基于建筑鋼結構設計的施工技術探究與質量控制措施

王名文

（中鐵四局集團有限公司上海分公司，上海 200000）

0 引言

近年來，隨著科學技術在建筑行業的不斷應用，建筑行業得到了飛速發展，而鋼結構工程“高、大、輕”的獨特優勢使其能夠在現代高層建筑項目中應用廣泛。針對鋼結構施工問題，眾多專家學者進行了大量的研究。李冠東[1]對高層鋼結構施工技術和梁柱節點優化設計進行了深入研究，提高了鋼結構整體質量，確保了鋼結構的穩定性和安全性。孟卓[2]首先分析了鋼結構施工技術要點，并根據施工要點針對性提出施工質量管理措施，齊宏拓[3]等將點云數據與鋼結構施工過程進行結合；成佳明[4]等將機器視覺與焊縫識別進行結合；劉占省[5]等基于數字孿生技術對鋼結構預應力構建施工進行了分析。最后有關高難度鋼結構的施工工作方向的研究，例如錢剛[6]等分析了天長全民健身中心體育場鋼結構屋蓋的施工過程等。

本文在前人研究的基礎上，以上海嘉定新城健康科技有限公司總部、研發及培訓中心項目中1#樓為研發中心鋼結構設計施工工作為切入點，深入研究鋼結構施工技術要點，進一步明確鋼結構設計施工要點，以期為后續鋼結構施工提供參考。

1 工程概況

上海嘉定新城健康科技有限公司總部、研發及培訓中心項目中1#樓為研發中心。1#樓研發中心為地上8 層，地下1 層的鋼框架結構高層建筑，地上部分高40m，建筑面積約11 802m2。建筑結構為鋼框架結構，基礎形式為樁+承臺+筏板基礎，墻面系統為鋁合金框架玻璃幕墻，樓層使用壓型鋼板組合樓板。

2 鋼結構設計

2.1 荷載組合分析

本工程中主體結構計算基本風壓按50 年重現期取值為0.55kN/m2，地面粗糙度為B 類，屋面基本雪壓按50 年重現期取值為0.205kN/m2，本工程采用集成化建筑結構分析與設計軟件系統YJK（1.9.3.0 版本），鋼結構整體永久荷載由程序自動加載并計算，樓屋面所受可變荷載詳見表1。除此之外，其他活荷載應按照相關規范進行取值，例如樓梯、勘探等的欄桿頂部水平荷載為1.0 kN/m 等。

表1 樓屋面所受可變荷載

2.2 高強螺栓內力計算

本工程的設計工作采用的是集成化的建筑結構分析與設計軟件YJK（1.9.3.0 版本）進行。鋼結構設計施工過程中，連接方式的選擇是十分重要的一個環節，適用的鋼結構連接方式能夠很大程度上決定鋼結構的整體強度[7-8]，本工程中鋼結構的連接方式為高強螺栓連接和焊接，其中高強螺栓采用10.9 級摩擦型高強螺栓，本工程中部分摩擦型高強螺栓抗剪計算結果如表2 所示，其中螺栓內力按式（1）進行計算。

表2 摩擦型高強螺栓抗剪計算結果

2.3 焊縫計算

本工程中焊縫均按照《鋼結構焊接規范》（GB50661-2011）相關要求執行，所有構件的對接拼接節點均為等強連接，采用坡口全熔透焊，焊縫質量等級要求為一級。框架焊縫質量等級為框架梁柱的對接焊和拼接焊縫上下翼緣要求全熔透焊接。有關焊縫質量的計算以及強度要求應按照下式進行[9]。

正面角焊縫應力計算：

3 鋼結構施工

3.1 BIM 技術在本工程中的應用

BIM 技術在建筑工程中的應用越來越廣泛，儼然成為建筑行業最受關注的技術和概念之一，同時也是建筑行業信息化的重要舉措。在本工程施工過程中采用了BIM 技術建立了鋼結構模型，利用BIM 的可視化特點，對鋼結構安裝過程進行模擬，確定工程施工難點，并對實際施工進行控制，加強了對施工質量的管控。其次，本工程還實現了BIM 技術和物聯網技術的結合，在鋼結構吊裝過程中，對主體結構構件進行統一編制，并賦予唯一二維碼，相關工作人員可通過掃描二維碼來確保構件安裝是否正確，工程管理人員也可在BIM 云管理平臺中實時掌握施工進度，保證施工質量。BIM 技術和物聯網技術的實施，使本工程中鋼結構施工過程清晰可控，降低了施工管理難度，確保了工程施工質量。本項目所采用的BIM 云管理平臺如圖1所示。

