探析高層建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)

劉 棟 中國水利水電第十一工程局有限公司

1 引言

城市土地資源緊缺形勢嚴(yán)峻促使高層建筑項目數(shù)量不斷增加，如何進(jìn)一步提高高層建筑工程質(zhì)量、功能性及施工效率成為行業(yè)研究的重點。在可持續(xù)發(fā)展、綠色建筑等理念融入行業(yè)之后，裝配式鋼結(jié)構(gòu)成為現(xiàn)代建筑發(fā)展的一個主要方向，得到越來越多的關(guān)注。但整體看來，裝配式鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑項目中的應(yīng)用時間不長，在技術(shù)掌握方面還存在一定的問題，需要對其關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

2 高層建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)

高層建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工難點主要體現(xiàn)在兩方面。一是對鋼構(gòu)件吊裝精度的要求較高，在吊裝之前，需結(jié)合工程設(shè)計要求，嚴(yán)格確定各鋼構(gòu)件的吊裝方案，確保安裝位置精確性。二是對結(jié)構(gòu)防滲能力要求較高。該類建筑的標(biāo)高過高，在進(jìn)行防滲漏處理時具備一定難度，施工過程中需重點關(guān)注。

2.1 裝配式鋼構(gòu)件生產(chǎn)

鋼構(gòu)件生產(chǎn)之前，結(jié)合高層建筑工程總體設(shè)計給出鋼構(gòu)件設(shè)計圖紙，并開展材料采購活動。用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件生產(chǎn)的鋼材及其他零部件需要經(jīng)過預(yù)試驗，確保材料性能、強(qiáng)度、韌性等均達(dá)到高層建筑項目質(zhì)量要求。結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計圖完成配料工作，檢查半成品及零部件的質(zhì)量、尺寸是否符合要求，全部通過后，進(jìn)行鋼構(gòu)件的組裝與焊接。注意焊接過程應(yīng)使用二氧化碳為保護(hù)氣，并對焊接縫進(jìn)行可靠性檢驗[1]。最終對鋼構(gòu)件進(jìn)行細(xì)化測量和校正，做好除銹與防銹工作。

鋼構(gòu)件在運輸過程中要做好保護(hù)措施，適當(dāng)選取運輸工具、吊裝方式并設(shè)置起吊點，避免在裝配之前導(dǎo)致鋼構(gòu)件發(fā)生損壞，影響正常的施工進(jìn)度。

2.2 裝配式鋼構(gòu)件定位

垂直類鋼構(gòu)件在起吊之前需將其連接面清理干凈，調(diào)節(jié)高程螺栓或添加墊圈，確保板底高度達(dá)到設(shè)計要求。對預(yù)留鋼筋、預(yù)制構(gòu)件等進(jìn)行尺寸檢測，設(shè)置PE條或橡膠條對尺寸偏差進(jìn)行調(diào)整。鋼構(gòu)件到位后，立即開展支護(hù)系統(tǒng)搭建，確保每一鋼構(gòu)件的斜向支撐不少于2 組。構(gòu)件支撐點距構(gòu)件底部的距離應(yīng)在整個構(gòu)件高度的1/2～2/3。支撐系統(tǒng)安裝完畢后，進(jìn)行構(gòu)件垂直度的調(diào)節(jié)，常用工具包括線錘和靠尺，保證鋼構(gòu)件的垂度符合建筑整體要求。為確保鋼結(jié)構(gòu)定位的精確度，該過程通常在BIM技術(shù)的輔助之下完成。

