“水-冰”轉換鋼結構系統改進方案試驗研究*

姚博強，呂雪源，李 浩，陳 蕾，王 祥

(1.中建一局集團建設發展有限公司，北京 100102； 2.中國建筑一局(集團)有限公司，北京 100161；3.同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092)

0 引言

為滿足2022年北京冬奧會國際冰壺比賽的賽事要求，需要將國家游泳中心場館“水立方”原有的游泳場地改造成可以敷設冰面進行冰壺比賽的場地，實現“水-冰”轉換。場館在兩種運營模式中進行靈活切換，主要面臨兩個問題：一是場地標高差異較大，冰上運動對場地標高平整度要求嚴苛，局部2m范圍高差小于3mm，整體高差控制在6mm以內；二是轉換工期短，且受場館內場地的制約，轉換改造過程不能投入大型機械設備。為此，項目團隊通過多方案比選和試驗驗證，提出了裝配式鋼支撐+預制混凝土面板組合的改造方案，為冰壺比賽項目順利完賽奠定堅實可靠的基礎。

項目實踐表明，由于鋼結構架體在標高調節過程中存在架體間聯動問題，架體需要進行多次反復調節才能達到場地標高差的精度要求。為進一步提升架體的安拆效率和調平精度，本文在原方案基礎上進行了優化，增設了精調裝置，并對架體連接構造進行細部改進，最后通過架體試驗檢驗了方案優化效果。

1 架體設計方案

1.1 原架體設計方案

為滿足場館功能靈活轉換的需求，原設計方案采用了高頻焊接鋼結構架體+預制混凝土面板(以下簡稱面板)的體系。該方案中，架體的鋼立柱、鋼主梁與次梁均為高頻焊接工字型鋼加工而成；鋼立柱與鋼主次梁之間通過高強螺栓連接形成架體的主要受力單元；鋼立柱間借助鋼斜撐與鋼掃地桿通過高強螺栓連接增強架體的整體受壓穩定性；最后，面板在鋼次梁上滿鋪，與鋼次梁采用螺栓連接為整體，為上部保溫層鋪設和后續制冰工藝提供平整堅實的基礎平面，原方案架體單元結構連接如圖1～4所示。

圖1 原方案架體立面1

圖2 原方案架體立面2

圖3 原方案架體平面

圖4 架體頂部預制面板布置

原方案每根鋼立柱的底部設置1個調節裝置，用以調節架體標高。調節裝置為頂面為凹球面的鋼底座和底部具有凸球面的六邊形套絲套筒組成的球鉸，套絲筒與鋼立柱底部的螺桿配套使用，如圖5所示。架體和預制面板安裝完成后，通過正反方向旋轉套筒實現對應位置鋼立柱的標高升降，從而達到預制面板的調平目標。

圖5 柱底調節裝置構造

原方案架體及面板所有單元間均通過高強螺栓連接，保證了架體安拆過程可周轉；架體頂部的預制面板采用密度1 900kg/m3的LC40輕集料混凝土制作，面板尺寸為995mm×995mm×100mm，單塊構件自重僅為190kg，是體系中最重的構件單元，利用小型吊裝機械即可完成吊運安裝作業。

1.2 優化后設計方案

在原架體設計方案中部分鋼立柱間設置有鋼斜撐，當對這部分鋼立柱底的調節裝置進行調整時，會聯動影響到周邊區域鋼立柱的標高位置。為滿足頂部預制面板標高差的精度要求，需要對柱底調節裝置和鋼立柱之間的連接進行反復調整，該階段調節過程很大程度上影響了架體的安裝效率。

針對架體安拆操作過程中存在的問題，在原方案基礎上進行了優化。保留原方案中所有構件單元，進行以下優化：①在面板與鋼次梁之間增設精調裝置，精調裝置位于面板的4個角部，通過高強螺栓分別與面板和鋼次梁連接，如圖6～8所示；②將原方案中各部位螺栓連接的圓孔調整為長圓孔，以增加各桿件之間連接時的誤差調整空間，降低鋼斜撐和鋼掃地桿對鋼立柱的聯動約束。

