基于BIM超高層密集布筋區埋入式型鋼混凝土柱腳施工技術

林秉耿 施家暉 聶園園

中建三局第三建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430074

型鋼混凝土結構與傳統鋼筋混凝土結構相比具有承載力大、剛度大、抗震性能好等優點，與鋼結構相比，具有防火性能好、結構局部和整體穩定性好、節省鋼材等優點，被廣泛應用于超高層建筑結構體系中。型鋼柱腳是超高層建筑上部主體結構與基礎連接的重要組成部分，柱腳的施工質量直接影響上部整體鋼結構的施工質量，對工程整體質量及創優工作具有重要意義[1-3]。

1 工程概況

漳州市某超高層項目位于漳州市臺商投資區濱湖路與角美大道交叉口，工程占地面積約23 000 m2，總建筑面積22萬 m2，共7個單體，是集辦公、商業等多種配套功能于一體的商業綜合體，建成后將成為漳州新“地標”典范，7個單體均設計有埋入式型鋼混凝土柱腳。

典型超高層單體總高度210 m，總建筑面積8.9萬 m2，由1幢43層挑高超高層及3層地下室組成。該塔樓結構體系為型鋼混凝土框架-核心筒體系，外框柱及核心筒型鋼柱腳形式均為埋入式型鋼柱腳，型鋼柱埋設在承臺面下0.8～1.3 m，懸空支撐，共45根鋼柱。單根型鋼柱腳的翼板、腹板與承臺、地梁、底板筋交叉點數達30多處，所有型鋼柱腳與鋼筋交叉連接點數達1 000多處，節點交叉區鋼筋密集（圖1、圖2）。本文結合該項目典型超高層單體密集布筋區埋入式型鋼混凝土柱腳的施工，總結關鍵技術，將為此類型鋼混凝土柱腳組合結構的實際工程應用提供參考。

圖1 典型埋入式型鋼柱腳承臺剖面

圖2 埋入式型鋼柱腳模擬

2 試驗方案

2.1 試驗方案1：分2次澆筑

承臺底筋綁扎完畢后進行首次混凝土澆筑，澆筑至型鋼柱腳底標高（即型鋼柱腳埋入承臺面下0.8～1.3 m標高處），待混凝土強度達到安裝條件并處理完施工縫后，吊裝型鋼柱腳，隨后澆筑剩余部分混凝土至承臺面標高。

1）能完成承臺施工，但無法保證承臺的整體性。

2）承臺2次澆筑，增加施工縫處鑿毛深3 cm、寬5 cm企口處理和長10 cm、φ12 mm@150 mm鋼筋補強，額外增加鋼筋材料費用和鑿毛、清理費用，并存在滲漏隱患。

3）工序煩瑣，增加2道多余工序，且銜接周期較長（第1次澆筑混凝土強度達到設計強度后，方可吊裝型鋼柱腳），工期增加。

4）精準定位，保證型鋼柱腳安裝一次成形合格率。

2.2 試驗方案2：一次性澆筑后，安裝型鋼柱腳

待承臺鋼筋綁扎完畢預埋地腳螺栓后，一次性澆筑完成承臺底板混凝土，待混凝土強度達到設計強度后，吊裝已抬高標高的型鋼柱腳。

1）精準定位，保證型鋼柱腳安裝一次成形合格率。

2）承臺一次性澆筑，減少人工及機械投入成本。

3）減少2道工序，節約工期。

4）型鋼柱腳未錨入承臺，設計驗算無法通過，無法滿足設計驗算的超高層底部抗剪受力要求，加強方式須整體加大型鋼柱截面，成本增加巨大，不合理。

2.3 試驗方案3：安裝型鋼柱腳和支架后，一次性澆筑

待承臺底筋綁扎完畢后預埋柱腳支架，隨后安裝型鋼柱腳并綁扎剩余鋼筋，整體一次性澆筑承臺底板混凝土。

1）根據圖紙要求，既能完成承臺施工，又能保證承臺的整體性。

2）承臺一次性澆筑，減少2道工序時間，增加預埋螺栓支架施工時間，總體縮短工期。

3）增加型鋼柱腳螺栓支架額外支出費用，但相較工期減少的人工及機械投入成本，效益仍較為明顯。

4）型鋼柱腳螺栓支架的設計與預埋精準度要求高。

2.4 試驗對比分析

針對以上3個試驗方案，分別從滿足施工要求、工期、經濟合理性等方面進行綜合對比分析，見表1。

從表1可確定采用試驗方案3，即安裝型鋼柱腳后，一次性澆筑的方式。

表1 試驗對比分析

3 施工工藝流程

地腳螺栓支撐體系放線定位→支撐體系設計和施工→地腳螺栓支撐體系懸空支撐固定→型鋼柱腳深化設計和BIM建模→型鋼柱腳吊裝固定→密集布筋區節點連接施工→底板承臺一次性澆筑

