不間斷運營條件下裝配式鋼結構在商場裝飾施工中的應用

趙俊釗 趙 斌 匙文成

1. 上海建工四建集團有限公司 上海 201103；2. 上海振宏金屬制品有限公司 上海 201712

裝配式鋼結構是指在工廠化生產鋼結構部件、在施工現場通過組裝和連接而成的鋼結構，具有工業化程度高、施工周期短、節能環保、抗震性能好、比強度高等優點，在建筑工程施工過程中被廣泛應用[1]。

2016年以來，我國陸續出臺多項文件[2-3]，明確提出：“力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%”。2017年3月，住房城鄉建設部印發的《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》中提出“大力發展裝配式建筑；積極發展鋼結構等建筑結構體系”。根據《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，上海已納入裝配式建筑發展的重點推進地區。

為響應政府大力發展鋼結構和裝配式建筑的號召，本文介紹一種能滿足項目不間斷營運需求的臨時裝配式鋼結構施工平臺體系。該鋼結構平臺體系具有結構性能好、現場無焊接、可通過性強等優點，可供類似項目借鑒。

1 工程概況

某大型商場改建項目位于上海市徐匯區核心商業區，項目改建前外景如圖1所示。項目改建區域為商業裙房部分，不包含裙房以上A、B座塔樓辦公區。改建施工內容主要包括：地下室改建工程、輔樓改建工程、新建連橋及原連橋改建工程、出入口改造工程、外立面幕墻改造工程和主樓中庭裝飾工程。

為保證改建施工時，商場不間斷運營，除地下室改建工程和輔樓改建工程外，其他4項工程均需要用到施工平臺。其中，主樓中庭裝飾工程裝飾區域（施工平臺區域）平面如圖2所示，平臺覆蓋面積約800 m2。在主樓中庭首層搭設層高4 m的施工平臺，平臺上再搭設通高腳手架，在施工平臺和通高腳手架上完成主樓中庭裝飾施工工作。

圖1 某商場改建項目外景

圖2 主樓中庭裝飾區域（施工平臺區域）平面示意

主樓中庭裝飾工程為室內工程，施工平臺除滿足基本功能以外，還需要滿足項目的特殊要求，如滿足正常營業并盡可能減小平臺對顧客購物體驗影響的要求、室內環境保護要求、現有設施設備的保護要求等。因此，需要采用更合理的施工平臺方案，以滿足項目要求。

2 方案比選

鋼結構具有工業化程度高、結構布置靈活、施工速度快、即裝即用、拆卸方便等優點，因此，施工平臺多采用鋼結構。鋼結構施工平臺結構體系多為框架或者框架-支撐結構[4-5]。

另外，為減小平臺對現有地下室結構頂板的影響，柱腳與地下室頂板的連接節點需采用鉸接節點，其連接構造如圖3所示。

圖3 平臺柱腳節點構造示意

下面將通過4個施工平臺方案的優缺點比較，選擇出適應項目要求的方案。

2.1 方案一

方案一為柱腳鉸接、梁柱栓焊剛接的框架結構方案。該方案鋼梁翼緣與鋼柱現場焊縫連接，鋼梁腹板通過高強度螺栓與鋼柱連接，其節點構造見圖4。

圖4 方案一的梁柱連接節點構造示意

2.2 方案二

方案二為柱腳鉸接、梁柱采用帶懸臂梁段的全螺栓剛接連接的框架結構方案。該方案懸臂梁段翼緣、腹板與鋼柱在工廠焊接形成整體，鋼梁與懸臂梁段之間用高強度螺栓進行現場拼接，其帶懸臂梁段的全螺栓剛接節點構造見圖5。

圖5 方案二的梁柱連接節點構造示意

2.3 方案三

方案三為柱腳鉸接、梁柱鉸接+支撐的結構方案。柱腳鉸接、梁柱鉸接為可變體系，加支撐后才能形成穩定結構，支撐多采用十字中心支撐或人字形中心支撐[6]。該方案梁柱鉸接節點為鋼梁腹板通過高強度螺栓與鋼柱相連，翼緣不連接，其節點構造見圖6。

圖6 方案三的梁柱鉸接節點構造示意

2.4 方案四

方案四為柱腳鉸接、梁柱鉸接+隅撐方案。該方案為全裝配式鋼結構施工平臺，連接構造簡單，現場無焊接。該方案鋼梁腹板通過高強度螺栓與鋼柱連接，隅撐兩端也通過高強度螺栓分別與鋼梁和鋼柱相連，其梁柱及隅撐連接節點構造見圖7。

圖7 方案四的梁柱、隅撐連接節點構造示意

2.5 方案比較

方案一節點構造簡單、施工方便，但需要現場焊接，現場焊接不僅污染商場室內環境，且可能觸發商場煙感報警系統；方案二雖沒有現場焊接，但其運輸不方便且螺栓使得施工平臺上表面不平整，對施工安全不利；方案三雖然避免了前2個方案的缺點，但其缺點是支撐使得通行受阻，對商場的購物體驗有比較大的影響；方案四采用全裝配施工，連接構造簡單，隅撐高度小，不污染商場室內環境且不影響商場內部通行。

