“玉蘭”造型展館鋼結構吊裝施工技術研究

王 偉，艾宇航，王龍飛

(中國建筑土木建設有限公司，北京 100070)

0 引 言

鋼結構具有結構輕巧、安裝拆卸簡便、施工速度快、空間范圍大、相同荷載能夠擁有更大的跨度的特點，因此在展館、體育館、工程以及機場等大型建筑的屋蓋結構中得到了廣泛應用。隨著建筑業的發展和冶鋼技術的推進，鋼結構吊裝技術與鋼材的質量近年來穩步提升，為鋼結構的發展提供了物質基礎與應用經驗。近年來，建筑鋼結構逐步呈現出向高強度、大跨度方向發展的趨勢，對施工方案的專業性和可靠性都提出了更高的要求。展館這類公共建筑對空間的需求較大，通常采用大跨度的結構設計，使得屋蓋結構的可靠性和穩定性成了決定展館建筑項目質量與安全的關鍵因素。本文以連云港市“玉蘭”造型展館為例，對屋蓋結構吊裝施工與鋼結構構件加工技術進行了分析研究，在主要考慮施工條件與結構受力的前提下，綜合考量施工效率與工程效益，通過將各種鋼結構施工方法結合，實現了安全、高效拼裝。

1 工程概況

1.1 工程概況

本工程位于連云港市云臺農場范圍內，西起現狀道路，北至規劃新建東路。建筑總面積約60 661.62 m2，其中，主展館工程總建筑面積26 714 m2，總用地面積11 759 m2。建筑總高度為30 m，地上地下共兩層，局部中庭采用雙層混凝土結構。建筑整體造型擷取玉蘭花開意向，在秦漢建筑敞頂重檐的形體特征上進行了抽象簡化，在兼顧外觀的同時規劃塑造三維內部空間，使建筑呈現出了位置中正的端莊形態。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 主展館效果圖

1.2 工程特點與施工難點

這類大跨度網架結構構件多，桿件受力復雜，應力難度較大，一般為了確定桿件的應力情況或預測形變需要用模擬軟件進行系統的分析計算，從而確定最合適吊點布置方案。在本項目的施工過程中，采用了分區施工的方式，分區劃分需要能實現部分整體獨立拼裝而后吊裝拼接成整體。

其次，展館類工程在工程結構尚未成型的初期，一般需要搭建臨時支撐結構，因為此時的部分結構還不能負擔自重，這種臨時支撐結構負責承載結構自重和施工中產生的暫時壓力負荷。展館工程跨度大且分為上下兩層，因此所需的臨時結構數量較多而且分布復雜，設置時候精度要求相對更高。[1]這種臨時結構會使得結構附件的應力增加，這部分在一般的施工計算中有時候會被忽略，導致構件產生應力損壞。在鋼結構進行拼裝的過程中，部分臨時支撐結構需要拆卸，使得建筑結構符合原始設計，此時鋼結構受力狀態發生變化，容易出現短時間內局部應力集中的現象，影響構件承載能力。因此，臨時支撐拆卸過程需要謹慎考慮結構體系的變化以及桿件的受力情況，保證整體結構安穩成型、承載能力不受損傷[2]。

2 總體施工思路

本工程占地面積大、施工工期緊、涉及專業多，將出現同一施工區多個專業共同施工的現象，且材料、機械、設備投入量大。為了充分保證施工進度、減少相關專業施工之間的干擾，需要精心規劃各階段的施工總平面布置以及交通組織。

本工程鋼結構依據結構施工流向，同時結合單體平面分布情況及施工工作量情況，施工區域劃分為屋面鋼結構施工區、中庭鋼結構吊裝區、景觀墻面鋼結構施工區、入口桁架鋼結構4個施工區，各施工分區相互獨立，分區施工，分區管理。具體分區如圖2所示。

圖2 展館分區結構圖

3 鋼結構加工技術

“玉蘭”造型展館鋼結構工程需要加工的構件主要為H型鋼、管桁架結構以及鋼管柱等。其中，工程屋面鋼結構框架柱采用方管柱，鋼梁為成品H型鋼梁，桁架為圓管，材質均為Q355B。鋼柱規格為Φ500×16、鋼梁的規格為：HM 588×300×12×20、HN 300×150×6.5×9、HN 400×200×8×13；中心橢圓鋼結構及南北主入口采用鋼管規格主要為：Φ180×6、Φ102×4、Φ76×4；裝飾墻鋼結構采用箱型柱及箱型梁，規格為：Φ400×8、Φ300×8、Φ200×5、Φ150×4、矩500×300×10。主要加工構件箱型柱和桁架鋼管下料貫口。

