基于高層建筑的大體量鋼結構塔冠快速安裝技術

朱光強，袁內蒙，鄔博亮，鄧華強，袁夢影

[中國建筑一局（集團）有限公司西南分公司，四川 成都 610023]

0 引言

隨著我國社會經濟的不斷發展，國家提出了綠色環保的發展規劃，在建筑領域積極利用裝配式技術。鋼結構高層建筑由于綠色環保且節能的優勢，充分占領了我國高層建筑市場，這也是今后建筑行業發展的主要選擇[1]。隨著城市高層建筑的不斷增加，為展現其更美觀的建筑造型，大體量的復雜鋼結構塔冠不斷增多，這對塔冠施工技術要求更高，如施工前期未做好充分的方案設計和技術措施分析，很難保證施工過程的質量、安全和工期控制。且高層建筑大多位于城市核心區，建筑密集，人口密集，經濟繁榮，現場施工對周圍的環境產生影響，塔冠施工整個過程對周圍產生的所有影響都應控制在合理范圍，所以，高層建筑鋼結構塔冠施工技術的提升是至關重要。

1 高層大體量鋼結構塔冠施工存在的問題

高層大體量鋼結構塔冠施工具有安裝體量大、超高、結構復雜及精準度要求高等特點。塔冠施工屬于主體結構施工末期，主要位于屋面，準備階段時有存在施工部署和方案設計不全面，吊裝機械設置未結合BIM 模型做精細化分析，方案實施精準落地存在風險。施工到難點再做方案糾偏，導致工期和成本增加，嚴重造成安全質量事故。鋼結構塔冠施工屬于高空作業，構件垂直運輸易受不利天氣和交叉作業影響，高空的風速相比地面強勁，構件垂直運輸及安裝定位較難，垂直交叉作業防護及管理措施若不能滿足規范要求，作業人員的施工安全和效率均不能得到保證。在有限工期條件下，多方面不利因素的制約，面臨各項施工問題，施工效率、安全和質量控制均不能較好地管理。

2 高層大體量鋼結構塔冠施工技術要點

2.1 BIM 技術

在塔冠鋼結構施工前期的深化設計階段，運用Tekla、Revit 等建模軟件按照設計施工藍圖進行深化設計，較短時間內直觀呈現出虛擬實體模型，是準備階段的重要環節。在施工過程中使用BIM 技術，并通過相應的技術軟件對施工現場進行高效模擬，能夠保障鋼結構部件的質量，通過這種仿真模擬，就能快速找到鋼結構部件在生產制造過程中所出現的問題，充分降低企業成本。

運用BIM 軟件深化建模，可以發現施工圖存在的問題，如碰撞、構件錯位、構件號不明確等，其次也可以提前發現一些施工上存在的困難和局限，如空間小、構件密集不利焊接操作和質量控制，技術人員可及時整理反饋至設計單位，按規范標準和施工經驗提出優化建議，設計單位進行復核并回復，不會造成額外工期和成本的增加，為現場施工順利進行奠定基礎。

大體量塔冠鋼構件安裝需對構件分節、分段組裝，結合塔冠BIM 模型和施工需求，技術人員對構件安裝工序模擬和優化分節、分段，再將構件尺寸、重量準確提取，滿足加工、運輸和安裝要求，對于部分超限構件即可提前在模型中優化調整。BIM 模型輔助優化塔冠施工方案，清晰體現施工重難點，輔助技術人員制定針對性解決措施，通過塔冠BIM 模型為整個塔冠及屋面工程施工進行方案設計和比選，為實施編排施工大計劃，工序穿插、人員、機械及材料投入提前摸排，實現施工過程精細化管理。

通過BIM 技術建模實現問題前置化解，結合施工需求對構件合理分節，運用Tekla 深化設計軟件對構件深化，在工廠進行鋼構件精確下料和加工制作，按現場安裝順序進行分區、分批加工制作，構件上貼二維碼和噴涂構件編號，加工過程質量檢查精準復核，有助于構件運輸及卸車有序堆放和材料清點，半成品構件有序運往現場，現場實際安裝構件不錯位、不錯吊，對整個施工過程的效率和質量控制至關重要。安裝人員提前熟悉塔冠BIM 模型，快速了解塔冠構件工況和布局，輔助構件安裝準確定位，同步提升塔冠鋼構件安裝的精準性和施工效率。