圖1 1#BIM 云管理平臺

3.2 鋼結構吊裝過程

本工程中鋼結構的吊裝主要采用7027 型塔吊作為垂直運輸設備，以及不同高度參數的直（曲）臂登高車和中、大型卡車、叉車等機械設備進行輔助作業，確保鋼結構吊裝工作順利進行。本工程中鋼結構吊裝作業要點如下：起吊前復驗鋼柱腳錨栓的預埋情況，根據鋼柱的重量及吊點情況，計算出鋼絲繩的規格大小，準備足夠的不同長度、不同規格的鋼絲繩以及卡環。鋼柱吊點設置在鋼柱的頭部兩側，直接用設置于鋼柱頂部的吊裝臨時連接板固定卡環。

吊裝順序如圖2 所示。從圖中可知，本工程中鋼結構的安裝從一角開始向兩側及中間逐步安裝，呈扇形逐步推進，鋼柱的吊裝按照各樓層的安裝順序進行，并及時形成穩定的框架體系。

圖2 鋼結構吊裝順序示意圖

吊裝過程中各工種應協調作業，隨時調整構件行進路線，調整好構件垂直度，到達指定位置懸停。將鋼柱柱底板穿入地腳螺栓，放置在調節好的螺帽上，并將柱的四面中心線與基礎線中心線對齊吻合，穿上壓板將螺栓擰緊。固定好鋼柱的纜風繩，拉緊纜風繩，即為完成鋼柱的就位工作[10-11]。

安裝吊裝措施如下：吊裝前將安裝爬梯安裝在鋼柱的一側，同時在柱與鋼梁的連接位置下1.3m 處焊接固定裝配式安裝操作平臺的臨時槽鋼；鋼柱吊到就位上方200mm 時應停機穩定，對準螺栓孔和十字線后，緩慢下落，使鋼柱四邊中心線與基礎十字軸線對準，柱腳定位如圖3（a）所示；在吊機松鉤前，采用鋼絲繩纜風繩進行固定，對鋼柱進行初步測量校正；柱底就位時少量的校正可用千斤頂和調整螺母法校正，如圖3（b）所示；鋼柱用塔吊吊升就位后，穿入其余安裝螺栓，并將上柱四面的中心線與下柱中心線對齊吻合，四面兼顧中心線對準或已使偏差控制在規范要求范圍以內時，將螺栓擰緊。

圖3 鋼結構安裝細節示意圖

3.3 鋼結構安裝

本工程中鋼結構吊裝工作施工要點如下：

在需要安裝的鋼柱的柱身上標注鋼柱的安裝方向，標識中心線，同時在鋼柱上捆綁安全爬梯，爬梯采用φ12 的圓鋼制作。鋼柱吊點設置在鋼柱的上部，吊裝前，下節鋼柱頂面和本節鋼柱底面的渣土和浮銹須清除干凈。

鋼柱吊裝到位后，鋼柱的中心線應與下面一段鋼柱的中心線吻合，各個端面兼顧，連接好臨時連接夾板。鋼柱臨時固定完成后，即可進行初校，校正時與梁連接牛腿標高需進行復測，以便鋼梁的安裝以牛腿為標高基準進行定位[12]。

安裝前，預先對上下節柱對接端口彈出定位線，作為安裝基準線，鋼柱對接基準線示意如圖4 所示，并使用安裝螺栓將連接板臨時固定在上節柱上，鋼柱用塔吊吊升就位后，穿入其余安裝螺栓，并將上柱四面的中心線與下柱中心線對齊吻合，四面兼顧中心線對準或已使偏差控制在規范要求范圍以內時，將螺栓擰緊，焊接完成后割除臨時連接板。

圖4 鋼柱對接基準線示意圖

3.4 鋼結構連接施工

本工程中鋼結構的連接方式包括高強螺栓連接和焊接兩種，有關兩種連接方式的施工要點如下：

焊接整體原則：“統一對稱、分區進行；單桿雙焊、雙桿單焊”。以控制應力、應變為準則，詳細制定焊接順序。針對整個結構而言，柱、梁等剛性接頭的焊接施工，應先從整個結構的中間構件上施焊，先形成整體后向左、右擴展焊接。針對框架而言，平面上應先從整個結構的中間構件上施焊，先形成框架后向左、右擴展焊接。立面上應遵循上層鋼柱施焊完成后再進行下層環梁施焊的原則。箱型鋼柱對接焊接順序見圖5。

