錯層積木外形的裝配式鋼結構施工技術

鄭信榮 陳建福 王業禎

上海新長寧集團建筑裝飾實業有限公司 上海 200050

1 工程概況

上海長寧區威寧路辦公樓項目為錯層積木外形的裝配式鋼結構建筑工程，由1棟地上10層商務辦公樓、1棟地上3層文化中心和地下2層停車庫組成。

本工程建筑設計理念——“魔都、魔方、魔力無限”，采用BIM技術進行設計。通過在設計階段中引入Autodesk Revit、Autodesk Navisworks Manager軟件，建立了可視化建筑三維模型，使工程師和設計師可以更加精確地設計和建造高效能的建筑結構，提高圖紙設計的精確度和效率。該建筑外形采用錯層積木設計，增加建筑的靈動性，整個建筑外立面層次變化多樣豐富（圖1）。

圖1 上海威寧路辦公樓外觀

2 鋼結構設計概況

本工程地下2層為鋼筋混凝土框架結構，上部主體結構為裝配式鋼框架結構，鋼柱按設計要求嵌固于地下室，并伸入至地下1層結構樓板面。結構總高度43.4 m，總用鋼量2 600 t。

鋼柱均為箱形框架柱，材質為Q345B，規格為□400 mm×400 mm×20 mm×20 mm～□700 mm×700 mm×50 mm×50 mm不等。

鋼梁材質為Q345B，部分鋼梁采用熱軋H型鋼，規格為H200 mm×200 mm×8 mm×12 mm～H800 mm×350 mm×14 mm×30 mm不等，部分鋼梁采用焊接H型鋼，規格為H600 mm×300 mm×12 mm×20 mm～H900 mm×300 mm×16 mm×28 mm不等。

平面柱距東西向分別為12.0、12.2、8.8、12.0 m，南北分別為13.2、11.6、13.2 m，外立面積木式錯層均為懸挑結構，懸挑長度2.3～4.0 m，即從鋼柱上懸挑出鋼梁，再設連系梁形成整個懸挑構件。

框架梁與框架柱之間連接采用剛性連接，次梁與主梁之間的連接采用鉸接，主體鋼結構樓板采用壓型鋼板復合樓板結構。鋼結構耐火等級為一級，采用防火涂料。

該結構具有施工工藝要求高、制作成品精確度要求高、安裝安全性要求高及綠色環保等特點。

3 鋼結構施工圖深化設計

鋼結構施工圖深化設計直接影響到鋼結構制作和安裝[1-4]，所以我們對這項工作十分重視，組織相關專家和技術骨干對多家鋼結構制作單位進行實地考察，最后經過綜合考評，選擇了一家實力比較強的鋼結構制作企業。

鋼結構深化設計圖紙是廠家制作鋼結構的主要依據。我們通過鋼結構深化設計比較原設計使用的截面，適當調整截面尺寸，同時使桿件和節點在實際的加工制作和安裝過程中能夠更加合理和精確，并且對桿件進行編號，形成流水制作，提高加工效率，并對螺栓拼接縫處連接板進行優化、歸類、統一，減少品種和規格。

深化設計圖紙的節點圖紙包括鋼柱與基礎、鋼梁與鋼柱、鋼柱與混凝土梁、主次梁節點等連接詳圖。整個深化設計采用Xsteel制圖軟件出圖，按以下步驟進行：結構整體定位軸線的確立→結構整體初步建模→節點參數化自動生成→構件編號→出構件深化圖紙→圖紙更新、調整。

4 鋼結構吊裝設備的選擇及現場平面布置

本工程所有鋼結構的安裝任務基本由設在建筑物內的1臺C7030塔吊進行吊裝，塔吊吊裝回轉半徑60 m，根據塔吊回轉半徑將其設置在一個比較合理的位置，四面兼顧，利于吊裝施工（圖2）。經過鋼結構深化設計，單個構件質量均在8 t以下，塔吊均能滿足所有構件吊裝的需要。

圖2 施工現場平面布置

塔吊基礎承臺厚1 350 mm，其底標高位于地下室頂板上1 000 mm處，承臺下設4根480 mm×480 mm鋼格構柱，并采用型鋼支撐進行焊接連接，將4根鋼格構柱形成整體。鋼格構柱下端伸入基坑底與其軸線重合的4根φ800 mm、長35 m的鉆孔灌注樁內，要求至少插入3 m，鋼格構柱上端則伸入承臺基礎內600 mm以上。

