按照原設計定位進行測量放線，再根據樓層相應調整值在平面內對控制軸線進行調整。

豎向調整為按照施工模擬情況進行分步、分段調整，調整時通過調整相應樓層標高來實現。

4.2 斜柱測量定位

首先通過施工模擬調整后的控制軸線和標高進行斜柱定位，利用深化的斜柱BIM模型（圖2），采用RTS機器人全站儀對斜柱進行空間放樣。斜柱立面上按高度布置測點，準確測量各點與相應軸線的水平距離，用于校核斜柱模板。RTS機器人全站儀放樣所需設備包含TRIMBLE RTS建筑機器人全站儀、LM80手簿、全向棱鏡。

圖2 斜柱BIM模型深化

然后，使用天寶TPC軟件對每層斜柱3D BIM模型創建放樣點，數據分層，并導出文件到LM80手簿中，在現場通過圖形化的引導方式進行現場放樣作業，落實三維設計的精確施工。

4.3 斜鋼骨柱安裝、校正

吊裝前做好鋼柱外觀尺寸等檢查驗收工作，之后進行鋼柱吊裝，臨時加固后即進行鋼柱校正。

4.3.1 鋼柱安裝前的準備工作

1）利用模擬調整后的軸線坐標，放樣對應鋼柱軸線，對偏差較大的預埋件螺栓進行調整。

2）在鋼柱底板邊緣放樣出鋼柱的中心線，清除預埋件上的絲口保護套、螺絲上的混凝土和鋼銹，并給絲口涂抹黃油，鑿平墊塊位置的混凝土。

3）采用全站儀從測控點引測柱底就位標高，并做好標高標記，調整好所有同標高位置的柱底下部墊塊或螺母，觀測墊塊位置混凝土面與鋼柱柱底標高的偏差值，當標高存在較大偏差時，采用不同厚度的墊鐵預先找平。

4）為確保傾斜鋼柱安裝精度和質量安全，事先需采用鋼絲繩加葫蘆將其固定在鋼柱的傾斜陽角面頂部，以方便后續固定和角度調整。

4.3.2 鋼柱底就位校正

在確保柱底站位空間的條件下，柱底就位應盡可能在鋼柱安裝時一步到位，少量的偏差校正可用千斤頂和撬棍實現微調校正，柱底就位后軸線偏差應不大于2 mm。

4.3.3 鋼柱頂標高測量

本工程鋼柱的標高控制采用測量柱頂三維坐標的方法進行，柱頂標高應與模擬計算模型保持一致。

柱頂標高測控點設為柱中心，截面較大的構件需增加兩側翼緣中心點，共3個測控點。柱頂層高偏差控制在5 mm內，當層間柱高偏差接近限值時，通過加墊板墊高或切割襯板的方法，調整上一節鋼柱的標高以達到標高控制目的[2]。

4.3.4 鋼柱角度測量

鋼柱柱底就位和柱底標高校正完成后，利用全站儀檢查鋼柱的傾斜角度，單節鋼柱垂直度經校正后，偏差值δ應不大于10 mm，同軸線上頂部角度偏離值應不大于3'30"。對于大截面鋼柱，需由制作廠在柱角四周頂部畫上柱中十字標記，現場再用油漆筆做上控制記號，測定柱四角三維坐標并進行實時調整，直到柱子設計坐標值與儀器所測坐標差符合規范要求（圖3）。

圖3 鋼柱傾斜角度調節

4.3.5 鋼柱預調值的校正（加工補償法）

根據施工模擬分析，得出傾斜結構的標高及軸向變形數據，需依據變形數據來確定各節傾斜鋼柱的預調值。

1）通過加工長度進行預調：考慮到不同板厚的鋼材焊接收縮量，將施工模擬分析的預調值分配到每節鋼柱后，若每節鋼柱預調大于5 mm，則每節鋼柱的制作尺寸應按照預調值進行適量調整。

2）通過焊縫進行預調：由于焊接應力產生的變形對鋼柱角度上的影響是不可避免的，故需通過施工計算式模擬、分析、計算出不同構件的結構荷載、偏心距等要素以便進行預調值計算，將預調值分配到每節鋼柱，每節鋼柱預調值為3～12 mm。同時，為加強構件自重荷載對結構軸線的影響，需要對傾斜鋼柱陽角面進行鋼板加固，以抵消焊接應力和結構彎矩力。

3）施工過程中，持續觀測結構的變形情況，并將其反映到下一節鋼柱的制作中。

4.4 斜鋼柱焊接

4.4.1 焊接原則

本工程焊接順序的選擇，必須遵循以下原則：應使焊接變形和收縮量最小；應使焊接過程中加熱量平衡；收縮量大的焊接部位先焊接，收縮量小的焊接部位后焊接；盡量采用對稱焊接法組織施焊。

