一種高鐵站房特殊造型鋼結(jié)構(gòu)柱逆序施工技術(shù)研究及應用

摘 要：為體現(xiàn)地域文化背景，一些特殊造型建筑設計應時而生，而鋼結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)這些特殊造型的建筑設計理念，詮釋建筑藝術(shù)。某建筑鋼結(jié)構(gòu)造型柱形狀恰似花樹，主骨架構(gòu)件采用方鋼管，外形曲面多變，弧度呈扭型，為實現(xiàn)造型柱的曲面線型并保證施工質(zhì)量，解決鋼結(jié)構(gòu)異形構(gòu)件安裝、細部連接等技術(shù)問題，完美詮釋設計理念，試圖通過一種特殊造型鋼結(jié)構(gòu)柱逆序施工技術(shù)，為類似工程施工提供一些有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：高鐵站房；特殊造型；鋼結(jié)構(gòu)；逆序施工

中圖分類號：TU391" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2023）03-0037-05

0 引言

為體現(xiàn)地域文化特色，鄭阜高鐵鄢陵站建筑外觀設計緊扣“花開鄢陵”理念，將花朵盛開的外形元素融入到藝術(shù)造型中。站房正面鋼結(jié)構(gòu)屋面挑檐兩側(cè)的立柱設計成曲線花束形狀，由下到上逐漸打開，寓意寓意花朵盛開，好運連連之意。造型鋼結(jié)構(gòu)柱高18.76 m，最大直徑達到12.4 m，構(gòu)件截面變化多樣，由12種不同截面組成。該造型柱設計獨特，結(jié)構(gòu)新穎，形態(tài)優(yōu)美，充分展示了鄢陵的地域文化特色。

本文以此高鐵站房特殊造型鋼結(jié)構(gòu)柱施工為研究對象，根據(jù)工程特點和現(xiàn)場實際情況，通過BIM建模、3D打印模型技術(shù)、施工流程模擬、專業(yè)軟件計算懸挑桁架受力情況、鋼結(jié)構(gòu)逆序安裝狀況等。研究在地面上從結(jié)構(gòu)最上層開始焊接拼裝，逆著樹狀生長方向，采用主骨架鋼結(jié)構(gòu)逆序安裝施工方法，解決鋼結(jié)構(gòu)異形構(gòu)件安裝、細部連接等技術(shù)問題。通過工程施工實踐，總結(jié)出一種高鐵站房特殊造型鋼結(jié)構(gòu)柱逆序施工技術(shù)，在經(jīng)濟效益以及社會效益等方面都有顯著的優(yōu)勢，對指導特殊造型建筑施工具有借鑒意義。

1 特殊造型鋼結(jié)構(gòu)柱逆序施工特點

1.1 焊接、提升作業(yè)劃分靈活

特殊造型鋼結(jié)構(gòu)柱經(jīng)深化設計，通過靈活設置焊縫位置，劃分成若干施工段，同時依據(jù)計算結(jié)果在結(jié)構(gòu)薄弱處布置監(jiān)測點，進行施工階段的監(jiān)測[1]。經(jīng)設計核實確認后進行鋼構(gòu)件的下料及加工，采用逆作法對鋼構(gòu)件按編號進行地面預拼裝，焊接完成一個節(jié)段，提升一個節(jié)段，有效減少高空作業(yè)風險，使焊接質(zhì)量得到有力保證。

1.2 易于造型柱鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件定位

運用原地面及結(jié)構(gòu)定位板作為焊接施工平臺，易于控制造型柱尺寸、安裝角度及連接細部做法，有利于精確安裝鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

1.3 節(jié)約施工成本

與傳統(tǒng)原位散拼方法相比，采用固定吊點提升技術(shù)，可以有效減少作業(yè)人數(shù)，減少大型機械設備租賃費用，減少周材使用量等，加快現(xiàn)場安裝精度，減少材料消耗，降低施工成本，保證施工安全及工程質(zhì)量[2]。

1.4 對周邊交叉作業(yè)的影響較小

特殊造型鋼結(jié)構(gòu)柱的分段焊接作業(yè)均在原地面進行，提升過程不需要大型起重機設備，造型柱施工都控制在工程實體范圍內(nèi)、對周邊工序作業(yè)干擾程度小，為周邊各工序的施工組織提供了便利。

