超長(zhǎng)鋼木混合榫卯檐廊施工技術(shù)

劉 智，武雄飛，柳之光，王麗霞，羅熙順

(中國(guó)建筑第三工程局有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

中國(guó)古代西漢時(shí)期，已基本形成使用榫卯連接梁柱的框架體系，在唐代得到成熟運(yùn)用，五臺(tái)山佛光寺是現(xiàn)今可考究的世界上最早的全榫卯木結(jié)構(gòu)建筑。傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)需使用復(fù)雜的建造技術(shù)加強(qiáng)每個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，以保證滿足受力要求，且木結(jié)構(gòu)體系受力理論存在一定局限性，導(dǎo)致古法木結(jié)構(gòu)在建筑樣式創(chuàng)新上存在困難，不再完全適用于復(fù)雜多變的建筑環(huán)境。因此，需尋求新技術(shù)，以再現(xiàn)木結(jié)構(gòu)建筑獨(dú)有的質(zhì)感、美感及文化氣息，在傳承祖先智慧的同時(shí)不斷推陳出新。

1 工程概況

天府國(guó)際會(huì)議中心項(xiàng)目位于四川省成都市天府新區(qū)，緊鄰中國(guó)國(guó)際西部博覽城。天府國(guó)際會(huì)議中心前廳檐廊為膠合木全榫卯鋼木混合結(jié)構(gòu)，是利用鋼材與膠合木組合受力的新型結(jié)構(gòu)形式，可在保證體系良好受力性能的基礎(chǔ)上，極大減少木材的使用，有效控制建造成本，加快施工速度。

整個(gè)前廳平面尺寸為411.5m×16m，高24.78m，屋頂采用膠合木榫卯結(jié)構(gòu)吊頂，膠合木總體量達(dá)3 600m3，其中橫梁1 700m3，膠合木縱梁1 200m3， 其余桿件700m3，成型效果如圖1所示。

圖1 膠合木成型效果

前廳跨度大，膠合木木椽條安裝高度大，施工工作量較大，難度大，存在巨大的安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較差。經(jīng)過(guò)考慮，采用工廠定制+屋面分段吊裝+高空拼裝固定的方法完成屋面膠合木的施工，極大地降低了施工難度，且對(duì)控制其他因素具有重要作用。

2 施工總體思路

屋面木結(jié)構(gòu)采用分段吊裝+高空拼裝固定的方法進(jìn)行安裝，配置2臺(tái)80t和8臺(tái)25，35t汽車式起重機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)和吊裝材料，高空拼裝時(shí)利用汽車式起重機(jī)將施工所需的木構(gòu)件吊至指定部位，逐層拼裝，施工完畢后卸載，進(jìn)行下步工序的施工。

首先，確定屋面吊頂各施工區(qū)段及各相同標(biāo)段(除起拱標(biāo)段，其余標(biāo)段柱間距均為9m)的構(gòu)件分段圖，制定相應(yīng)的施工方案，使用CADWork軟件進(jìn)行建模計(jì)算，便于提前暴露各節(jié)點(diǎn)矛盾，及時(shí)修改并運(yùn)用CLT(交錯(cuò)層壓木材)工藝進(jìn)行工廠加工，為后期快速安裝和一次成型提供保障。

在前者基礎(chǔ)上，確定具體施工順序：鋼結(jié)構(gòu)施工→固定鋼連接件(見(jiàn)圖2)→固定首層膠合木橫梁→固定首層膠合木斗(見(jiàn)圖3，圖中節(jié)點(diǎn)適用于所有連接在鋼梁上的木斗)→固定首層膠合木縱梁與2層膠合木斗、橫梁→固定膠合木豎桿在膠合木縱橫梁交接處→固定上下層膠合木縱橫梁與膠合木豎桿→膠合木積木式搭設(shè)→頂層膠合木縱橫梁搭設(shè)(見(jiàn)圖4)。

圖2 鋼連接件固定

圖3 首層膠合木斗的固定

圖4 頂層膠合木縱橫梁連接

3 施工難點(diǎn)及解決措施

3.1 超長(zhǎng)檐廊榫卯結(jié)構(gòu)施工方案設(shè)計(jì)

根據(jù)檐廊下方鋼結(jié)構(gòu)支撐體系特點(diǎn)，以間距9m 的相鄰2根鋼柱作為單元體進(jìn)行屋面膠合木設(shè)計(jì)(鋼架起拱處屋面膠合木吊頂單獨(dú)設(shè)計(jì))，單元體內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)作為膠合木吊頂?shù)闹饕芰U件，通過(guò)主鋼梁和鋼檁條、鋼柱間抬梁形成體系共同承受重力(見(jiàn)圖5)，同時(shí)膠合木各構(gòu)件分擔(dān)受力，使每個(gè)單元的膠合木與鋼結(jié)構(gòu)形成一個(gè)良好的循環(huán)受力體系。在對(duì)圖紙深化的基礎(chǔ)上將整個(gè)檐廊劃分為多個(gè)跨度為9m的標(biāo)準(zhǔn)單元體進(jìn)行施工，為后續(xù)施工分區(qū)和起重設(shè)備分階段施工提供便利，為項(xiàng)目施工組織及順利履約提供保障。