圖6 改進后方案架體立面1

圖7 改進后方案架體立面2

圖8 頂部精調裝置布置

優化后新增的精調裝置由3部分組成，分別為上頂托、雙向螺桿與下底托(見圖9)。上頂托端板預留4個螺栓孔，孔徑較M16螺栓直徑大6mm，套管四周增設4個加勁肋以提高上托板的剛度。雙向螺桿中部為六邊形螺母，上下部分設置正反向螺紋；根據設計荷載計算，螺桿外徑為32mm。下底托端板預留4個螺栓孔，孔徑較M16螺栓直徑大2mm。上頂托和下底托螺栓孔中心定位參照原方案的預制面板角部和鋼次梁上翼緣的螺栓孔位置進行定位；螺桿和套筒的長度根據微調裝置的調節幅度和初始旋入深度確定。本方案中，螺桿的初始旋入深度為80mm，標高可調節幅度為20mm，因此套筒長度和上下側螺桿長度均按照90mm設計考慮。

圖9 精調裝置構造

實際操作過程中，通過正反向旋轉雙向螺桿實現上頂托和下底托的相對位置變化，從而實現調節面板標高的目的。按此方案，每塊預制面板角部由4個精調裝置支撐，當各精調裝置上部支承面的標高準確時，可使各預制面板頂標高滿足設計要求。

2 架體方案對比試驗

從設計理論分析來看，新增的精調裝置對鋼架體頂部的預制面板標高調節效率會有較大的提升作用；但由于改進后的方案較原方案在實際操作過程中增加了精調裝置的安裝與拆除工序，則會增加安拆時間。由上可知，精調裝置的增加對于效率提升和總體安拆時間的影響僅有單一角度定性的分析，但實際情況如何無法通過分析獲得。為進一步明確改進后方案的實際應用效果，本文結合兩種方案進行了鋼結構架體的安拆試驗，通過分別記錄兩種方案下各環節的時間損耗，對安拆效率進行定量分析。

2.1 架體材料加工

本文依據前面架體設計方案，分別加工了鋼結構架體和預制面板，鋼結構采用Q235B鋼材，預制面板采用LC40混凝土材料，如表1所示。

表1 架體材料清單

2.2 架體安裝試驗

試驗地點為天津市武清區某預制構件加工廠廠區內，整個試驗場地劃分2個區域：材料堆放區和試驗安裝區。材料堆放區用于存放試驗所需的全部材料，試驗安裝區用于2種方案的對比安裝作業。兩區間隔50m，用于模擬架體材料從堆場到安裝區域的運輸過程。

由于架體頂面安裝了12塊預制面板，為快速精準地獲取各面板局部和整體的標高平整度情況來指導精調位置和方向，試驗中采用了紅外線動態監測技術+BIM模型渲染顯示的方案。該技術基于雙目視覺基本原理，通過多臺紅外相機對特征點位進行空間定位的采集標定，借助計算機程序對各點位數據進行坐標轉換，進而獲取各點位豎向相對坐標差值；根據差值與限值之間的大小關系，確定超限的位置點位，并將這種超限位置關系與BIM模型進行關聯，按照超限情況不同對模型采用不同顏色渲染顯示；之后通過調整對應點位精調裝置，當差值降低至限值范圍之內，對應BIM模型中的渲染顏色與周邊一致時，即實現了平整度的動態調平監測。

2.2.1試驗準備階段

由于預制面板的標高為3.000m，為滿足紅外線監測相機測量距離和角度要求，安裝區域架體周邊范圍布置了雷亞架，平面尺寸6m×7m，高度5m。雷亞架頂部四周橫梁頂部均勻分布12臺紅外線監測相機，用于動態監控預制面板的標高調節情況，如圖10所示。

