高空大跨鋼結構連廊深化設計與整體提升技術研究

張連冰

(中鐵建大灣區建設有限公司 廣東廣州 511455)

1 引言

隨著經濟的不斷發展，科技水平不斷提高，人們對建筑物的要求不斷升級，逐步變得多元化。新型建筑不僅要滿足人們物質生活的需要，更要滿足人們精神生活的需要，同時也要能夠體現國家綜合實力的發展水平。而大跨度鋼結構建筑在造型新穎、功能強大、施工便捷等方面表現出了明顯的優勢與強大的生命力。同時，BIM技術等三維建模技術、模擬檢測技術的發展也助推了復雜鋼結構的精細設計、精益建造、標準化管理的發展[1]。而在當前建筑市場上，對高空大跨度鋼結構連廊的深化設計與施工技術研究較為有限，本文針對場地嚴重受限條件下的大型鋼結構施工做了深入分析，具有較強的代表性與借鑒意義。

2 工程概況及重難點分析

2.1 工程概況

清華珠三角研究院粵港澳大灣區創新基地項目(以下簡稱該項目)位于廣東省廣州市中新廣州知識城，總建筑面積139 555.6 m2。建筑主體為一棟139.75 m高的超高層塔樓及55.45 m高的高層塔樓，兩棟塔樓在10～13層由一個3層的空中客廳串聯(見圖1)。3層地下室，平時為車庫及設備用房，戰時地下3層局部設核6級、常6級人防。本工程鋼結構主要包括3部分:北塔樓加強層桁架(H型鋼骨柱、梁、斜撐)、南塔樓加強層桁架(H型鋼骨柱、梁、斜撐)和南北塔樓之間(10～13層)連廊，總用鋼量約3 000 t。各部分具體概況如下:

圖1 BIM模型

(1)北塔樓(地下3層，地上32層)，結構總高145.6 m。鋼結構主要集中在混凝土外框柱里的10根H型鋼骨柱(-1～12層)、10～13層加強層桁架(H型鋼骨柱、梁、斜撐)等。

(2)南塔樓(地下3層，地上13層)，結構總高55.45 m。鋼結構主要集中在混凝土外框柱里的14根H型鋼骨柱(9～12層)、10～13層加強層桁架(H型鋼骨柱、梁、斜撐)。

(3)連廊位于南、北塔樓之間10～13層，跨度41.5 m，寬42 m，結構標高為41.950～55.450 m。

2.2 重難點分析

2.2.1 深化設計重難點分析

深化設計是整個鋼結構工程生產、安裝的關鍵前置環節。通過深化設計，優化節點的結構和相關節點，使其在加工制備中的合理性更高，進而提升加工效率和精度；選擇使用工業標準的加工圖紙，對節點和相關桿件區分類別編號，采取流水線式的加工，提升加工效率；對構件在制作、運輸和安裝過程中所需的構造措施節點的受力進行驗算，確保節點滿足設計要求，確保構件在制作、運輸和安裝過程中的安全，并繪制安裝節點圖[2]。

(1)該項目的鋼結構部分包括箱形鋼梁、圓管鋼柱、箱形鋼柱和箱形桁架等，構件體量大，種類較多，形式多樣。這就造成圖紙深化任務較重，出圖量大，圖紙管理難度較大。

(2)構件連接節點包括梁柱連接節點、梁梁連接節點、桁架節點、預埋件節點等，數量眾多，節點形式較復雜多變。本工程深化設計量較大，工期緊，如何保證出圖進度以滿足構件加工的需要也是一個重點內容。

(3)本工程各專業相互交叉。詳圖設計人員需仔細研讀建筑、結構、機電設備等專業的設計圖紙，讀懂、吃透施工圖的意圖，避免各專業設計內容沖突也是本工程重點亦是難點。

(4)受到運輸條件和吊裝設備起重能力的限制，大批大型構件需要進行分段處理，分段點選擇的合理性、經濟性及大型構件工廠預拼和現場組裝胎架的設計是本工程深化設計的又一重難點[3]。