4.4.2 整體結構焊接順序

根據本工程的結構特點，焊接時采取整體同時焊接與單根柱對稱焊接相結合的方法，通過有組織地焊接確保焊接變形量達到最小。

4.5 斜柱鋼筋工程

由于不同層斜柱傾斜角不同，同層柱傾斜角也存在不相同的情況，導致每層柱縱筋有多種尺寸，同時斜柱的綁扎存在一定困難。因此，斜柱鋼筋綁扎必須從翻樣、加工、綁扎方面進行全面控制。

鋼筋翻樣安排專員全程負責，做到“一對一”的督辦，同時應用計算機，輔助專業人員完成翻樣圖繪制。由于不同的斜柱鋼筋存在差異，因此在翻樣時必須對每根斜柱縱筋進行單獨編號。現場鋼筋綁扎與翻樣料表一一對應。

在箍筋的綁扎過程中，利用標尺對鋼筋斜率進行測量，若斜率偏差太大，則由現場鋼筋工進行前臺調整。隨著箍筋的增加，鋼筋骨架的質量越來越大，應做好鋼筋骨架的防傾覆措施。當柱子外傾時，外側大模板無法固定，因此需要使用鋼絲繩拉住鋼筋骨架，并將繩的另一端固定在滿堂腳手架上，使用的鋼絲繩直徑不小于14 mm，拉結點設置在內側兩角點縱筋上，豎向距離可以根據現場實際情況進行控制。

4.6 斜柱模板工程

4.6.1 模板定位

將斜柱柱角用1∶2水泥砂漿抹平，先放樣出各斜柱角點坐標，將其投射到已澆筑樓板上，做好標記，并彈出柱角邊線和離柱角邊線50 cm處的控制線。

對外框邊梁進行水平抄測，確保外框邊梁設計標高，外框邊梁模板兩端標高允許誤差小于5 mm，邊梁中部按0.1%自然起拱。利用投射軸線對外框邊梁進行定位，雙向定位誤差均不大于3 mm。

利用已安裝完成的外框邊梁模板以及已放樣柱角邊50 cm控制線對斜柱上下口進行粗定位，完成斜柱模板安裝，再利用RTS機器人全站儀對斜柱模板的斜率進行復測調整，完成斜柱模板加固。

4.6.2 模板加固

框架斜柱模板采用厚15 mm雙面覆膜木膠合板，模板豎向龍骨為50 mm×70 mm鋼制可伸縮幾字梁（間距不大于200 mm），斜柱抱箍采用鋼制抱箍緊固件（間距不大于400 mm），模板拼縫之間粘貼海綿條，陽角部位采用工具式夾具加固。斜柱模板支撐采用鋼管進行加固，斜柱模板底面及兩側面設鋼管斜撐，豎向間距500 mm，模板背面采用鋼管抱柱的形式同滿堂腳手架進行拉結，豎向間距500 mm，保證斜柱模板的整體穩定（圖4、圖5）。

4.7 斜柱變形監測

經過施工模擬預調，上部結構施工時，下部已完成結構將會有向預調反方向變形的趨勢，為保證變形在可控范圍內，在結構施工過程中，需對已完成的斜柱進行水平向、豎向變形監測。通過對監測數據的收集，觀察結構的變形趨勢，根據實際變形量對還未施工樓層的施工模擬預調值進行適當調整，保證斜柱最終變形符合要求。

變形測點主要布設在建筑物的四角和變形比較敏感的部位，以能夠監控建筑物的整體變形與局部變形情況為宜。本工程監測點布置在柱子位置，若有沉降縫則兩邊采取對稱布置，塔樓的豎向位移則用L形沉降觀測標志直接焊接（或者用植筋膠），塔樓水平位移則配合埋設L形棱鏡。

垂直位移的測量采用Trimble DINI03電子精密水準儀進行測量，按照GB 50026—2007《工程測量規范》中二等變形測量的精度來量測，并將各觀測點布設成閉合環路線聯測到基點上。水平位移則采用托普康GPT-7501全站儀（1"）進行測量，觀測的方法按照JGJ 8—2007《建筑變形測量規范》來量測。

圖4 斜柱模板可伸縮鋼制幾字梁安裝

圖5 斜柱幾字梁、抱箍緊固件加固

4.8 定期召開斜柱斜率控制分析會

總包單位在協調土建、鋼構2家分包穿插施工的同時，定期組織召開斜柱斜率控制分析會，從現場管理人、機、料、法、環五大環節，運用因果分析圖的形式，對問題逐一進行分析，并制訂整改落實措施、時間和責任人，確保對斜柱斜率從管理上進行有效控制[3-4]。

5 結語

在異形超高層結構施工中，斜柱的斜率控制始終是工程管理的重、難點課題。在實踐過程中，應結合現場實際，集思廣益，大膽摸索，不斷尋求突破問題的新方法、新措施，將技術、管理創新應用到實際工程管理中，為項目生產創效增益。