圖5 鋼柱抬梁支撐體系

3.2 膠合木高質(zhì)量、高耐久性設(shè)計(jì)制造

傳統(tǒng)木材受空氣中溫度和濕度的影響，會(huì)逐漸開(kāi)裂、變形，外觀也會(huì)受到較大影響，在使用過(guò)程中需經(jīng)常進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。因此，本項(xiàng)目采用膠合木，該復(fù)合材料穩(wěn)定性高、美觀、可降解，常用來(lái)制作大跨度彎曲梁，符合本項(xiàng)目對(duì)木材性能的要求。同時(shí)，在原基礎(chǔ)上對(duì)前廳檐廊膠合木提出更高要求，進(jìn)一步采用CLT工藝對(duì)膠合木進(jìn)行加工制造。該工藝主要采用木方疊放膠合成實(shí)木板材，將橫紋和豎紋交錯(cuò)排布的木材膠合在一起，以增加強(qiáng)度和耐火性，滿足本項(xiàng)目所需的高強(qiáng)度，如圖6所示。研究表明，采用挪威云杉生產(chǎn)的5層試件橫紋承壓性能十分優(yōu)異，橫紋承受極限荷載Fc，90達(dá)3MPa，彈性模量Ec，90為400MPa，由于CLT構(gòu)件的相鄰層相互支撐，F(xiàn)c，90和Ec，90比一般膠合木橫紋分別高出30%，70%。查閱相關(guān)規(guī)范BS EN 1995—1—2：2004《歐洲規(guī)范5：木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——第1-2部分：概述——結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)》表明，膠合木的碳化速度相比同尺寸普通木材降低10%，具有更加優(yōu)異的耐火性能，可有效控制后期受溫度影響而產(chǎn)生的開(kāi)裂。所有木材由資質(zhì)良好的工廠進(jìn)行統(tǒng)一生產(chǎn)線定做，保證膠合木的高質(zhì)量加工。

圖6 橫豎紋交錯(cuò)排布

3.3 膠合木準(zhǔn)確定位安裝設(shè)計(jì)

本工程膠合木方量大、種類多，安裝時(shí)若采用傳統(tǒng)的放線定位會(huì)造成大量的累計(jì)誤差，同時(shí)由于工廠統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)膠合木，對(duì)安裝固定時(shí)的精度控制要求高。

安裝膠合木時(shí)，提前將連接板安裝在鋼結(jié)構(gòu)上，以消化膠合木的安裝誤差，對(duì)連接板進(jìn)行起拱，以抵抗膠合木結(jié)構(gòu)自重導(dǎo)致的鋼材變形，同時(shí)對(duì)連接板的孔位進(jìn)行空間定位，將幾厘米實(shí)際誤差消除在±5mm內(nèi)，滿足木結(jié)構(gòu)組裝的精度要求。

成立QC小組，對(duì)木結(jié)構(gòu)曲屋面成型質(zhì)量進(jìn)行檢查和統(tǒng)計(jì)，對(duì)相應(yīng)的問(wèn)題進(jìn)行研究，并制訂整改方案，以確保木結(jié)構(gòu)曲屋面的成型質(zhì)量。

3.4 鋼木混合建造工藝

本結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，鑒于傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及木材使用量巨大的現(xiàn)狀，對(duì)榫卯相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行借鑒，并采用鋼木混合進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保留結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)樣式的同時(shí)極大減少木材的消耗，對(duì)項(xiàng)目降本增效及環(huán)境保護(hù)起到重要作用。

鋼木混合主要是在膠合木結(jié)構(gòu)相交部位，使用一定尺寸的螺桿通過(guò)膠合木留設(shè)的孔洞進(jìn)行螺栓連接，組合膠合木構(gòu)件(見(jiàn)圖7)。

圖7 鋼木混合結(jié)構(gòu)透視

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合本工程實(shí)際特點(diǎn)，提出工廠定制、鋼木混合、高空拼裝的施工方法，成功實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)鋼木混合榫卯檐廊的木結(jié)構(gòu)施工建造。

1)構(gòu)件深化，確保質(zhì)量 對(duì)木結(jié)構(gòu)各構(gòu)件進(jìn)行深化，確保屋頂木結(jié)構(gòu)的安全，同時(shí)兼顧工廠生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工要求，為保證工廠制作、現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量創(chuàng)造條件。

2)工廠制作，綠色環(huán)保 所有膠合木構(gòu)件在工廠加工深化完成后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，避免噪聲污染，同時(shí)通過(guò)工廠預(yù)定生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)拼裝建造，大幅度提高施工進(jìn)度，有效確保工期履約。

3)軟件建模，提前把控 采用CADWork軟件對(duì)檐廊屋頂?shù)姆鹿拍窘Y(jié)構(gòu)吊頂進(jìn)行建模，提前深化部分重要節(jié)點(diǎn)，確保各節(jié)點(diǎn)的高精度施工。

4)連接板提前定位，提高精度 采用連接板定位安裝方式消化鋼結(jié)構(gòu)的安裝誤差，對(duì)連接板孔位進(jìn)行空間定位，將幾公分實(shí)際誤差消除在±5mm內(nèi)，滿足木結(jié)構(gòu)組裝的精度要求。

5)CLT工藝加工，保障質(zhì)量 本工程膠合木材料首次采用國(guó)際先進(jìn)的小型CLT加工工藝，保證包板穩(wěn)定性，最大程度解決裝飾包板材料較薄、后期易變形開(kāi)裂的問(wèn)題。