2.2.2 安裝、提升重難點分析

(1)鋼連廊安裝施工的難度大。鋼連廊跨度達42 m，寬度達41.5 m，高度達41.95 m，重量達2 400 t，若采用分件高空散裝，不但高空組裝、焊接工作量大，同時高空組拼胎架在實際搭設過程中具有較大難度，有一定的安全隱患。施工過程的高難度，對于鋼結構的安裝和施工期限的掌握都帶來了一定的不確定性因素。

(2)鋼結構施工測量與監測要求嚴格。為了保證施工的安全性，鋼結構在焊前和焊后、吊裝及卸載時均需要嚴格進行跟蹤測量校正，防止節點處產生局部屈曲，與此同時必須跟蹤監測。

(3)鋼結構吊裝及安裝、鋼結構與土建配合是本工程的重中之重。針對本工程的結構特征，結合我公司的施工經驗，擬選用2臺200 t的汽車吊及2臺TC7025塔吊作為本工程鋼結構的主要施工設備。針對安全問題，結合我公司的施工經驗，以及相關規范要求，鋼結構吊裝就位后，迅速進行臨時支撐固定，要及時使之形成整體結構。

(4)厚板焊接控制變形、消除殘余應力、防止層狀撕裂是本工程的重點。本工程最大板厚達到40 mm，且焊縫以全熔透焊接為主，這不僅會使焊接的形變嚴重，對其精度有一定的影響，另外全熔透焊接在實施過程中會產生較高的熱量，這使得在控制變形方面具有一定的難度。節點箱管柱與牛腿定位在施工現場對于精度有著較高的要求，這也是節點加工中需要注意的方面[4]。

(5)勁性鋼結構與主體結構鋼筋施工連接節點十分重要。鋼結構專業與各相關專業管理充分協調，通過我司自有的項目綜合管理系統以及信息化共享平臺，確保鋼結構專業與各專業保持良好的溝通，統籌鋼結構專業與各專業間的進度計劃，從而合理地安排施工流程。

3 高空大跨鋼結構連廊深化設計措施

3.1 深化設計軟件資源配置

該項目在深化設計、方案論證與施工管理的過程中，應用CAD、BIM技術、廣聯達(斑馬夢龍網絡計劃)等驗算建模技術建立三維模型，對螺栓定位、重要節點對接、管線布置、整體提升建立數字化模型，進行各專業的圖紙復核、施工組織的模擬、三維立體交底與培訓。此外，還針對本工程的結構特點，對軟件進行二次開發，編制了一套適合本工程建模和出圖的程序或插件，規范了出圖標準，提高了出圖效率。取得了較好的應用效果[5]。

3.2 深化設計人員配置

根據該項目的結構復雜程度和業主的工期質量要求，為按時保質保量地完成本工程的深化設計工作，配備了專業的信息化中心與專業的建模、驗算人員。

3.3 其他設計考慮

針對該項目深化設計任務重、工期緊等特點，組織精干技術力量，成立領導小組，統一指揮和審核圖紙。制定合理的深化設計工期計劃和嚴格的深化設計質量控制體系，配置先進技術資源，保質保量按時完成本工程深化設計。

3.4 圖紙表達方面

該項目存在大量復雜節點和構件，圖紙表達比較困難。對于復雜節點和構件圖紙將配三維效果圖，以便制作安裝人員更直觀理解設計意圖，避免出錯。

3.5 與設計單位協調方面

該項目各專業相互交叉，在進行鋼結構深化設計的過程中，安排專人負責與建筑、設備、機電管線、幕墻等各專業單位的設計人員進行協調配合，最終的鋼結構深化設計圖紙經設計單位審核確認后方可施工。力爭在深化設計過程中發現并解決一切有可能影響施工質量及進度的問題。