在基坑及地下室施工階段前，塔吊基礎全部完成并達到混凝土設計強度，塔吊立即安裝到位投入使用，直到鋼結構完成后再在建筑物北側采用100 t的汽車吊將塔吊分段拆卸至地面運輸出場。

5 鋼結構主體結構施工

5.1 鋼結構施工流程

鋼結構施工流程為：塔吊安裝、基坑開挖→基礎底板、地下2層結構施工完成、首節鋼柱吊裝→地下1層結構施工完成、第2節柱吊裝→3～4層鋼柱和鋼梁安裝、1～2層樓板壓型板安裝→5～6層鋼柱和鋼梁安裝、1～2層開始壓型板上混凝土樓板澆筑→7～8層鋼柱和鋼梁安裝、3～4層混凝土樓板澆筑→9層～屋面層鋼柱和鋼梁安裝、逐層完成5層～屋面層混凝土樓板澆筑→結構封頂。

在施工地下室部分時，主要是勁性混凝土結構和一般框架結構，上部主體才是鋼結構施工，主要包括鋼柱吊裝、柱間鋼梁吊裝、次梁吊裝、懸挑結構的吊裝等工序。

鋼結構施工的樓層先于土建（壓型板上混凝土樓板澆筑）施工的樓層，一般相差5～6層，即上面2層在進行鋼結構安裝，中部2層在進行壓型鋼板的鋪設，最下面2層在綁扎鋼筋、澆筑混凝土。鋼結構的吊裝施工應與土建（混凝土澆筑）密切配合，既有利于結構整體剛度和穩定性，又有利于施工作業。

5.2 鋼柱施工工藝

5.2.1 第一段鋼柱的吊裝

本工程上部主體鋼柱嵌固于地下室，并要求鋼柱（箱型柱）伸入地下1層鋼筋混凝土柱內，即－5.25 m標高處，在施工地下2層頂板結構時埋入鋼柱腳螺栓，在進行地下1層結構施工前首先進行第一段鋼柱的吊裝，主要采用從中間向東西兩側吊裝的施工順序。箱形柱采用分段對接安裝，第一段鋼柱分段位置在超過地下室頂板面1.2 m處。

施工時，先放出每個鋼柱柱腳基礎的縱橫軸線，確定鋼柱安裝位置，將所測軸線彈墨線后，復核相鄰柱間尺寸。在軸線復核無誤后，做三角標記，作為第一節鋼柱吊裝就位時的對中依據。與此同時，要將柱的中心線和標高基準線標記在柱的兩端，標記要醒目。每根柱在地面以柱頂為基準標記安裝用的標高控制線，標高控制線應至少投設和標記于兩個面上。吊裝前將安裝爬梯安裝在鋼柱的一側，同時在柱與鋼梁的連接位置下1.2 m處焊接固定裝配式安裝操作平臺的臨時槽鋼，鋼爬梯和臨時槽鋼應安全牢靠，以便于作業人員上下和安裝鋼梁時操作（圖3）。鋼柱吊點設置在預先焊好的連接耳板處，為防止吊耳起吊時的變形，采用專用吊具裝卡，采用單機回轉法起吊。起吊前，鋼柱應墊上枕木以避免起吊時柱底與地面的硬接觸，起吊時，不得使柱端在地面上拖拉。待鋼柱吊到就位上方200 mm時，應停機穩定，對準螺栓孔和十字線后，再緩慢下落，使鋼柱四邊中心線與基礎十字軸線對準。在鋼柱吊裝至安裝位置后，即應拉設纜風繩進行固定，并采用全站儀進行垂直度、水平度測量控制。柱底就位應盡可能在鋼柱安裝時一步到位，若有少量的校正可用千斤頂和調整螺母法校正，精度要求在1 mm以內。

5.2.2 地下室勁性柱（鋼柱）與鋼筋混凝土框架梁的連接施工

設計方案采用在鋼柱上開孔，鋼筋混凝土框架梁鋼筋穿入相應的孔位的方案，此種做法的缺點是在鋼結構柱制作時需在鋼結構柱上開孔，鋼柱存在局部截面損失率較大的問題。我們在圖紙會審中提出了此問題。設計單位做了修改，采用與焊接在鋼柱上的套筒機械連接的方式，混凝土梁內鋼筋密集多為兩排設置，現場鋼筋綁扎的精度與鋼結構制作精度存在不匹配，可能造成混凝土梁上下兩排主筋無法順利穿入相應的機械連接套筒的情況。最終我們與設計單位溝通采用梁上、下外排鋼筋焊接鋼板，內側第二排鋼筋與焊接在鋼柱上的套筒機械連接方案，采用此方案有效地解決了地下1層鋼柱與鋼筋混凝土框架梁的連接節點的施工難題，具有可靠的操作性，我們采用樣板引路，先制作了一個節點，設計、監理單位到現場進行確認復核，然后再把樣板推廣應用到相同的節點。