4 施工關鍵技術

4.1 地腳螺栓支撐體系放線定位

樁頭鑿除清理，使樁頂平整，調直樁頭鋼筋后進行地腳螺栓支撐體系放線，插入底板、承臺底筋的綁扎。

4.2 地腳螺栓支撐體系的設計和施工

4.2.1 支撐體系設計

支撐體系主要將上部鋼柱自重荷載傳遞至下部工程樁。選型及布置既要滿足支撐型鋼柱強度和穩定性的要求，又要根據底板鋼筋排布調整優化，減少支撐體系對底板鋼筋排布施工的影響。根據承臺底板厚度、型鋼柱腳埋入深度和樁頭設計標高確定支撐體系高度，采用CAD進行3D繪圖、BIM建模1∶1模擬設計支撐體系的材質、尺寸以及支撐加固（圖3）。在確保支撐體系穩定、可靠的前提下，綜合成本因素，優化選擇鋼材支架，使制作加工容易、施工操作高效便捷、成本經濟合理，最終通過Midas軟件分析計算支架支撐受力情況，確保穩固無問題（圖4）。

圖3 支撐體系BIM建模

圖4 支撐體系受力分析

4.2.2 地腳螺栓場外臨時定位

場外制作支架，用于臨時定位地腳螺栓。該支架采用方鋼焊接成方體形，尺寸可根據現場實際制作。采用上下2道定位鋼板固定地腳螺栓，并根據設計圖紙調整好螺栓的垂直度、間距和水平度，最后采用φ12 mm鋼筋相互焊接固定，完成地腳螺栓場外臨時定位（圖5）。

圖5 地腳螺栓場外臨時定位

4.2.3 地腳螺栓場內初步預埋安裝

場內測放型鋼柱腳底的標高于樁頭錨固筋上，采用鋼筋點焊成方形相互標記（圖6），再在方形上測放出型鋼柱腳軸線，利用鋼絲連接成十字線（圖7），最后將場外臨時定位好的地腳螺栓和支架吊入承臺內，完成地腳螺栓場內初步預埋安裝。

圖6 樁頭錨固筋采用鋼筋點焊成方形

圖7 十字交叉線定位

4.3 地腳螺栓支撐體系懸空支撐固定

在支架腿上點焊鋼筋，提升地腳螺栓支撐體系，臨時托撐和架立地腳螺栓支撐體系，該托撐標高也是地腳螺栓設計標高，同時測放出地腳螺栓設計軸線，左右移動地腳螺栓支撐體系使地腳螺栓軸線與設計一致。調整完畢后，按照支撐體系設計建模的尺寸進行加固，采用內加三角撐、外打八字撐的方式，將地腳螺栓支撐體系懸空支撐固定（圖8）。確保穩固后，再進一步復核地腳螺栓的標高和軸線，調整無誤且穩固后，方可進行第1節型鋼柱腳吊裝。

圖8 地腳螺栓懸空支撐固定

4.4 型鋼柱腳吊裝

4.4.1 型鋼柱腳深化設計和BIM應用

型鋼柱腳吊裝前進行深化設計，與底板承臺面筋的連接方式通常有機械套筒、搭接板、型鋼柱身開設穿筋孔補強等。對于密集布筋區型鋼柱腳節點，連接點會同時存在2種或3種連接方式。上述3種連接方式技術特性對比分析見表2。

表2 不同連接方式技術特性對比分析

采用鋼結構Tekla深化軟件對型鋼柱腳進行深化，包括型鋼柱腳結構和節點連接的深化。節點連接深化即對底板鋼筋進行BIM建模放樣，并模擬碰撞，找出底板面筋與型鋼柱腳交叉碰撞存在的較難施工問題。經過與設計方溝通，優化鋼筋排布，實現節點密集布筋區增大鋼筋直徑、減少鋼筋數量的等效代換，最終得到最為合理和最易實施的節點鋼筋連接效果（圖9）。