3.6 現場服務方面

從公司工程部抽調專家常駐現場，負責解決現場安裝過程中遇到的技術問題，協調設計院與我部的配合工作。

3.7 鋼結構安裝方面

深化設計過程將充分考慮以下與鋼結構安裝有關的施工措施:需要完成合理化的分節或分段，該過程主要以選擇吊裝設計的類型和安裝的方式作為參考；安裝塔吊以及其他附加性的要求的板件；構件吊裝過程中要求使用的相關結構和設備，其中包括臨時連接板、吊耳等；吊裝防護所需的連接板和螺栓孔等[6]。

4 高空大跨鋼結構連廊整體提升技術

由于連廊西側位置的結構屬于下沉結構，所以無法進行起重裝置的正常使用，只可以將起重裝置設置在東側位置。首先將拼裝平臺安裝在12～17軸～E-J軸的下沉位置。同時在施工處安裝一臺履帶吊，重量為120 t，將其作業平臺安裝在17～20軸～D-J軸位置，并在17軸進行拼接安裝，同時向安裝位置側移，并借助于樓承板和系桿等機械部件將其抬升，完成位置確定后進行焊接固定。

4.1 鋼結構連廊安裝流程

利用BIM技術建立三維立體模型，連廊安裝施工流程如下:

(1)地下室回頂，安裝連廊拼裝胎架，見圖2。

圖2 拼裝胎架

(2)地面拼裝連廊(12～13軸)，見圖3。

圖3 拼裝連廊(12～13軸)

(3)地面拼裝連廊(16～17軸)，見圖4。

圖4 拼裝連廊(16～17軸)

(4)地面拼裝桁架間鋼梁，見圖5。

圖5 拼裝桁架間鋼梁

(5)連廊提升就位，見圖6。

圖6 連廊提升就位

(6)2～4層混凝土施工，拆除拼裝胎架，見圖7。

圖7 拆除拼裝胎架

4.2 鋼結構連廊整體提升工藝

在安裝鋼結構提升單元位置正下方地面上完成整體拼裝，而且借助于原結構矩形鋼柱完成提升平臺的安裝，共12組。在提升單元的鋼梁上弦桿與上吊點相對應的位置加裝具有提升功能的釣具，借助于專用鋼絞線以及底錨連接上吊點和下吊點，并借助于液壓同步提升系統直接提升鋼梁結構達到安裝的標準高度位置，進行主鋼梁對接以及后裝桿件的安裝[7]。具體流程操作如下:

在安裝鋼結構提升單元位置下方垂直位置的第1層地面上進行提升單元整體拼接安裝。利用混凝土柱頂預埋件和主鋼梁預裝段，完成上吊點，即提升平臺的安裝，共對稱設置12組上吊點。完成液壓同步提升系統裝置的安裝，其中有提升器、液壓泵源系統以及傳感器等。將下吊點臨時吊具安裝在上吊點和提升單元屋面層桿件相對應的位置。同時將專用型的鋼絞線以及地錨安裝在提升上吊點和下吊點之間[8]。

(1)調試液壓同步提升系統。

(2)張拉鋼絞線，使其受力均勻；并檢查鋼結構提升單元和液壓同步提升的相關手段是否安全可靠、符合施工指標。

(3)確定不存在錯誤之后，以設計載荷的不同比例順序作為參考逐漸增加負載級別，比例分別為20%、40%、60%、70%、80%、90%、96%、100%，直至提升單元和拼裝平臺完全分離。

(4)提升單元升高至150 mm后暫停。

(5)對提升單元的所有吊點標高進行微小校正至絕對水平狀態，之后靜置4～12 h。

(6)檢查提升單元及相關安全防護措施是否正常。

(7)確認無誤后，開始提升操作。

(8)將提升單元升高至安裝標高附近后暫停。

(9)測量提升單元在不同位置處的尺寸，將測量結果與設計尺寸進行對比并完成相關處理以后，將上升的速度進行減小，以較小的速度向上方提高鋼結構，使其與設計位置相互靠近，借助于計算機系統中存在的微調點動功能，提升吊點與設計位置相互靠近，滿足對接要求[9]。