2 特殊造型鋼結(jié)構(gòu)柱逆序施工原理

在本工程中，結(jié)合現(xiàn)場實際，對特殊造型鋼結(jié)構(gòu)柱進行分段設計深化。確定若干個施工段后，在屋面鋼結(jié)構(gòu)主桁架懸挑段設置固定吊點，采用在原位地面分段逆序拼裝鋼構(gòu)件，完成一段，吊升一段，實現(xiàn)主骨架鋼結(jié)構(gòu)逆序安裝就位的目標，保證特殊造型鋼結(jié)構(gòu)柱的安裝精度，縮短了工期，有效提高了工程質(zhì)量，減小安全風險。

3 特殊造型鋼結(jié)構(gòu)柱逆序施工技術(shù)

3.1 鋼結(jié)構(gòu)造型柱施工工藝流程

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造柱子施工流程如圖1所示。

3.2 操作要點

3.2.1 鋼結(jié)構(gòu)三維建模、分段深化設計及吊裝支撐體系設置

第一，依據(jù)圖紙采用BIM技術(shù)，對造型柱鋼結(jié)構(gòu)建立三維模型。由于深化設計（詳圖設計）是整個造型柱鋼結(jié)構(gòu)施工承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，項目應用了Tekla Structures建筑結(jié)構(gòu)3D實體模型專業(yè)軟件，對鋼結(jié)構(gòu)造型柱從細部設計到分解、制造、組裝等方面構(gòu)建信息模型，并結(jié)合施工方案，不斷修正安裝節(jié)點設計，通過信息模型完成鋼結(jié)構(gòu)造型柱數(shù)字化模擬拼裝，直觀檢查立面線型及結(jié)構(gòu)尺寸偏差。

第二，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)造型柱結(jié)構(gòu)特點及施工方案，在三維建模階段確定鋼結(jié)構(gòu)造型柱分段的具體焊縫位置，通過方案比選，最終劃分為十個施工段（如圖2所示）。為便于更好的控制構(gòu)件尺寸及不同分叉間空間位置，還需要進行分段鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件深化設計，并通過3D模型打印技術(shù)，對各構(gòu)件進行預拼裝檢測，經(jīng)設計核實確認后進行鋼構(gòu)件的下料及加工。通過對現(xiàn)場各部分結(jié)構(gòu)施工順序的合理安排，完成吊柱受力狀態(tài)由受壓轉(zhuǎn)換為受拉，保證受力狀態(tài)的順利轉(zhuǎn)換[3]。

第三，造型柱鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)配件下料、加工全部采取工廠化生產(chǎn)。鋼材的質(zhì)量標準應符合設計圖紙要求，不得使用無質(zhì)量證明的鋼材。對已采購回來的原材料，在未進入開料之前，進行100%的NDT檢測，從源頭上控制鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)配件質(zhì)量。對有特殊要求、用于特殊部位的厚板進行Z向性能試驗和理化試驗，對材料的質(zhì)量進行再次認可。技術(shù)部門在加工廠進行工藝指導，質(zhì)檢部門進行駐廠監(jiān)督檢查，在完成焊接工藝試驗和評定后，再組織進行批量生產(chǎn)。所有已完成構(gòu)配件根據(jù)安裝作業(yè)順序進行統(tǒng)一編號。

第四，吊裝支撐體系設置。本工程1棵造型柱的總質(zhì)量約為16 t，擬利用屋面鋼結(jié)構(gòu)主桁架懸挑段設置固定吊點，采用4臺電動葫蘆（10 t）4點起吊，每個點起吊最大質(zhì)量約為4 t。首先采用3D3S專業(yè)軟件計算懸挑桁架的受力情況，對懸挑桁架及支撐體系進行專業(yè)軟件計算分析，確保滿足起吊受力要求。經(jīng)計算分析，確定在屋面鋼結(jié)構(gòu)6軸及8軸、9軸及11軸屋面網(wǎng)架主桁架懸挑最外端處各搭設一個臨時支撐架，防止起吊加載過程中對主桁架懸挑段產(chǎn)生破壞。造型樹起吊用的4臺電動葫蘆布置在桁架上弦桿上，呈兩兩對稱布置，以左側(cè)造型柱為例，其中點位一和點位三分別布置在東、西側(cè)次桁架中間位置（即上弦桿與腹桿相交的位置）；點位二布置在南側(cè)7軸主桁架上弦桿上，點位四布置在北側(cè)次桁架上弦桿與腹桿相交的位置，并與點位二對稱，具體位置如圖3所示。

