球形節點安裝架在鋼結構施工中的應用

王梟萌 侯慶達 侯仰清 孔 強 許寶輝

中建八局第二建設有限公司 山東 濟南 250022

鋼結構施工中難免會遇到球形節點的安裝，現有的有關鋼結構球形節點的文獻，多數在研究球形節點連接承載力及剛度，或在論述球形節點網架的整體安裝方式，關于單獨的球形節點安裝研究的案例幾乎沒有，所以在遇到鋼結構單元空間跨度大造成球形節點安裝難度大的問題時，基本找不到可借鑒的經驗。為此，對實際項目中球形節點的安裝工藝進行了總結，以期為其他項目提供參考。

1 工程概況

安徽省美術館項目總建筑面積約50 000 m2，其中，地上建筑5層，建筑面積約36 326 m2，地下建筑1層，建筑面積約13 674 m2，主體建筑高度24 m。建筑主體外圍四周為網架鋼結構，頂部橫梁標高為+35.225 m，下方貫通橫梁標高為+19.025 m，鋼柱間距為8.4 m。

本項目球形節點位置如圖1所示，每個φ500 mm的球形節點由8根φ152 mm×6 mm的圓管相貫，整個節點下部標高為+19.025 m，上部標高為+35.225 m，整個高度為16.2 m。

圖1 節點框架及尺寸示意

2 施工特點及難點分析

本建筑東南西北各立面外圍鋼結構上部空間均設有若干球形節點以及與之相接的8根鋼圓管，鋼結構東南西北各立面的球形節點所處高度一致，球形節點與鋼柱的橫向間距也一致，主要施工難點如下：

1）建筑外圍鋼結構球形節點在北立面設有7個、南立面設有10個、東立面設有8個、西立面設有7個，總數達32個，整體數量較多且分布在建筑四周，需逐一進行安裝。

2）建筑外圍鋼結構總高度達到35 m，從豎向分析得出，球形節點接近鋼結構頂部位置且高度較高，所以球形節點安裝屬于高空作業。建筑外圍鋼結構鋼柱橫向間距為8.4 m，從橫向分析得出，球形節點位于外圍鋼結構鋼柱橫向間距中點，其安裝也要面臨鋼結構跨度較大的難題。

針對球形節點安裝難點，項目人員首先想到的方案是用曲臂式升降機來進行高空焊接，但是一般的曲臂式升降機無法達到此高度，且受到場地的限制，所以不適合本工程的球形節點安裝。如用搭設架體的方式進行安裝，則需耗費大量成本，所以也不適合本項目的球形節點安裝。

3 主要施工技術

根據球形節點安裝的特點及難點，結合現場實際情況，設計了主要由鋼構件焊接而成的安裝架。球形節點安裝架的設計巧妙地解決了上述難點，經濟實用且安全便捷。因此，最終選用安裝架進行球形節點安裝工作[1-4]。

3.1 球形節點安裝架設計與制作

3.1.1 球形節點安裝架設計

在形成一定構思的基礎上，通過繪制球形節點安裝架草圖來確立設計構思及安裝架所需材料，進而在AutoCAD軟件中繪制安裝架各平、立面圖，并標注尺寸和材質材料。安裝架的立體形態展現需要計算機建模軟件來配合實現。BIM模型具有可視化、參數化等特點。為確保安裝架設計的合理性及實用性，故選用BIM建模軟件來優化安裝架的立體形態、各構件尺寸與間距等實際問題。BIM建模要點步驟為：首先將球形節點單元框架按照平、立面圖所示尺寸建立成形，進而在此基礎上進行安裝架的模型建立；安裝架模型的建立同樣參照平、立面圖所示尺寸以及材質材料，在建模過程中需重點關注安裝架下平臺可拆卸桿件與節點下部圓管的位置及間距（圖2）。最后從軟件中提取安裝架優化后的各部位尺寸及材質參數信息。

圖2 球形節點安裝架

3.1.2 球形節點安裝架制作

1）整體材料和連接方式：安裝架整體所需材料有14#工字鋼、10#工字鋼、4#角鋼、M12螺栓、φ12 mm鍍鋅鋼絲繩。上部向外延長的2根橫梁鋼材為14#工字鋼，整體框架輪廓為10#工字鋼，桁架內部支撐和下平臺為4#角鋼。安裝架主要連接方式為焊接和螺栓2種。

2）主體支撐框架焊接：安裝架整體形狀呈矩形，除下平臺外，主體支撐框架采用焊接方式連接。2根14#工字鋼各長5.9 m，平行設在安裝架頂部，是安裝架懸吊于鋼結構網架的主要受力結構，14#工字鋼下部距離端點50 cm處各焊接一小塊鐵板以起到吊裝定位及固定作用。2根14#工字鋼分別與2根垂直的長4 m的10#工字鋼以螺栓連接，隨后在10#工字鋼的中點橫向焊接長3 m的10#工字鋼，使得豎向4根10#工字鋼整體性增強。最后在上半部分增加焊接4#角鋼，構成桁架結構，使得安裝架整體更加穩定牢固。

3）下平臺安裝：可拆卸下平臺是該球形節點安裝架的亮點及重點，是根據施工實際情況需要而設計的。下平臺外部輪廓選用10#工字鋼，與主體垂直。4根10#工字鋼焊接，長邊為3 m，短邊為2 m。長邊的2根10#工字鋼在距離兩邊端點0.3 m處采用螺栓連接，具有可拆卸的特點?？刹鹦兜?根10#工字鋼長度為2.4 m，與5根等間距的4#角鋼垂直連接，構成安裝架可拆卸下平臺（圖3）。在球形節點施工前，將下平臺與安裝架主體框架連接；在球形節點施工完成后，將下平臺拆除即可移走。