2.3 裝配式鋼構(gòu)件吊裝

鋼構(gòu)件起吊方案的制定需結(jié)合施工現(xiàn)場塔吊的實際運行能力而確定，嚴(yán)禁吊裝總重超出塔吊的起重極限。一般使用分段技術(shù)完成吊裝作業(yè)。即當(dāng)鋼構(gòu)件的長度超過12m，寬度超過2.8m，或高度超過4.5m時，應(yīng)使用分段技術(shù)確保吊裝過程的平穩(wěn)性。鋼構(gòu)件的吊裝需依照提升順序進(jìn)行，當(dāng)構(gòu)件被吊離地面后，需使用環(huán)鏈葫蘆將整個構(gòu)件的形態(tài)調(diào)整至水平，并設(shè)置防風(fēng)繩確保起吊過程構(gòu)件的穩(wěn)定性。在鋼構(gòu)件目標(biāo)安裝位置設(shè)置定位軸，安裝臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)。鋼構(gòu)件吊裝過程中，構(gòu)件受到的風(fēng)阻較大，因此在下落時可選用速度較緩的座位機(jī)構(gòu)。例如，在吊裝板類結(jié)構(gòu)時，為確減輕起重機(jī)晃動的程度，可設(shè)置臨時引導(dǎo)裝置，以保證一次性將鋼板吊送至準(zhǔn)確位置。在吊裝梁結(jié)構(gòu)之前，必須完成支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置。柱結(jié)構(gòu)的吊裝需提前確定鋼筋高程及位置，并在吊裝前檢查柱結(jié)構(gòu)表面是否存在破損，合理確認(rèn)安裝方向、角度、吊裝點等參數(shù)。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點施工技術(shù)

在整個高程建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點施工是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。本文重點介紹梁、柱、板鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點施工技術(shù)。

2.4.1 梁、柱結(jié)構(gòu)的節(jié)點施工

當(dāng)連接H 型柱與梁結(jié)構(gòu)時，高層建筑中裝配式鋼結(jié)構(gòu)的梁與柱結(jié)構(gòu)大多使用普通高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，盡可能避免焊接的方式，以免鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中產(chǎn)生焊接應(yīng)力或發(fā)生形變，確保連接節(jié)點具備足夠的荷載能力。鋼結(jié)構(gòu)中懸臂短梁與柱結(jié)構(gòu)的連接一般在加工廠完成，使用焊接方式。而懸臂短梁與框架梁在施工現(xiàn)場進(jìn)行連接，使用預(yù)制拼接的方式。在預(yù)制拼接過程中，梁結(jié)構(gòu)的上下邊緣可發(fā)揮就位板功能，拼接板發(fā)揮耳板功能。同樣采用高強(qiáng)度螺栓完成節(jié)點連接，施工效率較高。

鋼管柱與H 梁的連接使用全螺栓連接的方式，該連接作業(yè)相對簡單，但需要嚴(yán)格控制連接構(gòu)件的質(zhì)量。例如，高層建筑當(dāng)中常用高強(qiáng)度螺栓或高強(qiáng)度對拉螺栓完成鋼管柱與H梁的連接。但該方法同樣存在一定問題，如螺栓緊固時操作空間不足、螺栓抗拉承載力不足等。連接技術(shù)上的缺陷給裝配式鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑施工中的應(yīng)用帶來一定阻礙，但隨著新型連接技術(shù)的研究和應(yīng)用，以上問題也將被很好的解決。

2.4.2 板結(jié)構(gòu)的節(jié)點施工

高層建筑中使用的墻板多為蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板，這類墻板由水泥、砂石、鋼筋網(wǎng)等材料構(gòu)成，具備自重小、保溫性能優(yōu)良、耐火性強(qiáng)、隔音效果好、安裝簡便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。例如，其干密度一般不超過0.55g/cm3，自重輕給其安裝作業(yè)帶來極大的便利。內(nèi)部密實度高，且存在大量細(xì)小、排不緊密的空隙，保溫效果可以達(dá)到一般混凝土材料的10倍以上[2]。在處理板結(jié)構(gòu)連接節(jié)點時，需注意以下幾點問題：（1）外墻板與梁的連接。若選用雙層蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板，首先應(yīng)安裝外側(cè)墻板，使用吊裝設(shè)備將墻板運送至目標(biāo)高度，使用纜風(fēng)繩將墻板移動至指定距離，固定L形勾頭。將保溫板緊密貼合在外側(cè)墻板表面，安裝內(nèi)層墻板并將墻板與L 型勾頭連接固定，填補(bǔ)灰縫。（2）墻板與墻板間的連接。墻板與墻板的連接需要通過鋼骨架進(jìn)行，要求崗龍骨與墻板間距300mm，使用長度在50mm 的自動螺釘固定。（3）墻板與門窗結(jié)構(gòu)的連接。首先安裝門窗下部的墻板，再設(shè)置鋼骨架，安裝上側(cè)墻板，并使用自攻螺釘進(jìn)行固定。