圖10 雷亞架與監測相機布置示意

試驗正式開始前，完成紅外線監測相機的初始標定，并對安裝架體對應的6個鋼立柱點位進行定位放樣。

2.2.2兩次安拆試驗流程

為了完整對比兩種方案整個過程的效率數據，本文試驗按照以下兩個安拆流程開展。

1)第1次安拆流程 材料運輸到場→安裝鋼結構架體→鋼結構架體初步調平→安裝預制面板→依據動態監控設備，通過底部粗調裝置調平面板→拆卸預制面板→拆卸鋼結構架體→材料裝車、退場。

2)第2次安拆流程 材料運輸到場→安裝鋼結構架體→鋼結構架體初步調平→安裝頂部精調裝置→安裝預制面板→依據動態監控設備，通過頂部精調裝置調平面板→拆卸預制面板→拆卸頂部精調裝置→拆卸鋼結構架體→材料裝車、退場。

2.2.3試驗安裝重點過程

1)組建架體初始單元

由于鋼立柱底部為球鉸設計，單根鋼立柱無法實現自主站立，因此架體安裝時首先應完成架體初始單元的組建，該階段需要4～5名安裝工人(初始單元即架體可以實現自主站立時的最小組成單元)，之后可以根據實際安裝進度需求，在初始單元基礎上安裝其他鋼結構構件實現架體拓展。

2)精調裝置安裝與調整

在第2次安裝過程中，鋼次梁安裝完畢后，通過柱底粗調裝置初步調平至鋼次梁無明顯視線高低差即可，同時將所有的精調裝置調整到初始旋入深度，之后安裝到鋼次梁上，復核精調裝置的上下端板間距不超過3mm，并保證上下端板的邊線投影對正，即可安裝預制面板。待預制面板安裝完畢后，通過專用的螺栓扳手，對精調裝置中部的螺母進行左右旋轉，實現面板標高的精細化升降。

3)標高調控設置

預制面板安裝完畢后，在每個面板頂面的角部位置粘貼1個等直徑的紅外線反射小球，通過試驗架體四周12臺紅外監控相機實時計算獲取小球位置的標高信息，借助計算機三維模型的渲染顏色判斷板的標高差信息，以此來指導對應位置精調裝置的旋轉方向。本次試驗標高調控目標為每2m范圍局部標高差介于±1mm。

3 試驗結果與分析

基于上述兩種方案下的安裝和拆除流程，本文對各個子環節的安拆耗時進行了記錄、統計和分析，如表2所示。

表2 安拆過程各環節耗時統計 min

從安裝工效數據來看，因增加安裝精調裝置工序，優化后時長增加5min；調平階段，優化前預制面板標高僅能通過底部粗調裝置進行調整，由于鋼立柱間存在桿系約束，單一立柱的標高調整會對周邊產生聯動效應，導致各鋼立柱需要進行多次反復調整才能達到調平效果，而優化后精調裝置具有獨立快速調節面板標高的功能，不會對周邊造成影響，數據表明該環節時長大幅縮短了35min；綜合來看，優化后總時長較優化前減少27.4%，安裝提效顯著。

從拆卸工效數據來看，由于存在精調裝置拆卸的工序，優化后時長增加約3min，占總拆卸時間的7%。

最后，從整個安拆試驗過程工效對比發現，優化后的方案整體耗時較優化前縮短了31min，占優化前方案對應的總時長為18.9%。可以看出，優化后的架體方案可以有效降低架體安拆時間，提升效率。

4 結語

1)優化前后兩種方案都能實現預制面板標高平整度<2mm/m的要求。

2)精調裝置安裝和標高調節簡便、快捷，占架體安、拆總時間的4%～5%。

3)改進后的架體系統可實現面板標高的獨立調整，減少了反復調整的時間，架體安拆效率較原方案提升18.9%；試驗結果證明改進后的架體系統具有更好的可操作性。