圖9 節點連接深化BIM建模放樣、模擬碰撞

型鋼柱腳與底板面筋交叉點位多，優化的節點連接方式分為以下3種：

1）地梁、底板面筋遇型鋼柱腳腹板部位：面筋設計2排筋時，采用設置搭接板連接的方式，第1排搭接板長度的設置大于雙面焊5d，可設置15 cm，第2排搭接板長度需設置大于30 cm，使上下2排面筋錯開分別焊接；面筋設計3排筋時，第1、第2排的處理方式一樣，采用搭接板連接，第3排則采用機械套筒連接，避免第3排再次設置搭接板，尺寸過長需設置大于45 cm，否則會碰撞型鋼外圍的柱墻插筋。

2）地梁、底板面筋遇型鋼柱腳翼板部位：采用機械套筒連接，避免翼板部位采用搭接板連接的方式，否則會碰撞型鋼外圍的柱墻插筋。

3）核心筒大筏板承臺面筋遇型鋼柱腳部位：面筋設計為通長筋，遇型鋼腹板部位采用穿筋補強的方式，遇型鋼翼板部位可采用局部加大鋼筋間距以避開翼板的方式。面筋設計為非通長筋，可采用上述2種組合連接的方式。

4.4.2 型鋼柱腳加工制作

嚴格按照深化設計圖紙進行型鋼柱腳的結構和節點焊接的連接件等加工制作，同時進行相應規范檢測試驗，確保質量滿足規范要求。

4.4.3 型鋼柱腳吊裝固定

構件運輸至現場，組織材料進場驗收，同時規范送檢流程，控制鋼材進場復驗，保證材料進場質量。

各項工作完成無誤后，利用塔吊等吊裝設備進行第1節埋入式型鋼柱腳的吊裝固定（圖10），吊裝過程利用全站儀實時復核地腳螺栓軸線，利用水準儀和水平靠尺實時復核型鋼柱腳標高及垂直度（圖11），實時調整校正，保證型鋼柱腳吊裝質量。

圖10 第1節型鋼柱腳吊裝

圖11 水平靠尺測量垂直度

4.5 密集布筋區節點連接施工

完成型鋼柱腳吊裝后，進行底板承臺、地梁等分布筋與面筋安裝。型鋼柱腳與底板承臺面筋、地梁鋼筋等節點連接按照深化設計內容，采用機械套筒、搭接板、穿筋補強板這3種處理方式。

獨立承臺部位：底板承臺面筋、地梁鋼筋遇型鋼柱腹板部位采用主要搭接板（圖12）、次要機械套筒連接的方式（圖13），翼板均采用機械套筒連接的方式。

圖12 鋼筋搭接板連接

圖13 鋼筋機械套筒連接

核心筒大筏板承臺部位：承臺設計通長面筋，遇型鋼柱腳腹板位置采用穿筋補強的方式，保證通長面筋貫通不斷開（圖14）；遇型鋼柱腳翼板部位采用局部加大面筋間距以避開處理的方式（圖15）。

圖14 柱身腹板穿筋補強

圖15 避開柱身翼板綁扎鋼筋

4.6 底板承臺一次性澆筑

嚴格按照規范要求對各關鍵工序進行驗收。在完成型鋼柱腳吊裝和底板承臺鋼筋綁扎后，底板承臺混凝土澆筑前，再進行型鋼柱腳軸線和標高的校核，確認無誤后，最后進行基礎底板混凝土的一次性澆筑。澆筑過程中再實時復測，確保型鋼柱腳施工的質量，澆筑完畢后加蓋塑料薄膜與土工織物，并灑水保濕養護。

5 施工技術效果檢查

通過對型鋼柱腳支撐體系設計施工、型鋼柱腳吊裝固定、節點區鋼筋連接等各關鍵技術進行分析，制訂了可行的施工方法。在此施工技術下，型鋼柱腳施工比計劃工期提前，經濟效益顯著。已澆筑完成的型鋼柱腳軸線偏差、垂直度實測結果均在3 mm內，合格率達100%，一次成優。

6 結語

1）先預埋型鋼柱腳螺栓支架，再安裝型鋼柱腳，最后一次性澆筑底板承臺的埋入式型鋼柱腳施工技術最為合理，可確保底板承臺施工質量及整體結構的安全性，可以減少2道工序時間，縮短工期，創造效益。

2）對型鋼柱腳節點連接進行專項鋼結構深化設計，可優化鋼筋排布，實現增大鋼筋直徑、減少鋼筋數量的等效代換，得到最合理的節點鋼筋排布效果，便于現場施工。型鋼柱腳節點連接和地腳螺栓支撐體系采用BIM建模1∶1模擬設計，可有效指導現場施工，減少返工，加快進度。

3）型鋼柱腳支撐體系直接采用現場鋼材加固的方式，既能保證支撐體系剛度穩固，又便于現場制作加工，施工操作高效便捷，節約成本。