3 高層建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工案例分析

3.1 工程背景簡介

某高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑，總建筑面積達(dá)到145853.27m2，其中包括地下建筑面積42621.23m2。該工程中大部分裝配式構(gòu)件在加工廠加工，主要使用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，并配合少量的焊接形式。其主體結(jié)構(gòu)由矩形鋼管混凝土柱和H 型鋼梁等構(gòu)成。整個建筑的層高設(shè)計為17 層，為鋼結(jié)構(gòu)框架支撐結(jié)構(gòu)建筑，使用鋼材的體量較大，超過11000t，其裝配率在88.74%左右。

由于本工程為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，目前國內(nèi)類似的工程案例相對較少。在施工前，對工程重難點進(jìn)行分析。建筑中涉及到大量梁、柱鋼結(jié)構(gòu)，型號、規(guī)格較多。在進(jìn)場后需要對各類鋼構(gòu)件的質(zhì)量、型號、尺寸等進(jìn)行核對，并高效完成安裝施工，安裝施工量較大。此外，鋼構(gòu)件節(jié)點位置、構(gòu)件垂度、焊接縫可靠性等均要達(dá)到工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，對施工作業(yè)的精確性提出嚴(yán)格要求。

3.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工

由于該工程對鋼結(jié)構(gòu)裝配的精度角球較高，因此整個施工過程在BIM 技術(shù)的輔助之下進(jìn)行。結(jié)合以上施工重點，對該工程梁、柱鋼結(jié)構(gòu)安裝施工方案進(jìn)行介紹。

3.2.1 梁結(jié)構(gòu)的安裝

使用BIM 系統(tǒng)配合射頻識別技術(shù)，對工程中鋼梁構(gòu)件進(jìn)行編號并制作電子標(biāo)簽。鋼梁構(gòu)件在運輸、吊裝過程中，使用電子標(biāo)簽對其進(jìn)行定位。這樣，BIM系統(tǒng)能夠?qū)κ┕み^程中全部鋼梁構(gòu)件的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。在鋼梁吊裝之前，確定起吊位置，在確保結(jié)構(gòu)形變不出超出規(guī)定范圍的基礎(chǔ)上，維持吊裝平穩(wěn)并為鋼梁固定、解鎖操作提供方便。當(dāng)?shù)跹b角未達(dá)到60°時嚴(yán)禁起吊[3]。為防止出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，在吊裝過程中使用橡膠墊對吊裝點進(jìn)行保護(hù)。（1）柱梁安裝。柱梁安裝依照下、中、上的順序，高強(qiáng)度螺栓與鋼梁端點距離不超過1m。柱梁被吊送至指定位置后，使用撬棍調(diào)整其形態(tài)，確保安裝位置的準(zhǔn)確性，再利用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行固定，校正底層梁后，對螺栓進(jìn)行終擰。在安裝主梁的過程中預(yù)留適當(dāng)?shù)暮附邮湛s縫，該縫隙的大小需要提前通過試驗確定。（2）次梁安裝。次梁起吊前，檢查其兩側(cè)的連接鋼板及臨時螺栓是否符合要求，臨時螺栓的數(shù)量不應(yīng)低于螺栓總數(shù)的2/3。次梁安裝需依照從內(nèi)向外、從下到上的順序，使用鋼絲繩固定次梁并進(jìn)行吊運。次梁及主梁的上表面應(yīng)相互對正，高強(qiáng)度螺栓緊固后在進(jìn)行初擰和終擰。