4個鋼結構施工平臺方案的優缺點詳細比較見表1。

表1 鋼平臺方案比較

根據Maxwell準則[7]，4個鋼結構平臺方案的平面計算簡圖（一跨）的超靜定次數均為1，即4個方案均可形成穩定結構體系。通過4個方案的優缺點比較，最終選擇方案四作為中庭裝飾工程的施工平臺。

3 計算分析

為更全面地了解所選方案的結構性能，保證施工平臺的安全性，需對其進行必要的結構計算分析。框架結構是施工平臺經常采用并可用常規設計方法進行設計的結構體系[8]。因此，本節分別建立了方案一（框架結構）和方案四（梁柱鉸接+隅撐）2個簡化計算模型，通過對2個模型計算結果的比較，證明所選方案的施工平臺結構是安全、可靠的。

3.1 計算模型

2個計算模型平面尺寸5.0 m×5.0 m，高度4.0 m。平臺構件均采用熱軋型鋼，平臺柱截面均為HW250 mm× 250 mm，平臺梁截面均為HN300 mm×150 mm。方案四中的隅撐截面為100 mm×100 mm×6 mm方鋼，隅撐高度900 mm。2個計算模型軸測圖如圖8所示。

圖8 計算模型（左為方案一，右為方案四）

3.2 荷載及作用

重力荷載：除平臺自重外，平臺結構還承擔其上部腳手架及廣告牌自重和施工荷載作用。

風荷載：室內環境不考慮風荷載。

地震作用：7度（0.1g），場地類別為Ⅳ類（臨時結構一般可以不考慮地震作用，此處僅用作2個方案的結構性能比較）。

3.3 動力特性分析

動力特性分析[9]是運用有限元法對結構進行離散，建立系統特征值問題的數學模型，用近似方法求解系統的固有頻率和固有振型矢量的過程。結構動力特性在一定程度上反映結構剛度的大小，通常情況下，結構質量越大周期越長，而剛度越大周期越短[7]。

經計算，2個計算模型的前三階自振周期及相應振型如表2所示。

從表2可看出，2個計算模型前三階振型依次為x向水平振動、扭轉振動和y向水平振動。在方案四模型比方案一模型質量略大的情況下（多出隅撐質量），其各階自振周期比方案一模型相應周期要短，且方案四模型的扭轉周期比方案一模型的前三階周期都短。因此，方案四模型2個方向側向剛度均比方案一模型相應方向側向剛度大，且方案四模型扭轉剛度也變大。

3.4 整體穩定分析

研究表明：建筑結構僅在豎向重力荷載作用下產生整體失穩的可能性很小，其穩定設計主要是控制在水平荷載作用下，重力荷載產生的二階效應不致過大，以免引起結構的失穩倒塌，因此結構整體穩定性分析是建筑結構設計的基本要求。

表2 結構自振周期及振型

JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》6.1.7條第一款規定，框架結構整體穩定性應該符合公式（1）的規定：

式中：Di——第i樓層的側向剛度；

Gj——第j樓層重量荷載設計值；

hi——第i樓層層高。

結構整體穩定驗算如表3所示。

表3 整體穩定驗算

4 平臺施工

該項目裝配式鋼施工平臺主要構件包括鋼柱、鋼梁、隅撐和花紋鋼板，主要連接材料為化學錨栓、高強度螺栓和自攻螺釘。化學錨栓將鋼柱固定在地下室頂板上，高強度螺栓用于鋼柱、鋼梁和隅撐之間的連接，自攻螺釘將花紋鋼板固定在鋼梁上。

項目要求平臺的施工只能在商場停止營業后才能進行，而化學錨栓一般需要24 h的靜置時間，如果先種植化學錨栓，第2天夜間才能安裝施工平臺，地面化學錨栓會影響第2天商場正常營業。因此，該項目的化學錨栓在平臺鋼構件組裝完成后才進行種植，待化學錨栓完全固化以后再將其擰緊并安裝花紋鋼板、搭設上部腳手架，從而避免化學錨栓受到擾動。

鋼平臺主要施工步驟為：材料進場→一榀梁柱地面裝配并立于相應位置→裝配其余梁、柱構件→隅撐安裝→安裝化學錨栓→安裝花紋鋼板→鋼柱外包→結束。

裝配式鋼平臺施工過程現場照片如圖9所示。

圖9 裝配式鋼平臺施工過程

5 結語

裝配式鋼結構具有節能環保、性能優良、施工速度快等優點，應用范圍也越來越廣。本文針對某商場改建項目主樓中庭裝飾施工，提出4種鋼結構施工平臺方案，通過對4種施工平臺優缺點的詳細比較，確定了一種適應于項目環境保護等要求的全裝配式鋼結構施工平臺。為全面認識所選方案平臺結構性能、保證平臺結構安全，建立了2個簡化計算模型，對其動力特性及整體穩定性進行了分析比較。分析結果表明，所選方案結構性能比常規框架結構性能更好，經實踐亦達到了理想的效果。