圖3 安裝架下平臺示意

4）生命線布置：安裝架焊接完成后，最后在距離下平臺50、100 cm處用φ12 mm鍍鋅鋼絲繩各拉結一條生命線，可防止施工人員墜落，起到防護作用。

3.2 安裝架受力計算

3.2.1 計算條件

安裝架桿件用梁單元模擬，安裝架上部與結構梁連接處采用鉸接約束模擬，平臺可拆卸部分采用鉸接連接，其余采用剛接連接。荷載取值：自重由程序自動計算，考慮1.2倍自重系數，活載按操作平臺上取3 kN/m2施工荷載，掛球形節點位置取3 kN節點荷載。荷載組合：承載能力極限狀態取1.2倍自重+1.4倍活載，正常使用極限狀態取1倍自重+1倍活載。

3.2.2 計算結果

1）變形情況。計算得出安裝架在正常使用極限狀態作用下x、y、z向最大位移為11.099 mm，滿足施工要求。

2）應力情況。根據計算結果可知，構件最大應力比為0.803，出現在立桿位置，大部分桿件應力比都小于0.5，滿足規范要求，說明該支撐結構是安全的。

經過變形、應力計算，證明安裝架完全可承載自身架體、施工人員、設備及施工活動等荷載，可用于本項目的實際施工操作。

3.3 安裝架運用操作流程

3.3.1 安裝球形節點下部4根支撐圓管

下部4根支撐圓管需要塔吊及施工人員配合安裝，用塔吊將圓管吊至合適高度，由施工人員對圓管根部進行固定。圓管根部采用鉸接連接方式，具有可活動性，故每根圓管根部連接完成后需在離根部不遠處以臨時焊接的方式固定圓管的位置。下部4根圓管逐一安裝完成，并使4根圓管的上部端點聚集于球形節點安裝位置（圖4）。

3.3.2 將球形節點安裝架放置于施工位置

首先確保安裝架主體與下平臺連接完整，其次將安裝架下平臺中間一根螺栓連接的4#角鋼預先拆除，以保證在施工位置放置安裝架時，圓管端點能夠穿入安裝架。隨后采用塔吊將安裝架懸掛于鋼結構框架橫梁處，并調節其位置，使得安裝架結構橫梁14#工字鋼下方兩側小擋板位于2根鋼結構框架橫梁內側，同時使4根圓管端點順利穿過安裝架下部平臺的中央，即可使施工人員在安裝架下平臺上進行操作（圖5）。

圖4 下部圓管安裝

圖5 安裝架吊裝

3.3.3 球形節點與下部4根圓管的焊接

出于安全考慮，施工人員應先將預先拆除的下平臺中的4#角鋼用螺栓連接好，再進行球形節點的焊接。施工人員操作時可在安裝架下平臺上圍繞球形節點360°移動，使焊接工作更加容易，從而確保球形節點與下部4根圓管全部焊接牢固（圖6）。

3.3.4 安裝球形節點上部4根圓管

上部4根圓管亦需要塔吊與施工人員配合安裝。首先將圓管上部端點鉸接位置連接完成，進而施工人員站于下平臺上對下部端點與球形節點進行焊接。4根圓管采用同樣的方式進行安裝連接。全部安裝完成后則表示該節點全部安裝完成，即可進行下一節點安裝（圖7）。

圖6 現場焊接操作

圖7 上部圓管安裝

3.3.5 將球形節點安裝架移至下一節點

首先需要將安裝架下平臺中由螺栓連接的構件拆除，并用塔吊移走下平臺。只有當安裝架下部無任何阻攔時，才可用塔吊將安裝架移走，至此，單個球形節點安裝完成，接著進入下一節點安裝工作，按照本操作流程重復即可。本建筑外圍32個球形節點采用同樣的操作流程完成安裝，符合設計圖紙要求。

3.4 安裝架運用優勢分析

3.4.1 節約工程成本

安裝架自身所用材料均為項目場地內常見鋼材，材料用量少，所占成本不到1 000元。安裝架運用于本項目只需最少的成本即可解決鋼結構球形節點安裝的難題，為項目極大地節約了成本。

3.4.2 靈活性高

安裝架因自身構件少、質量相對較輕、體積小，所以移動較為方便。結合本工程球形節點安裝特點，設計出可拆卸的下平臺，使得安裝架在實際運用中能適應球形節點安裝前和安裝后的移動問題，因此靈活性高。

3.4.3 可循環利用

本安裝架不僅靈活性高，而且可循環利用。本項目球形節點需要用同樣的安裝方式進行逐個焊接安裝，所以全部球形節點的安裝過程也是安裝架重復利用的過程。安裝架自身堅固耐用，若本項目其他地方適用該安裝架，則也可進行利用，從而實現了安裝架價值的最大化。

3.4.4 安全性較高

安裝架具有穩固的下平臺，施工人員在下平臺上移動方便，下平臺上方后拉2條生命線，可防止施工人員不慎墜落，且安裝架在懸吊狀態下不易晃動，較穩定。以上因素結合，共同為施工人員提供了一個安全的高空作業平臺。

4 結語

在安徽省美術館鋼結構球形節點施工過程中，安裝架的設計制作和使用，很好地解決了該項目高空大跨度焊接難題。球形節點安裝架制作工藝簡單、成本低廉、材料易得、適用性強，且具有可移動性和循環利用性，充分體現了經濟、環保、降耗、靈活等特點，在高空操作平臺的設計與制作方面是一個較大的創新。在未來，當其他鋼結構工程遇到類似大跨度球形節點安裝難題，或者其他工程需要操作平臺來解決施工難題時，可在此球形節點安裝架的基礎上進行優化設計，以此來尋找更好的解決辦法。