三段折線式布置豎向預應力結構施工質量控制

劉建偉，張維炎，虞旭東

(浙江省建設投資集團有限公司,浙江 杭州 310013)

0 引言

近年來，隨著大型公共建筑設計形式的不斷變化，國內逐漸出現了大跨度、大柱網結構的公共建筑，在建筑工程中，由于受大偏心受壓的影響，這種大跨度框架結構的頂層邊柱抗裂性能往往不滿足相關規范要求，因此，通常需在柱中配置預應力筋以解決柱抗裂及柱內配筋過多過密問題，減少柱截面尺寸，從而實現節約空間、降低成本、縮短工期、提高工程經濟和社會效益的目的。豎向預應力框架柱結構比水平預應力框架梁的施工難度更大，對施工技術要求更嚴格，如果技術措施不當，在三段折線式布置豎向預應力結構過程中，則會出現預應力管道與箍筋、節點處梁鋼筋碰撞，預應力管道偏位，鋼絞線滑絲等嚴重的質量問題。

1 工程概況

景寧畬族自治縣山哈大劇院，占地面積9 489.76m2， 建筑面積17 349.25m2，其中地下8 223.18m2， 地上9 126.07m2；建筑規模中型，1 055座，按乙等設計；地下1層，地上4層，總建筑高度40.7m。

山哈大劇院觀眾廳平面結構分4個區域(見圖1)，以伸縮縫劃分區域。其中，觀眾廳～/③～⑤，～/～軸6根KZ9框架柱采取現澆混凝土大截面框架柱后張法有粘結豎向預應力施工，截面尺寸為1 740mm×950mm，高度為20.25m，柱內配2×11φs15.2預應力筋。框架柱預應力筋采用抗拉強度標準值1 860MPa、 公稱直徑15.2mm高強低松弛鋼絞線。預應力孔道采用φ95鍍鋅波紋管成孔，混凝土設計強度等級為C45。預應力柱布置如圖1所示，柱內預應力筋布置如圖2所示，預應力筋如圖3所示。

圖1 觀眾廳平面結構分區

圖2 柱內預應力筋布置

圖3 預應力筋示意

2 施工特點及難點分析

1)在建筑工程中，后張法預應力設計通常采用平法表示，設計方提供的圖紙上往往只有預應力筋布置圖，不足以作為施工的全部依據，專業施工單位需進行深化設計。設計時，通常也是采用平法表示，具有非常強的專業性，閱讀人員需有一定的專業知識及空間想象力，信息溝通很難對稱，造成雙方理解不一致，給施工造成一定困難。

2)豎向預應力框架柱結構比水平預應力框架梁施工難度更大，預應力柱施工時需搭設豎向操作架，無充足的操作空間，對預應力柱施工提出更高的施工要求及安全要求。

3)預應力框架柱屬于豎向結構，且預應力筋采用三段折線式布置，預應力管道測量定位難度大。

4)預應力筋采用三段折線式布置，需測設較多控制點，測量定位工作量大。

5)預應力筋豎向、水平向偏差直接影響其受力情況，故施工測量中豎向投測和水平測點精度要求高。

6)鋼絞線和金屬波紋管均為柔性材料，施工時波紋管和鋼絞線束不易固定。

7)豎向預應力管道采用綁扎固定時，易受混凝土沖擊引起位置偏移；采用焊接固定時，易造成箍筋及管道因焊接受損從而影響預應力框架柱施工質量，且當管道位置需調整時，管道固定筋調整不靈活。

8)框架柱豎向預應力筋束長達23.25m，從1層至屋面穿過4個樓層。預應力框架柱高達20.25m，鋼筋無法一次性綁扎到位，而預應力筋需一次性下料到位，預應力框架柱施工分6次綁扎、6次澆筑。因此，框架柱預應力筋安裝是本工程的施工難點。

3 控制措施

3.1 通過BIM技術深化預應力圖紙

3.1.1BIM技術優勢

基于BIM技術的圖紙深化設計(方案1)與傳統CAD圖紙的深化設計(方案2)均能完成預應力框架柱圖紙深化，但兩者存在本質區別(見表1)。

表1 2種方案對比

由表1可知，方案1相較于方案2有諸多優勢。

3.1.2基于BIM技術的深化設計流程(見圖4)

圖4 基于BIM技術的深化設計流程

1)首先創建項目構造樣板文件，根據CAD二維圖紙創建BIM模型，將預應力框架梁柱鋼筋、預應力管道繪制于Revit軟件中，并在各圖元中進行參數設置。參數設置需準確，符合圖紙要求。

2)模型搭建完成后，進行碰撞檢查，如無碰撞沖突，軟件便會給出“未檢測到沖突”提示。如有碰撞沖突，軟件會列出相互之間產生沖突的所有圖元，生成沖突報告。在沖突報告中選擇任意1條沖突信息，軟件會自動定位至發生碰撞的對象位置，并使碰撞對象高亮顯示。設計人員可直接在視圖中修改圖元解決選中的沖突，將生成的HTML版本報告導出保存，解決完所有碰撞問題后，刷新沖突報告將不會顯示已解決的沖突。