3.1 H型鋼加工制作

H型鋼主要通過焊接法制作，制作規則器件采用數控直條切割機，制作不規則器件采用自動控制切割機，H型鋼兩側同時垂直地面下料，現場采用自動火焰切割機對腹板進行切割，而后氣焊定位。在保證焊縫之間有充足的距離的基礎上進行組立。[3]焊接時焊至一半以上時候進行反面清根，而后自60°的另一側進行二次焊，翻轉后完成焊接。對于重要的焊接接頭應采用開坡口的焊縫，防止因未焊透而產生應力集中。焊接完成的部件多數需要進行矯正，具體矯正方法見表1。

表1 矯正原則表

3.2 箱型構件加工制作

本項目中箱型構件加工制作采用常規加工流程，預處理后進行矯平，下料切割后進行二次矯平，面板定位后組裝隔板與腹板，安裝隔板采用電渣焊，箱體本身采用電弧焊，銑平之后部件按照標準進行合格檢測。

3.3 桁架構件加工制作

桁架構件加工制作過程中，相貫線切割的質量好壞是決定構件質量的關鍵內容，本項目中鋼管的相貫面的切割只采用圓管數控相貫線切割機——數控六維相貫線切割機進行切割。此設備操作方便，加工精度高，切割全程可自動化控制，單次操作即可完成坡口切割，可以同時實現構件的內外定位[4]。

4 鋼結構施工技術

“玉蘭”造型展館工程的鋼結構主要用于主展館幕墻支撐，總工程量為2 500 t，施工分區如圖2所示。項目的主要施工內容集中在屋面鋼結構部分，其余部分內容包括中庭、入口與景觀墻結構的施工。

4.1 屋面鋼結構吊裝

4.1.1 工藝流程

施工準備→軸線復測→鋼柱吊裝→主梁吊裝→次梁吊裝→結構焊接穩固→懸挑主梁吊裝→懸挑次梁吊裝→結構焊縫補焊收尾。

4.1.2 施工方法

屋面構件為箱型柱及方管鋼梁相結合，下方為樓面結構，吊機只能在外側及中庭位置站位吊裝，鋼梁自重最大的為約1.8 t，鋼柱最大自重為2.5 t，具體鋼結構如圖3所示。

圖3 屋面鋼結構示意圖

鋼結構構件加工后在現場進行施工準備，吊裝到應有的位置后在空中進行拼裝，屋面結構按照既定順序流水施工。由于屋面的施工過程中并不完全獨立，因此需要與其他的施工單元進行配合。施工過程中，對于吊塔幅度60 m以內的鋼柱采用塔吊進行吊裝，其余中庭周圍的鋼柱均在塔吊吊裝幅度外，鋼柱采用50 t汽車吊在中庭位置吊裝[5],如圖4所示。

圖4 吊裝布置示意圖

經過核算，邊緣鋼柱自重2.5 t，中心區軸線間鋼柱為1.2 t。工程塔吊在60 m幅度內最小吊裝能力為1.5 t。邊緣鋼柱均在塔吊40 m幅度內，配套塔吊幅度40 m，吊裝能力2.67 t，均可滿足吊裝要求。

本工程吊裝難度最大的構件為跨中軸的主梁，此梁處于跨中位置，吊裝半徑大，自重最重。此梁長度為10 500 mm，自重為1.6 t。采用塔吊吊裝，安裝遵循“先下后上、先里后外、先主后次、先長后短”的安裝順序，吊裝時采用開孔吊裝，吊裝就位后立即夾好連接板。

鋼柱安裝前需要首先設置預埋件，而后利用調節螺母矯正標高，安裝鋼柱時，將鋼柱的中心線與基礎放線中心線對齊，將偏差控制在允許范圍內。鋼柱的吊裝按照預定順序進行，根據箱式原則優先采用能夠快速形成框架的安裝方案，安裝后需要及時矯正，確保標高、垂直度等指標在合格范圍內，以保證安裝的準確度[6]。

4.2 中庭鋼結構吊裝

4.2.1 工藝流程

施工準備→軸線復測→桁架地面拼裝→桁架吊裝→桁架間水平桁架及吊裝→支撐吊裝→結構焊縫補焊收尾。

4.2.2 施工方法

中庭構件部分主要由立面桁架和平面桁架和必要的支撐部分共同構成，本部分采用整體吊裝法，桁架均在地面拼裝成型利用汽車吊吊裝。這種方式適合于中庭這種矢高不大、跨度適中的曲面網殼結構，由于地面進行總拼網格，與屋面鋼結構采用的分塊吊裝法相比，施工速度更快、拼裝質量更高[7]。