圖5 箱型鋼柱對接焊接順

焊條、焊絲、焊劑，及其熔敷金屬的屈服強度等指標應與主體金屬相適應，手工焊條應在對Q234鋼材時選擇E43型焊條，Q345 鋼材時選擇E50 焊條。

工程梁柱節點基本為H 型鋼梁對接節點，H 型鋼構件焊接順序為：先焊下翼緣，后焊上翼緣。

高強螺栓孔應采用鉆成孔，孔徑應比螺栓公稱直徑大1.5mm。高強螺栓不得重復使用，安裝完畢，不得點焊螺帽和打亂絲扣。當不同板厚連接須設置填板時，填板表面應作與母材相同的表面處理。當環境溫度高于150℃時，應采取隔熱防護措施。梁柱部位高強螺栓連接見圖6 所示。

圖6 梁柱高強螺栓連接示意圖

本工程中高強螺栓為10.9 級摩擦型高強螺栓。連接板材為Q345B 時摩擦面抗滑移系數不小于0.50；連接板材為Q235B 時，摩擦面的抗滑移系數不小于0.45。高強螺栓安裝順序為：首先對校沖孔、替換臨時螺栓，安裝高強螺栓，隨后初擰（依次由里向外、中間向兩邊），最后終擰（依次由里向外、中間向兩邊）。

3.5 除銹、防腐與耐火施工要求

鋼結構構件在涂裝前應進行拋丸除銹處理，局部修補時可采用手工機械除銹，除銹等級應達到相關規范中的Sa2.5 級，表面粗糙度應控制在Rz40～70μm，且處理后的鋼材不應存在焊渣、焊疤、灰塵、油漬、水和毛刺等。本工程中埋入混凝土的鋼構件表面及構件剖口部位均不允許涂刷油漆或有油污。柱腳在地面以下的部分應采用強度等級較低的混凝土進行包裹（保護層厚度不應小于50mm），包裹的混凝土高出室外地面不小于150mm，室內地面不小于50mm，并宜采取措施防止水分殘留，當柱腳底面在地面以上時。柱腳底面高出室外地面不小于100mm。鋼構件在出廠前噴涂庭漆、其噴砂除銹完成后至底漆噴涂的時間間隔不應大于3h。鋼結構防腐涂裝設計年限為30 年、并應進行定期維護，構件出廠安裝前、鋼結構表面摩擦連接面、現場焊縫兩側各50mm 不能涂漆，但工地焊接部位及兩側應進行不影響焊接的除銹處理。

本項目中鋼結構耐火時限及防火涂料厚度見表3 所示。耐火時限為1.5h 及以下的鋼結構可采用膨脹性防火涂料、耐火時限在1.5h 以上的鋼結構采用非膨脹性（厚型）防火材料，位于室外的鋼構件的防火涂料應采用室外型涂料。

表3 鋼結構耐火時限及防火涂料厚度

4 施工質量控制技術要點

施工組織準備要點：精心編寫施工組織設計，確保設計理念與施工的有效結合，切實完善施工驗收標準，加強開展施工技術試驗和程序鑒定工作[13-14]。

吊裝技術要點：吊裝準備主要是指準備施工中需要的起重機，常見的有塔式起重機和自升式起重機，并確保吊裝機械能夠滿足吊裝需求。

施工現場準備技術要點：準備檢驗測量和測量鋼材零部件的儀器設備，完成施工設備的選型和配套工作，加強施工現場技術公開，明確技術質量安全責任。

鋼柱安裝技術要點。安裝鋼柱前，首先要重新檢查下一根柱的標高和軸線，及時修改現有誤差，安裝前將鋼柱安裝在下部的鋼柱上。

鋼梁、鋼柱安裝技術要點：（1）在安裝前，檢查鋼柱上的連接件、混凝土芯管的預埋件，主要檢查連接件的平整度是否符合標準，檢查螺孔位置是否正確，摩擦表面狀況以及預埋件的位置、清潔度和平整度。（2）在吊裝前，在梁表面安裝扶手或扶手和扶手繩，普通扶手的高度為1m，并與梁的長度一起設置，作為施工人員的通道。（3）在整個安裝過程中，主要采用兩個吊點的方式，通常是用于起吊荷載的吊索、系緊方法和在梁柱上設置吊耳。

5 結論

本文對上海嘉定新城健康科技有限公司總部、研發及培訓中心項目中1#樓研發中心的鋼框架結構的設計及施工要點進行分析，研究結論如下：

（1）對本工程中荷載組合、高強螺栓連接及焊縫等重要節點設計內容進行論述，明確本工程中設計質量控制要點，確保了本工程設計工作質量；

（2）對本工程施工過程進行分析，論述本工程中施工技術細節，并根據本工程施工過程總結了鋼結構工程施工質量控制措施，所得研究結果對今后鋼結構施工質量控制具有一定的指導意義的。