弧形鋼結構屋面機電管線安裝技術

劉占強，郭曉娟，李 龍，李孟函，姜立濤

（中國建筑一局（集團）有限公司華北公司，天津 300457）

0 引言

在劇場建筑中，鋼桁架屋面結構高度一般大于20m，桁架內凈高大于5m，為超高大跨度結構。桁架內需要安裝水暖電等常規機電、消防、燈光舞美等設備管線，并設置馬道以方便檢修。鋼桁架下為舞臺和看臺，施工時不便于搭設滿堂架或使用升降設備，交叉作業和高空作業危險性高、施工難度大。對鋼桁架、燈光舞美設備與常規機電管線進行深化設計，明確鋼桁架內管線定位和固定措施，特別是優化雨淋管道從桁架下吊裝改為沿鋼桁架下弦敷設，不需要焊接操作，對鋼桁架防火涂層無破壞，雨淋噴頭通過支管垂直安裝在鋼桁架下，并在鋼桁架下弦滿鋪操作板，既便于桁架內施工，又避免與地面交叉作業，保證安全；合理的工序安排可實現快速安裝，保證工期和質量。

1 工程概況

廊坊“只有紅樓夢”戲劇幻城項目為大型情景園林劇場園區類工程，占地面積約30萬m2，總建筑面積約44萬m2（見圖1）。園區內包括A1～A5核心劇場，核心劇場地上3～4層，最高21.6m，劇場頂部為鋼結構桁架。本工程建筑單體多、業態種類多，機電系統復雜。A5劇場為弧形鋼結構屋面，超高大跨度鋼結構屋面內機電管線和設備安裝具有較大難度。鋼桁架下為舞臺、看臺，施工時不便于搭設滿堂架或使用升降設備，交叉作業和高空作業危險性高、施工難度大。

圖1 項目效果

2 工藝原理

在工程建設初期，對鋼桁架、機電管線、舞美燈光等演出設備進行深化設計，綜合考慮各專業施工要求、機電管線排布原則、施工順序及支吊架固定方式，對于混凝土結構區域，支吊架固定在結構頂板、柱或梁上，但對于高達20m的大空間屋頂鋼桁架，機電管線的安裝及固定方式成為整個工程的重點及難點。通過將原吊裝于鋼桁架下10多根管徑200mm的消防雨淋管道優化設計到鋼桁架內，并在鋼桁架內搭設操作板，將各專業施工作業面全部集中在鋼桁架內，既可方便原設計中馬道層的照明、噴淋、消火栓、通風管道的施工，又可滿足雨淋管道及演出燈光設備的安裝，且操作板不影響地面其他專業施工，節省工期，降低施工成本，保證施工安全。施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

3 施工操作要點

3.1 原設計方案分析

本項目包含A1～A5五座劇場，劇場地上1層通高，局部3～4層，最大屋面結構標高為21.600m，現澆鋼筋混凝土框架結構，屋面采用鋼桁架結構，并且屋頂鋼桁架內也作為劇場馬道層，鋼桁架內除需布置觀演廳管道外，還需布置馬道層照明、噴淋、消火栓、通風等機電管線。其中作用于觀演廳的消防雨淋主管均為直徑200mm，由于觀演廳跨度較大，需要10～15根雨淋管以滿足消防要求，原設計中該管道在鋼桁架下吊裝敷設，影響演出燈光設備安裝，且由于鋼桁架高達20m，施工難度較大，存在質量和安全隱患。

鋼桁架內管線包含電氣照明管線、電氣火災自動報警管線、噴淋管道、消火栓管道、演出舞美與燈光設備等管線。鋼桁架下管道包括觀演廳雨淋管道、演出燈光、音響設備等。

3.2 鋼桁架機電管線設計優化及深化設計

通過對原設計方案的綜合分析，為保證施工安全且滿足工期要求，尋求更優解決方案。考慮到鋼桁架內施工專業較多，為滿足工期要求，需同時施工，馬道層馬道空間不能滿足作業面的要求，因此在鋼桁架下弦整體增加鋼梁支撐，搭設操作板，擴大作業面，滿足鋼桁架內所有專業同時施工，且不影響觀演廳觀眾看臺施工、機電設備運輸、安裝等工作，保證工期進度。

3.2.1 鋼桁架、舞美、機電管線綜合深化設計

馬道層為劇場演出時工作人員行走和工作的空間，原常規機電管線需要避開鋼桁架斜撐、腹桿，舞美燈光布置按演出要求需要調整，布線應靈活，現桁架內又增加了雨淋管道，并且雨淋管道需在鋼桁架下弦敷設，需避開馬道。通過三維建模將鋼桁架內管道整體排布，滿足功能要求的前提下，提高馬道層凈空，為后期演出放置燈光，音響、舞臺機械等設備提供足夠空間和場地（見圖 3）。