3.2.2 柱結(jié)構(gòu)的安裝

鋼柱的安裝同樣在BIM系統(tǒng)的輔助下進(jìn)行。對鋼柱進(jìn)行電子編號并制作電子定位標(biāo)簽。（1）起吊方式確認(rèn)。鋼柱使用回轉(zhuǎn)起吊的方式，由一臺塔吊完成。使用枕木作為墊護(hù)設(shè)置在起吊設(shè)備端部。若在吊運過程中發(fā)現(xiàn)滑動受阻問題，應(yīng)立即停止起吊并進(jìn)行調(diào)整。（2）安裝方案選擇。對于首節(jié)鋼柱的安裝來說，要求其基準(zhǔn)線及標(biāo)高必須與設(shè)計方案中的具體數(shù)據(jù)保持一致。提前檢查地錨螺栓的直徑、裸露長度等是否達(dá)標(biāo)。確定鋼柱外觀參數(shù)及連接板的角度并完成尺寸校驗。在檢測鋼柱標(biāo)高時，在距離柱底1m 的位置設(shè)置標(biāo)記，以為尺寸校驗活動提供方便[4]。根據(jù)工程基礎(chǔ)預(yù)埋件的高度確定第一節(jié)鋼柱的標(biāo)高，在安裝之前確保其標(biāo)高達(dá)到指定要求。在安裝過程中，再次驗證標(biāo)高，若符合要求，將鋼柱吊運至指定位置。高層建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工中，鋼柱的安裝需重點控制柱結(jié)構(gòu)垂度的精確性。本工程使用了2組經(jīng)緯儀設(shè)備，從2個方向同時對柱結(jié)構(gòu)的垂度進(jìn)行監(jiān)控，并在過程中使用千斤頂調(diào)整柱底，以確保其垂度精確。柱頂垂度的調(diào)整使用地牛進(jìn)行。在柱結(jié)構(gòu)垂度達(dá)標(biāo)后，設(shè)置臨時支架及固定繩索。對于上節(jié)鋼柱的安裝，實時關(guān)注上節(jié)柱兩側(cè)連接板的狀態(tài)，以確保上下節(jié)鋼柱之間緊密連接。使用節(jié)點板完成固定。上節(jié)柱吊運至指定位置后，首先調(diào)節(jié)臨時連接板及安裝螺栓的緊固程度是否足夠，確定標(biāo)高達(dá)標(biāo)并核對上下節(jié)鋼柱對接面的重合程度，避免出現(xiàn)位置偏差。調(diào)整上節(jié)柱中心線的位置使其接頭處達(dá)到工程精度要求，并重點觀察上節(jié)柱的垂度、標(biāo)高、扭曲度等參數(shù)，確保鋼柱位置的準(zhǔn)確性。使用高強(qiáng)度螺栓固定配合焊接的方式固定鋼柱。在確定焊接方案時，應(yīng)結(jié)合鋼柱的材料屬性、形狀、精度要求等進(jìn)行設(shè)計。適當(dāng)選取焊接順序、方式及精度指標(biāo)，并在焊接過程中隨時測量精確度，將焊接誤差控制在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文對高層建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，在實際工作中，應(yīng)重點關(guān)注鋼構(gòu)件的生產(chǎn)、定位、吊裝及節(jié)點連接等工序，并積極引進(jìn)BIM 技術(shù)、射頻識別技術(shù)，對鋼構(gòu)件吊裝過程進(jìn)行動態(tài)化監(jiān)管。確保每一鋼構(gòu)件位置精度達(dá)標(biāo)，并做好相應(yīng)的支護(hù)、保護(hù)工作。不斷積累高層建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)經(jīng)驗，促進(jìn)建筑行業(yè)健康發(fā)展。