(10)鋼結構提升單元主鋼梁弦桿與預裝段桿件對接，并安裝鋼梁后裝桿件，安裝完畢后形成整體；依據相應的順序卸載液壓提升系統的不同吊點，以達到轉移鋼結構自身重量的目的，從而符合設計狀態。

將液壓提升裝置進行拆卸，結束鋼結構提升施工。

4.3 鋼結構連廊安裝、提升關鍵技術

4.3.1 地下室加固處理

本工程鋼結構連廊吊裝及主要材料的轉運需要在地下室頂板上進行。考慮結構安全與成品保護，需對部分地下室頂板進行加固，加固采用鋼管扣件腳手架支撐。為保證施工順利進行，需要詳細編制地下室頂板加固專項施工方案，并對外力進行現場校驗。施工過程中，在頂板上施作施工分區與交通導行設施，機械設備的位置、材料的堆碼嚴格按方案執行。安排專人負責管理現場施工，嚴密監控地下室頂板的受力情況，避免產生裂紋[10]。

4.3.2 鋼結構施工測量與監測技術

(1)采用經緯儀等高精度儀器，二級控制網等測量手段，控制垂直構件的垂直度、水平構件的平整度。

(2)地表沉降測點采用Leica NA3003電子水準儀進行監測。根據埋設好的基準點，從已知水準點施測一條閉合路線取得初始數據；每次觀測前對照技術規范校驗儀器設備，為確保觀測精度，要提前選定操作人員、儀器設備和固定路線等。將編制專項測量及監測方案，明確監測點、監測頻率以保證結構安全[11]。

(3)懸挑結構的變形監測是本工程的重點，將編制專項測量及監測方案。明確監測點、監測頻率以保證結構安全。

(4)由甲方、監理及我司派駐現場人員組成監控量測及信息反饋小組，配合第三方檢測與監測確保基坑、本工程及周邊建筑的安全。

4.3.3 鋼結構焊接質量控制

優化焊接接頭，利用窄間隙小坡口焊接技術并以CO2作為保護氣體，這樣就能降低變形發生的概率，進而確保焊縫的質量；同時，采取設置臨時剛性支撐和火工矯正等手段來提升節點的精度。

4.3.4 鋼連廊安裝施工

采用原位拼裝，整體提升技術，先將結構在安裝位置正下方拼接完成，再借助于“超大型構件液壓同步提升技術”將其垂直輸送到相應的安裝位置，這對于施工安全、工期以及工程成本的管控都較為有利。

4.3.5 BIM技術應用

采用三維軟件高效建模，根據本工程特點組建BIM技術中心與深化設計、施工組織設計優化工作團隊，在圖紙深化階段解決勁性鋼結構與主體結構鋼筋施工連接、管線綜合、圖紙碰撞等方面問題。在施工過程中，將BIM技術與智慧建造平臺結合，完成鋼結構連廊與塔樓主體工程的數字孿生模型[12]。

5 結束語

該項目施工場地非常有限，施工環路不能閉合，更沒有土基礎施工場地。鋼結構連廊自重與幾何尺寸較大，無法使用塔吊完成吊裝，因此合理深化設計、優化機械設備配置、優化施工組織是項目順利推進的重中之重。為確保地下室的安全，在吊裝鋼結構、拼裝構件過程中，盡可能地搭建臨時平臺并對地下室頂板進行回頂加固。施工現場選用原位拼裝整體提升技術，在地面完成整個提升單元的拼裝，進而完成整體提升，降低在高空中實施拼裝、焊接和防腐防火涂料涂裝等過程中出現安全隱患的概率，保證工程如期完成。

項目重點、難點、特點鮮明，在同類型項目中具有較強的代表性，通過整體提升技術的應用，既取得了較好的應用效果，也完善了整體提升技術在特種條件下應用的工藝做法。