2.2 工廠及地面大構件拼裝技術

塔冠鋼構件滿足建筑造型需求，具有鋼構件大、安裝高度較高，施工難度和風險較高，構件布置不規則等特點[2]。對此，如何減少塔冠鋼構件現場高空作業的拼接量、加快安裝效率、提高施工質量和安全性是當前施工技術必須重視和思考的問題。結合項目實際，采用構件預拼裝技術，將部分零散構件焊接為大構件，整體吊裝至屋面塔冠安裝，主要分為工廠拼裝和施工現場地面拼裝。首先，工廠大構件拼裝技術在工廠進行，其加工條件、機械設備和制作等均比施工現場完善，鋼構件預拼、組拼需要嚴格的控制鋼構件的尺寸、角度及焊縫質量，精準度控制要求嚴格，需吊車、胎架及制作工人的緊密配合才可實施，滿足工廠制作能力、運輸及現場安裝的條件下，大構件拼裝優先選擇在工廠進行，一定程度減少零散構件的現場組拼焊接。其次，現場地面大構件拼裝技術，較大構件運輸會超限限制，非特殊工程或重要不可分節點不宜進行超限運輸，超限運輸經濟成本高，運輸過程管理難。對此，在滿足機械吊裝性能和安裝條件下，地面大構件拼裝技術宜選用，在施工現場規劃一塊作業面，地面焊接操作胎架，運用塔吊或汽車吊等機械控制構件角度及移動作業，地面進行部分特殊構件的拼裝和焊接，經構件尺寸復核和無損檢測無誤后整體吊裝至塔冠安裝，減少垂直運輸吊次數量和屋面塔冠安裝焊接量。綜合運用工廠和地面大構件拼裝技術，將部分零散構件提前進行合理組合焊接，減少鋼構件的安裝吊次，減少現場高空焊接的工作量，降低高空焊接作業造成的環境污染和對市民生活及工作的影響，塔冠鋼構件施工質量、安全及工期管理更為受控，綜合效益提升顯著。

2.3 鋼構件串吊技術

鋼結構塔冠具有造型復雜、構件數量多及布置不規則等特點，受安裝和運輸等因素限制，很大部分構件還是不能在工廠或現場地面組拼，如斜支撐、弧形梁、較長構件、組合極為不規則構件等，還需單個構件吊運至塔冠安裝焊接，那么現場施工會遇到構件垂直運輸占用時間長的問題。高層建筑鋼構件垂直運輸主要通過塔吊完成，如一棟建筑高度為250m，塔吊一個吊次上下所用時間長達50min，不含起吊和放勾時間，相比常規建筑運輸速度較慢，在有限的機械設備條件下如何提高垂直運輸效率是關鍵。對此，結合塔吊的吊重性能可采用鋼構件串吊技術，將3 至6 根鋼構件用鋼絲繩卡口與鋼構件的吊耳連接，由下往上排列一次起吊，多個構件同時吊運屋面塔冠安裝，垂直運輸效率大大提高。串吊技術的運用，機械性能及吊裝利用率最大化，降低了施工能耗損失，強化施工現場綠色施工和精細化管理。

2.4 觀測技術

高層塔冠鋼結構施工應編制針對性測量施工方案，測量技術直接影響到構件定位的精準性和安裝質量。構件在吊裝過程中應確保吊裝進程受控，防止與已有結構發生碰撞，分區、分階段對安裝的鋼構件進行定位及標高復核，防止發生較大累計偏移等，保證施工安全和施工質量尤為重要。

觀測前需要找準基準點，并在觀測過程中保證基準點的穩定，盡量避免因施工等原因影響基準點，導致長時間觀測受阻。觀測設備通常為經緯儀、全站儀和水準儀等，既具有足夠的觀測精度，又輕便靈活，不妨礙施工的正常進行。觀測人員應當在重要的施工過程中進行全程觀測，并及時復核、反饋觀測結果，以便及時發現并糾正施工過程中可能出現的構件位置偏移。施工過程對每一構件安裝定位精準觀測，控制塔冠構件安裝產生的累計誤差，提高構件一次安裝成功率，實現塔冠快速安裝和觀測管控。

2.5 碼板與連接板組合構造節點快速安裝技術

塔冠鋼構件數量多和交錯不規則布置特點，且屬于高空作業，風和霧等不利天氣均會影響安裝，安裝過程構件之間容易發生碰撞，構件安裝定位臨時連接階段牢固性較為薄弱，施工過程容易誘發安全質量事故。若鋼梁定位復核、焊接拼裝完成再讓塔吊取勾進行下一鋼構件安裝作業，施工效率就極為緩慢，若采用連接板焊接固定則不利于構件偏差調整。對此，需解決鋼構件定位臨時連接階段的可調整性和可靠性問題。

結合塔冠的結構布置和構件體量，設計一種碼板與連接板組合措施構造節點，原理借鑒于鋼柱現場柱拼接和鋼梁現場安裝做法[3]，H 型鋼梁、箱型梁的碼板和連接板均設置于端部上翼緣，圓形鋼管梁的碼板設置于端部上方，連接板設置于端部側面，安裝時碼板與另一端與連接構件擱置或臨時焊接，防止構件外力作用下發生水平或豎向滑移。吊裝到位后進行構件定位校核、連接板安裝螺栓擰緊即可取勾，進行下一構件安裝，不用等到焊接完成了再進行下一構件安裝，過程中存在某一構件存在偏位均可較好調整，整體構件定位均無誤后將碼板四周圍焊，方可進行構件的焊接組拼，焊接組拼完成后將碼板切除，連接板及安裝螺栓周轉到下一構件使用，對塔冠構件安裝效率有效提升，也能保證構件安裝的安全和質量，同時此構造連接板及安裝螺栓周轉使用，符合綠色環保施工理念，有效降低因構件安裝偏差大造成返工情況，對復雜大體量塔冠的實體準確性呈現提供了有效保障。