3.2.2 鋼結(jié)構(gòu)逆序分段拼接吊裝

對加工完成的各構(gòu)件進行編號，并進行分段預拼裝檢查。根據(jù)樹狀造型鋼結(jié)構(gòu)逆序施工順序，制作焊接施工平臺，并測放結(jié)構(gòu)圓形定位線。平臺設置要充分考慮該施工段的高度，同時制作焊縫位置定位板，以便更好的控制構(gòu)件在不同分叉間空間的位置，更利于指導施工。

根據(jù)造型樹頂部圓形定位線（板）開始焊接拼裝第一段（如圖4所示），將4個電動葫蘆環(huán)鏈固定在已拼裝完成的第一段下環(huán)梁上（固定點應均勻?qū)ΨQ布置），然后將第一段吊起至第二段的高度，接著開始拼裝第二段（如圖5所示）。

拼裝完成后將兩段吊起至第三段的高度，開始拼裝第三段（如圖6所示）。拼裝完成后將已完成段吊起至第四段的高度，開始拼裝第四段（如圖7所示）。依次完成第五段拼裝（如圖8所示）、第六段拼裝（如圖9所示），直至第十段。

在開始拼裝第十段的同時，根據(jù)預埋件的圓形定位線，進行鋼結(jié)構(gòu)造型樹中線點位校核、微調(diào)，使鋼結(jié)構(gòu)造型樹中心與基礎(chǔ)中心及軸線重合。測量無誤后，先進行造型樹根部與預埋件的焊接（如圖10所示），最后進行造型樹頂部第一段上下環(huán)梁與屋面鋼網(wǎng)架的焊接固定（如圖11所示）。

造型樹鋼結(jié)構(gòu)上下固定點位焊接完成后，對提升設備和支撐架體進行拆除。現(xiàn)場采用汽車起重機對支撐架體自上而下進行拆除，拆除前后對屋面鋼結(jié)構(gòu)主桁架懸挑段進行變形監(jiān)測，測量支撐架體卸載后懸挑段網(wǎng)架的撓度變化。鋼結(jié)構(gòu)造型柱施工完成后情況見圖12、圖13。

3.2.3 施工質(zhì)量保證措施

除焊工、焊接材料和焊接工藝等應與工廠施焊時相同外，還應注意以下8處細節(jié)。

第一，定位焊應注意以下6點細節(jié)：①在坡口根部采用焊縫定位時，焊后應檢查各個定位焊點質(zhì)量，如有缺陷應立即清除，必要時應重新進行定位焊。②定位焊縫應有一定的強度，但其厚度不宜超過正式焊縫的三分之一，通常為4～6 mm。定位焊縫的長度宜為20～40 mm，定位焊間距以不超過400 mm為宜。③復合鋼定位焊縫只允許焊在基層母材上。④定位焊縫應與最終焊縫的質(zhì)量要求相同。⑤定位焊縫的預熱溫度應比正式焊接高20℃。⑥定位焊的引弧和息弧應在焊件坡口內(nèi)完成。

第二，正式施焊時，應按照評定后的焊接作業(yè)工藝進行焊接，焊接前應檢查定位焊的質(zhì)量，有裂紋時應打磨去除。

第三，現(xiàn)場施焊期間應根據(jù)根層焊道的支撐能力，決定焊件的支撐結(jié)構(gòu)保存與否。

第四，焊道收弧時應將熔池填滿。多層多道焊縫焊接時，焊工應逐層自檢合格后方可焊接次層焊縫。多層多道的焊接接頭應錯開30 mm以上。

第五，可采用半徑大于4 mm的錘頭對厚板焊縫中間焊層進行錘擊。禁止對焊縫根部、表面焊層或焊縫邊的母材進行錘擊。

第六，除因工藝和檢驗的要求，需要分次焊接外，施焊過程應連續(xù)完成。若被迫中斷時，應采取防止裂紋產(chǎn)生的措施（如后熱、緩冷、保溫等）。再焊時應檢查并確認無裂紋后，方可按照原工藝要求繼續(xù)施焊。