5.2.3 地下勁性柱混凝土澆筑

地下1層柱內鋼筋配筋密集，箱形柱每側的豎向柱筋為HRB400級φ22～φ25 mm鋼筋7～9根，柱子箍筋間距100～150 mm。勁性柱梁節點復雜，處理難度較大，由于勁性柱內鋼筋密集，加上栓釘，混凝土澆筑極為困難，振搗質量如不到位，容易出現蜂窩、孔洞等質量缺陷。因此勁性柱混凝土采用20～30 mm粒徑的石子，坍落度控制在180～220 mm，采用φ30 mm的振動棒進行振搗，確保施工質量。

5.2.4 上部鋼柱的吊裝

臨時裝配式操作平臺，我們采用腳手架搭設＋木板，設簡易操作平臺，方便又節省材料（圖4）。

圖3 鋼柱及鋼爬梯

圖4 鋼柱上操作平臺

上部鋼柱的安裝與首段鋼柱的安裝不同點在于柱腳的連接固定方式不同。上部鋼柱2層一節，鋼柱吊點設置在鋼柱的上部，利用4個臨時連接耳板作為吊點。吊裝前，下節鋼柱頂面和本節鋼柱底面的渣土和浮銹要清除干凈，保證上下節鋼柱對接面接觸頂緊。

下節鋼柱的頂面標高和軸線偏差、鋼柱扭曲值一定要控制在規范以內，在上節鋼柱吊裝時要考慮進行反向偏移回歸原位的處理，逐節進行糾偏，避免造成累積誤差過大。柱身的扭轉調整通過上下的耳板在不同側夾入墊板（墊板的厚度一般在0.5～1.0 mm），在上連接板擰緊大六角頭螺栓來調整。每次調整扭轉在3 mm以內，可分成2～3次調整。鋼柱吊裝到位后，鋼柱的中心線應與下面一段鋼柱的中心線吻合，并四面兼顧，待校正完畢，采用全熔透坡口焊接全部焊接完畢后，將連接板割掉，打磨光滑，并涂上防銹漆。割除時不要傷害母材。

5.3 鋼梁安裝施工工藝

5.3.1 鋼梁安裝順序

總體隨鋼柱的安裝順序進行，相鄰鋼柱安裝完畢后，及時連接之間的鋼梁使安裝的構件及時形成穩定的框架，并且每天安裝完的鋼柱必須用鋼梁連接起來，不能及時連接的應拉設纜風繩進行臨時穩固。按先主梁后次梁，先內后外、先下層后上層的安裝順序進行安裝。

5.3.2 鋼梁吊裝方法

本工程的主要構件全部用塔吊進行吊裝，對于質量較輕的鋼梁則采用一機多吊的方法。

5.3.3 鋼梁的就位與固定

鋼梁吊裝前，先清理鋼梁表面污物。吊裝鋼梁應裝配好附帶的連接板，并用工具包裝好螺栓。鋼梁吊裝就位時要注意鋼梁的上下和水平位置，確保安裝正確。鋼梁安裝就位時，及時夾好連接板，對孔洞有偏差的接頭應用沖釘配合調整跨間距，然后再用普通螺栓臨時連接。

5.3.4 懸挑部位的安裝

該建筑錯層積木形外立面變化多樣，均由懸挑結構的長度變化而形成，而且每層變化都不一樣。按照先里后外的順序，待柱間梁都安裝完畢后，形成了內部的框架體系，而后進行外部懸挑結構的吊裝。懸挑長度必須按圖紙尺寸精確施工，安裝前須仔細校對懸挑鋼梁構件長度與圖紙是否相符。

采用吊機懸吊校正焊接，吊機松鉤后會產生稍許下垂，根據懸挑長度采用標高預提的方法。懸挑主梁安裝完畢后，進行前端和中端連系次梁的安裝，最后形成外立面的錯層積木外形的骨架。

6 結語

隨著城市建設的發展，裝配式鋼結構的施工項目會越來越多，通過對本工程中關鍵技術的研究和總結，使我們對裝配式鋼結構建筑的施工有了更新的認識，可供今后類似工程借鑒。