2.6 塔冠安裝階段劃分與機械安拆轉換技術

對于高層建筑大體量塔冠安裝施工，吊裝機械的方案布置、選型和塔冠構件分段、分節是關鍵，安裝階段劃分和機械的安拆轉換協作是重難點，如果在實施前沒有對整個塔冠施工進行方案模擬分析，容易導致塔冠施工不能順利進行，嚴重還會出現安全質量事故和經濟損失。

塔冠安裝分區階段流水施工劃分尤為重要，利用屋面混凝土強度養護或機房層結構施工時間，盡可能完成可施工屋面面飾層以下施工做法，完成屋面排水和防水施工有利于室內裝飾裝修工程的穿插施工。大體量復雜塔冠施工周期相對施工周期長，隨著鋼構件的安裝，需搭設滿堂腳手架，以滿足鋼構件安裝的安全作業條件，滿堂架一般需在塔冠面漆、幕墻等裝飾立面造型等施工完成了才可拆除，若待架體拆除后再施工屋面工程，對項目的整體工期管控較為不利。塔冠施工分區主要由塔吊機械和塔冠自身體量等因素相互影響，平面分區分階段安裝，構件吊裝、安裝、定位、焊接和油漆等各工序形成流水作業，機械和人力資源投入都得到最高效利用。有效減少豎向垂直交叉作業，提高施工人員的安全保障。豎向鋼構件分節，主要由塔吊吊裝性能和構件作業合理分節點，一是滿足構件的正常起吊和安裝，其次滿足構件焊接位置的作業條件和規范要求，再次是滿足塔吊安拆轉換。綜上，塔冠鋼構件的階段劃分合理性不僅影響塔冠自身的施工周期及安全作業，還影響著整個項目的各工序穿插和工期管理。

高層鋼結構施工的垂直運輸機械配置主要為塔吊，對于鋼結構施工來說，采用塔吊，可以有效縮短施工時間、節約施工成本[4]。大體量的鋼結構塔冠優先選用動臂塔吊，優點是吊重大，可減少構件分節，大臂角度可變，結構與塔身高度影響相對平臂塔吊要小，屋面主體結構施工前要提前考慮塔吊基礎定位和荷載，對屋面結構進行可行性驗算和加固設計，為減少加固費用投入和二次不必要拆改，可選屋面主體結構或塔冠的插窗機軌道梁作為基礎面，在混凝土結構屋面作為塔吊基礎，在滿足承載力條件下，可選用鋼埋件與混凝土澆筑一次預埋，穩定性相對更好，不影響屋面使用和質量可不用拆除；也可采用裝配式移動式基礎，優點是可循環使用，經濟且環保，具體設計方案要結合塔基性能和屋面結構特點。若在塔冠插窗機軌道梁作為塔吊基礎，應在軌道梁上設計塔基基座截面加強和接觸面加大設計，在塔冠鋼構件深化階段完成?；A的設計應由有資質的設計單位出具，并附有相應的計算書，相關體系施工方案結合國家及屬地要求通過專家論證和審批完成才可實施。塔吊選型和布置應遵循以下兩點原則，一是要與塔冠構件分節重量要匹配，滿足構件的吊裝和設計需求，二是要考慮塔吊順利拆除落地，大塔吊安裝小塔吊，小塔吊拆大塔吊，逐個轉換遞減，補缺塔吊占位鋼構件，最后一步常規配置拔桿吊，吊裝完后通過自身解體成零散部件，由施工電梯運輸至地面。塔冠鋼構件一是要分節分段應滿足塔吊的吊裝性能，二是分階段安裝和塔吊的安拆順序相契合，通過塔吊選型布置和塔冠構件的合理分節分段安裝雙優化，落實精細化管理，實現鋼結構塔冠的快速施工。

3 結論

本文通過項目施工實踐和施工總結，主要基于BIM 技術、構件拼裝技術、串吊技術、快速安裝節點及機械安拆轉換技術的綜合運用，形成深化、加工和安裝完成一體系的快速安裝施工技術，可較好提升施工質量和效率，使安全管理更有保障。部分鋼構件在工廠組拼焊接，可減少現場的焊接作業量，降低施工過程的大氣污染，符合綠色環保的施工要求；機械吊裝合理最大化，減少能耗浪費；快速安裝節點設計、結合BIM 模型安裝模擬及機械的安拆轉換，確保了施工順利完成。當然，不同高層建筑都有差異性，如外界環境、結構設計和功能性質等，施工技術的運用各有差異，應結合高層建筑特點選用針對性施工措施，克服現場施工不利條件，運用先進的科學技術和精細化項目管理，實現項目管理降本增效。隨著城市建設高層建筑的不斷聳立，施工技術提升和發展勢在必行，該研究成果具有較大的推廣應用價值，對類似工程建設提供較好的參考價值。