圖3 桁架內管道BIM模型

3.2.2 將鋼桁架下管道優化至桁架內敷設

本工程各個劇場設置雨淋系統保護，雨淋噴頭采用下噴，均安裝在馬道層下方，原雨淋平面圖中，觀影空間上方雨淋管道均未敷設在馬道層，觀影廳挑高空間需要搭設滿堂架，并且觀影廳地面四周為觀眾看臺，該區域不滿足搭設滿堂架和使用升降設備的條件，所以將雨淋主管道移至桁架內，通過垂直支管將噴頭安裝在馬道層下方，既可滿足消防要求，又方便安全施工。

3.2.3 支吊架選型及受力分析

在機電安裝過程中，設備、管道、橋架的支架大部分安裝在結構梁、柱、墻體、樓板等承重結構上，但在大跨度劇場尤其是在鋼結構工程安裝過程中由于可承重部位較少，加上鋼結構桁架梁上不允許直接焊接，所以機電管線支吊架的選型及受力分析成為桁架內機電安裝的重點及難點。通過比較及選型，根據管線系統及管徑大小確定2種支吊架方案并進行受力分析，方案1：采用常規方式在鋼結構梁之間增加2根相互平行的槽鋼，在槽鋼上增加吊架固定點，將管道固定；方案2：在結構鋼梁上用卡子生根，采用槽鋼和角鋼做門形支架。

3.3 優化后施工總體部署與工序分析

1）確定設備、管線吊裝口位置 根據深化設計成果，確定鋼桁架內設備、管線吊裝口位置及吊裝方式。

2）確定機電管線固定方式及固定點 因鋼桁架屋頂需做金屬屋面、隔聲棉、裝飾板，其中隔聲棉填滿屋頂工字梁，若機電管線固定吊架滯后于屋面安裝，將破壞屋頂隔聲棉層，所以吊架固定點需提前深化設計，做好吊桿預裝。同時通風管道敷設在馬道層上方，但風口在馬道層下方，占用大量垂直空間，所以通風管道應先于其他機電管道施工，其他機電管線穿插進行。

3）綜合桁架屋頂、地面看臺施工節點 通過提前對鋼桁架、舞美設備、機電管線的綜合深化設計，將工序清晰化，避免拆改重復施工，保證了工程質量和工期進度。并且預先在鋼桁架下弦滿鋪操作板，不影響地面看臺施工，節約各專業施工成本，保障施工人員安全施工。

3.4 現場施工

根據設計圖紙，編制施工方案，進行現場施工。

1）測量放線 規劃增設的鋼梁放置點及機電管線支吊架安裝點位。

2）增設鋼梁支撐 在非馬道區域增設鋼梁，加強操作板的支撐受力點，并在鋼結構柱與斜撐之間搭接鋼絲繩，固定工人安全帶，保證施工安全（見圖4）。

圖4 鋼桁架增加輔助支撐梁

3）鋪設操作板 操作板采用1/3重疊鋪搭方式鋪滿整個馬道層，提供充分的施工作業面（見圖5）。

圖5 鋼桁架操作板仰視

4）支吊架安裝 支架與吊架提前確定好固定點，做好預裝。

5）機電管線安裝 機電管線按照深化設計確定的工序進行安裝。

3.5 調試、驗收

機電管線施工完畢后，先進行鋼桁架內系統調試，之后聯合劇場進行調試，調試合格經驗收后方可投入使用。

4 效益分析

1）工期 本技術屋頂鋼桁架機電安裝施工，使鋼桁架內施工成為單獨的作業空間，屋面、常規機電、演出機電設備安裝同步進行，并且不影響觀演廳下方地面觀眾看臺施工和機電設備安裝，節點工期比原設計方案提前約60d，滿足排練和導演演出計劃要求。

2）質量和安全 本技術減免焊接操作，對鋼桁架防火涂層無破壞，在鋼桁架下弦滿鋪操作板，既便于桁架內施工，又避免與地面交叉作業，保證質量和安全。

3）經濟效益 通過對鋼桁架內機電管線深化設計、支吊架選型及施工工序綜合部署，滿足一次成活，避免返工及材料的浪費，預留設備吊裝孔之后桁架內滿鋪操作板，可節省成本約130萬元。

4）社會效益 本技術解決了劇場鋼桁架內機電管線快速安裝的難題，贏得業主、導演等社會各界的認可和信賴，將為建筑行業提供寶貴經驗，對行業的技術進步起到推動作用。本技術已授權國家專利兩項：“一種屋頂桁架內的雨淋管道支撐結構”（專利號：ZL202120141508.9）；“一種屋頂桁架內豎向風管的固定結構”（專利號：ZL202121425319.0）。

5 結語

本技術提供了一種劇場鋼桁架屋頂內機電管線快速安裝的解決方法，通過對鋼桁架、燈光舞美設備管線、常規機電管線進行深化設計，特別是優化雨淋管道從桁架下吊裝改為沿鋼桁架下弦敷設，避免高空和交叉作業風險，保證進度、質量和安全，取得良好的經濟效益和社會效益，可為類似工程提供借鑒。