3)模型碰撞檢測時，主要碰撞內容為局部預應力管道與箍筋碰撞沖突，頂層預應力梁管道與預應力框架柱縱向主筋碰撞沖突，預應力框架柱頂部鋼筋密集，管道無法穿過。

4)根據沖突報告，技術人員與施工圖設計人員溝通確定最終方案。

預應力管道與箍筋碰撞沖突處，采用設置異形箍筋或拉鉤方式避開管道(見圖5)。

圖5 預應力管道與箍筋碰撞沖突解決方案

梁柱節點處鋼筋密集與管道沖突：①梁頂縱筋伸至柱邊后應向上彎折，這是為了避免與預應力錨具和局部承壓鋼筋網片發生沖突。②改變鋼筋排布方式 當鋼筋根數過多，排布1層或2層鋼筋無法滿足最小鋼筋間距的要求時，可通過增加鋼筋排布層數、調整配筋率來達到增大同層鋼筋間距的目的。③改變鋼筋錨固方案 通常鋼筋為直錨或彎錨，框架柱兩側框架梁底筋同時向框架柱錨固，造成鋼筋密集。更改為機械錨固可減少梁柱節點內鋼筋長度(見圖6)。可采取的措施包括一側貼焊錨筋、兩側貼焊錨筋、末端與鋼板穿孔塞焊、帶螺栓錨頭。④改變鋼筋放樣方案 通常做法為框架柱兩側梁底筋截斷后同時向框架柱錨固，現通過合理配置鋼筋原材長度和優化鋼筋放樣方案，使框架柱兩側梁底筋在框架柱處不截斷而連續通過。

圖6 梁柱節點處鋼筋密集與管道沖突解決方案

預應力框架柱頂部鋼筋密集，管道無法穿過：框架柱宜伸出屋面與女兒墻同高，便于梁頂縱筋和柱縱筋錨固及預應力框架柱管道穿過。

5)根據方案調整BIM模型，修改施工圖紙，直至解決完所有碰撞問題后，刷新沖突報告將不再顯示已解決的沖突為止，完成圖紙深化。

3.1.3基于BIM技術的材料管理

材料用量統計是Autodesk Revit軟件相較于其他BIM建模設計軟件的一個優勢。通過BIM模型，能精確顯示出預應力框架柱所需材料數量、規格，根據生成的材料用量明細表，可為后期施工過程中控制材料用量提供指導依據，可在預應力框架柱施工過程中幫助施工人員實現耗材和成本的實時監控。

3.1.4基于BIM技術的技術交底

施工前三維技術交底，以三維模型代替傳統二維圖紙，并根據現場情況進行施工模擬，可顯示箍筋、鋼筋拉鉤施工部位，預應力框架梁柱縱向受力鋼筋排布，預應力筋布置位置。因此， 工人可更加直觀地接受交底內容，提高工作效率。

3.2 豎向預應力管道測量定位、固定措施

3.2.1預應力筋測量定位

在分段預應力框架柱柱腳、柱中、柱頂部位設置縱向受力鋼筋可拆卸定位鋼筋，固定柱縱向受力鋼筋。根據柱邊線，利用自制可移動測量裝置(見圖7)，測量調節框架柱定位鋼筋，使預應力框架柱縱向受力鋼筋豎直不偏移。綁扎柱箍筋，綁扎完畢后，拆除定位鋼筋并回收利用。在箍筋外側使用記號筆大致畫出預應力管道位置，預應力管道根據所畫位置避開柱內箍筋進行初步固定。按深化后預應力筋布置圖，利用自制可滑移測量裝置、鋼卷尺、塔尺精確測量定位預應力管道位置。鋼筋定位剖面如圖8所示。

圖7 自制可滑移測量裝置

圖8 預應力柱縱向受力鋼筋定位剖面

使用自制可滑移測量裝置測量時，無須手持，可與柱縱向鋼筋固定，線錘沿方管平行于柱邊滑移，可提高測量效率。

3.2.2預應力管道固定

傳統預應力管道主要采用加固鋼筋與柱箍筋或主筋焊接成井字形加輔助扎絲綁扎固定。其缺點為：加固鋼筋與柱箍筋或主筋焊接時，如操作不當易因焊接破壞箍筋、主筋或預應力管道。管道固定后調節困難。

本工程預應力管道采用自制固定裝置固定(見圖9)，固定裝置由U形管卡、可調可移動固定桿件、橫向緊固鋼筋主桿件組成。其優點為：主桿件利用絲杠進行伸縮(花籃螺栓原理)緊固，固定桿件采用螺栓固定，無須綁扎焊接。固定波紋管構件可左右、前后調節，便于波紋管位置調節固定(管道固定后可調節)。此波紋管固定裝置固定牢固，預應力管道不易偏位。