經過工程核算，桁架最大自重1.8 t，50 t汽車吊工作半徑為20 m、主臂42.7 m的工況下吊裝能力為4 t，可以滿足吊裝要求。吊裝立面圖如圖5所示。

圖5 中庭吊裝立面圖

中庭的網格結構在地面進行拼裝時選擇就地拼裝，主要采用立柱錯位拼裝法。這主要是考慮到吊裝設施的承載問題，由于中庭處于施工場地中心位置，機械運載需要多方配合難度較大，且處于定點吊塔的施工范圍之外。網格進行提升的時候，需要進行平移或者轉動，距離為2 m以內，而后才下降完成就位，這主要是因為柱是穿插在網格當中的，梁但凡是與柱連接的部分均需要斷開，等到吊裝完成后再進行施工焊接框架梁。在本項目中，汽車吊裝首先完成第一榀桁架的吊裝，而后吊裝相應的支撐件，保證吊裝部分與土建結構形成可靠的連接，加強結構自身的穩定性。吊裝第二榀桁架后就開始拼接吊裝桁架間支撐輔助件，逐步形成穩定體系，最終形成完整的吊裝結構[8]。

4.3 景觀墻與入口鋼結構吊裝

4.3.1 工藝流程

施工準備→軸線復測→立柱吊裝→連墻構件安裝→桁架地面拼裝→桁架吊裝→桁架間水平桁架及吊裝→支撐吊裝→雨棚桁架吊裝→結構焊縫補焊收尾。

4.3.2 施工方法

景觀墻與入口的鋼結構的桁架結構與支撐較為類似，如圖6所示，兩個分區可采取相同的吊裝方法。這兩部分結構承載力主要依靠結構本身，因此主要需要克服桁架結構的自身重力。這種結構特征決定了此類安裝部分適合采取折疊展開式的吊裝施工法。桁架在地面臥式拼裝。

圖6 景觀墻(a)與入口(b)鋼結構示意圖

經過受力核算，桁架最大自重為5.5 t，50 t汽車吊工作半徑為12 m，主臂42.7 m的工況下吊裝能力為7.8 t，可以滿足吊裝要求。支撐為單根構件最大自重小于1 t,則選擇用6015塔吊吊裝。

施工過程中主要在地面安裝大部分的組件，但與傳統的組裝不同之處在于需要設置平行于母線的縱線，將需拼裝的結構劃分成幾個區域，各部分之間不進行連接組裝，而是用鉸鏈連接起來，然后利用吊裝設施進行提升，最后進行部件的配裝和添補工作。提升的過程中結構內部可能會產生一定的附加作用力，因此在吊裝前設置了6根定位的臨時拉索，用來實現結構的定位控制，防止其發生水平位移和形變。景觀墻與入口處的跨度都不大，因此可以采用對吊裝拉桿添加預應力的方式來消除結構內部的水平位變。

5 鋼結構現場焊接

項目中涉及的鋼材主要為合金鋼材，鑄成鋼管桁架構成主體桿結構，由于“玉蘭”造型展館鋼結構規模較大，整體桿構件數量導致現場焊接的工程量相當可觀，現場焊接鋼管的拼裝焊接和對接焊接為主要工作內容，需要保證焊接質量。

焊接過程中，焊接點處的熱被周圍介質吸收傳導會導致溫度快速下降，小范圍應力快速集中，導致構件產生裂紋，造成材質破壞，在進行定位焊的時候，需要提高預定的加熱溫度。本項目采取在焊接點的背面相對位置進行電加熱的預加熱方式，取得了良好的預防效果。為進一步避免冷介質的影響，施工過程中需要控制周圍環境的因素，增長焊縫長度，加大焊腳的尺寸[6]。

焊接過程中，將各層之間的焊接溫度維持在220 ℃上下，一般采用自動控溫示溫裝置來調節溫度，對溫度進行核對。焊后需要較長時間對部件進行強度和完整性檢測，保證焊接構件滿足工程要求[8]。

6 結束語

本文以“玉蘭”造型展館項目為例，詳細介紹了此類大跨度展館鋼結構的施工過程中采用的施工方案與施工技術。

(1) 介紹了該工程鋼結構的整體結構特征與施工的全過程，從構件制作、分區吊裝和整體焊接三個方面介紹了施工工藝以及質量控制方法。

(2) 介紹了屋面、中庭、景觀墻和入口的吊裝施工流程和具體的工藝方法，對不同的吊裝方案進行了側面的對比分析，器械吊裝能力進行了核算，對類似鋼結構吊裝提供了實踐經驗。

(3) 該工程鋼結構安裝與施工技術的良好運用是“玉蘭”造型展館順利竣工的基礎，實現了良好的經濟效益，為其他類似工程的施工方案的制定提供了參考。