第七，要求全焊透的雙面焊縫，應采取清根措施，非清根側(cè)焊縫的焊接量不宜少于3層。清根后應將坡口的污染物清除干凈，直至露出金屬光澤。

第八，質(zhì)檢部門應對焊接工藝參數(shù)、焊接層道數(shù)、層道間清理情況和層道間外觀質(zhì)量、焊縫層間溫度、預熱溫度、清根質(zhì)量、焊接變形進行監(jiān)督檢查，確保滿足作業(yè)指導書的要求。

3.2.4 施工安全保證措施

在起吊前應檢查設備的機械部分，鋼絲繩、吊鉤、限位器等應完好，檢查電器部分應無漏電，接地裝置應良好。每次提升鋼結(jié)構(gòu)造型柱時，在吊離地面10 cm應停車檢查制動情況，確認完好后方可進行工作。露天作業(yè)應設置防雨棚。

起吊鋼結(jié)構(gòu)造型柱時，起吊動作應平穩(wěn)，避免振動或擺動。提升速度不應過快，不得在高空停留過久，嚴禁猛升猛降。同時要在底部節(jié)段設置纜風繩，并捆扎牢固。 在每段提升工作完畢后，電動葫蘆應切斷電源。

另外，參與吊裝人員應戴好安全帽，系好安全帶，穿好防滑鞋。運輸、吊裝構(gòu)件時，嚴禁在被運輸、吊裝構(gòu)件上站人指揮和放置材料、工具。吊裝區(qū)域有明顯標志，并設專人警戒。

為了施工安全，不允許雨天進行焊接作業(yè)，如必須，需設置可靠的擋雨、擋風蓬，防護后方可作業(yè)。禁止在風速六級以上進行提升或下降工作。

3.2.5 施工監(jiān)測保證措施

根據(jù)監(jiān)測項目要求，在施工前對鋼結(jié)構(gòu)設計圖紙、安裝方案與進度計劃進行詳細研究，在此基礎(chǔ)上制定具體的監(jiān)測方案，明確包括儀器設備的檢校、測定的設置、監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集等具體措施。

鋼結(jié)構(gòu)造型柱結(jié)構(gòu)施工過程中每半天進行一次監(jiān)測，提升過程中實時監(jiān)測。工程中采用全站儀進行水平（及豎向）變形檢測，水準儀進行豎向變形檢測。

4 結(jié)語

本文介紹一種高鐵站房鋼結(jié)構(gòu)特殊造型柱逆序安裝的施工方法，包括鋼結(jié)構(gòu)三維建模、分段深化設計、吊裝支撐體系設置、鋼結(jié)構(gòu)逆序分段拼接吊裝、支撐架體拆除等工序。本施工技術(shù)采用專業(yè)軟件進行3D建模，精確確定每個構(gòu)件的尺寸及每個截面的尺寸，優(yōu)化立面的線型，依據(jù)合理分段及科學計算原理，在空間有限及采用移動起重設備的前提下，利用懸挑桁架及支撐體系設置起吊點，使安裝時各構(gòu)件的吊裝運輸、安裝次序不必完全遵照傳統(tǒng)逐段逐層工法，而是在地面上從結(jié)構(gòu)最上層開始焊接拼裝，逐步提升，逆序安裝，直至最下層，各結(jié)構(gòu)段始終在地面進行焊接拼裝作業(yè)，避免高空焊接作業(yè)安全風險，在保證質(zhì)量的前提下降低了施工成本，提高了施工效率。通過應用此技術(shù)，為高鐵站房鋼結(jié)構(gòu)特殊造型柱深化設計、逆序安裝提供了可行的技術(shù)手段，完美實現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)特殊造型柱優(yōu)美的形態(tài)，為類似曲面多變、造型復雜的鋼結(jié)構(gòu)施工積累了經(jīng)驗。

參考文獻

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