圖9 預應力管道固定

3.3 預應力筋施工質量保證措施

根據實際情況，采用先穿筋和后穿筋2種不同施工方案(原設計采用先穿筋施工方案)。

3.3.1先穿筋施工優缺點分析

先穿筋施工即在框架柱混凝土澆筑前將預應力筋穿入預埋波紋管的方法，優點為不影響結構總體施工工期，缺點如下。

1)澆筑預應力框架柱混凝土時，預應力筋束需預先埋設，甩出的預應力筋太長，施工期間固定預應力筋困難。

2)需搭設專用腳手架堆放卷起的外露鋼絞線，且外露鋼絞線防銹保護困難。

3)不利于框架柱腳手架搭設、鋼筋綁扎、模板封閉及混凝土澆筑。

4)預應力筋穿筋困難，穿筋時需多人配合。

5)柱箍筋無法一次性綁扎到位，穿預應力筋時易造成預應力管道偏位。

3.3.2后穿筋施工優缺點分析

預應力后穿筋施工底部固定端(張拉端)有2種設置方式(見圖10)：在框架柱的側面設置矩形槽口、在框架柱側面加腋。因側面設置矩形槽口對預應力框架柱受力有影響，最后采用后穿筋加腋方案。

圖10 預應力后穿筋施工底部固定端2種設置方式

后穿筋施工即在框架柱內先預埋鍍鋅波紋管，待混凝土澆筑至柱頂且達到一定強度后再穿入鋼絞線的方法。后穿筋施工優點如下。

1)施工方便、不影響結構施工工期。

2)有利于框架柱腳手架搭設、鋼筋綁扎、模板封閉及混凝土澆筑。

3)穿入孔道內鋼絞線不易銹蝕，有利于工程質量。

其缺點為：下部張拉端需變角張拉，增加摩擦損失和施工成本。

通過對比可知，先穿筋方案施工難度大，且不利于預應力筋保護、柱箍筋綁扎，易造成預應力管道偏差。根據現場第1區塊預應力框架柱實際施工情況，為便于施工且在不影響施工質量及室內裝修效果的前提下，與設計院溝通后，第4區塊改為后穿筋施工方案，極大地提高了施工效率及施工質量。

4 采用QC小組活動提高施工質量

4.1 選擇課題

預應力工程施工專業性強，有粘結豎向預應力若出現質量問題，后期補救困難且成本高，同時本工程具有橫向及豎向預應力，大大加大了豎向預應力施工難度。柱預應力筋采用折線式布置且柱預應力筋施工高度高(約19m)，需分段施工，施工難度大。

4.2 現狀調查

為提高豎向預應力構件施工一次合格率，通過對類似工程質量現狀的調查，總計調查 290 個點，發現問題點 60個，一次合格率為 79.31%，問題匯總如表2所示。

表2 豎向預應力質量問題調查

4.3 設定目標

由調查結果可知，影響豎向預應力構件施工一次合格率為 79.31%，其中鋼絞線滑絲和預應力孔道曲線偏差兩項占質量問題總數的 63.33%，若能在活動中找到有效方法，解決鋼絞線滑絲及預應力孔道曲線偏差問題，則合格率將提升至92.41%，考慮到具體實施過程中的不可控因素，本次 QC小組活動目標確定為：控制影響豎向預應力構件的主要因素，確保豎向預應力構件施工質量，將預應力豎向構件質量一次合格率由 79.31%提升至 87.00%以上。

4.4 原因分析

QC 小組成員從人、機、料、法、環5個方面對鋼絞線滑絲和預應力孔道曲線偏差值超標問題進行全面分析和研究，并進行匯總處理。通過分析原因得出8個末端因素，如表3所示。

表3 末端因素

4.5 確定要因

對各自負責的末端因素進行分析確認，確定5個末端因素為要因：①孔道定位筋數量不足；②預應力施工隊伍水平層次不齊，其他相關班組對預應力工程不了解；③設備未按時維保；④預應力施工圖紙未合理進行優化；⑤梁柱節點施工碰撞。

4.6 制定對策

根據要因確認情況，制定對策如表4所示。

表4 制定對策

4.7 效果檢查

豎向預應力張拉完成后，對大劇院的豎向預應力構件施工質量進行檢查，共檢查120個點，檢查效果統計如表5所示。活動后豎向預應力構件施工合格率為：1-(12/120)=90.00%，目標達成。

表5 豎向預應力工程質量問題調查

5 結語

根據三段折線式布置豎向預應力框架柱特點與施工難點進行深入分析，并結合工程實際施工進行驗證總結。并在施工過程中通過QC小組活動、BIM技術應用、自制小發明工具使用、調整施工方案、優化施工工序等措施加快了預應力框架柱施工進度，提高了施工質量，降低了施工難度，為三段折線式布置豎向預應力框架柱施工和管理積累了成功經驗。