鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)施工在仿生建筑中的應(yīng)用

金凱　吳博　戚興

摘 要：結(jié)合某仿生建筑結(jié)構(gòu)工程的特點(diǎn)分析，通過鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的處理、圖紙的深化，勁性柱砼澆筑振搗，體現(xiàn)出鋼與混泥土組合結(jié)構(gòu)的重要性及在專業(yè)建筑中的作用與影響。

一、 工程概況

本工程為中國(guó)港口博物館及國(guó)家水下文化遺產(chǎn)保護(hù)寧波基地。本工程為空間曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。A區(qū)、B區(qū)外形類似海螺外殼，其上方均有類似風(fēng)帆類結(jié)構(gòu)。所有鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)均為：Q345B。鋼結(jié)構(gòu)工作量3300多噸。本工程鋼結(jié)構(gòu)主要由鋼柱、鋼梁、管桁架等構(gòu)成；主體外殼和穹頂結(jié)構(gòu)采用焊接箱型截面和圓鋼管；弧形框架梁柱、水平弧梁和支撐系統(tǒng)采用圓管；風(fēng)帆結(jié)構(gòu)采用管桁架；弧形鋼骨柱采用焊接H型截面；豎直鋼骨柱采用圓管、十字型截面。

二 工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

1、工程特點(diǎn)

本工程異形構(gòu)件多，鋼結(jié)構(gòu)制裝構(gòu)件形態(tài)各異、包羅萬象。

（1）、勁型柱：長(zhǎng)度9.15m，牛腿4～5個(gè)，單件栓釘數(shù)量388個(gè)

（2）、勁型柱+圓管柱組合構(gòu)件：長(zhǎng)度10m，牛腿4個(gè)，單件栓釘數(shù)量450個(gè)

（3）、錐體柱+圓管柱組合構(gòu)件：長(zhǎng)度7m，牛腿6個(gè)，單件栓釘數(shù)量372個(gè)

（4）、弧形鋼骨柱：垂直高度15.5m，水平距離6.4m，牛腿5個(gè)，鋼管連接件4處，單件栓釘數(shù)量747個(gè)

（5）、箱形柱、梁組合構(gòu)件：柱：弧長(zhǎng)9.7m，隔板12塊；梁：水平距離9.2m，隔板9塊

（6）、弧形鋼骨柱+箱形柱組合構(gòu)件：長(zhǎng)度9m，牛腿4個(gè)，栓釘數(shù)量394個(gè)，牛腿部位隔板數(shù)量10塊，以上箱體隔板6塊

（7）、弧形環(huán)梁：弦長(zhǎng)9.6m，牛腿及鋼管連接件4個(gè)，栓釘數(shù)量252個(gè)

（8）、外殼、風(fēng)帆大量采用弧形鋼管，各管件曲率均不相同，無規(guī)律可尋，圓弧曲管彎制均需數(shù)控編程進(jìn)行相貫線彎制切割。

2、工程難點(diǎn)及亮點(diǎn)

（1）、該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)院所給空間節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)多，且坐標(biāo)點(diǎn)均為殼體表面三維坐標(biāo)→各坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行全面換算→定出鋼結(jié)構(gòu)形狀，此項(xiàng)換算工作量非常大→解決大批桿件無法匯交在一起，不能形成完整的結(jié)構(gòu)體系的問題→建混凝土結(jié)構(gòu)模型→土建模型與鋼結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入→解決鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)、土建專業(yè)、建筑專業(yè)間的大量沖突與矛盾。截止建模完成，共解決問題122項(xiàng)次，由業(yè)主組織綜合性答疑會(huì)4場(chǎng)。

（2）、本工程大量采用勁性鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋之間的節(jié)點(diǎn)處理復(fù)雜，是本工程鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的一大重點(diǎn)。砼梁和勁性鋼柱連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域需設(shè)牛腿，梁-柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域需注明：鋼筋和柱筋的位置、柱筋穿牛腿的位置及孔的大小、梁筋錨固、穿孔、焊接情況、梁筋的上下層關(guān)系、柱箍筋的位置以及是否穿牛腿，每根鋼柱四周都要有鋼筋，這使得鋼結(jié)構(gòu)詳圖的深化設(shè)計(jì)工作量加大，難度大大增加。另外，鋼結(jié)構(gòu)詳圖的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮方便土建方的施工。

（3）、異形箱體柱內(nèi)設(shè)隔板，箱體和隔板各設(shè)有混凝土流動(dòng)澆筑孔。

要求加工廠內(nèi)對(duì)零部件加工進(jìn)行精細(xì)化管理，組裝、焊接次序進(jìn)行深入技術(shù)交流；施工單位、監(jiān)理單位及時(shí)對(duì)廠內(nèi)構(gòu)件隱蔽工程進(jìn)行檢查、驗(yàn)收。

（4）、異形箱體結(jié)構(gòu)加工難，弧形柱外殼連接埋件設(shè)計(jì)勁板、各勁板設(shè)計(jì)有鋼筋通過孔。外殼連接埋件的設(shè)計(jì)要充分考慮到：型鋼混凝土柱的主筋和箍筋施工，混凝土澆筑后的流動(dòng)密實(shí)性。上工序鋼筋工程施工完成后頂部封閉板進(jìn)行封閉處理 。

（5）、異形箱體結(jié)構(gòu)加工難，穹頂結(jié)構(gòu)在射線方向多牛腿定位組裝。加工廠內(nèi)對(duì)穹頂環(huán)梁及牛腿實(shí)地放樣，分兩件供現(xiàn)場(chǎng)；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地放樣組裝成整件后吊裝；弧形箱體構(gòu)件與牛腿各自對(duì)接時(shí)，利用測(cè)量設(shè)備精確控制定位坐標(biāo)

（6）、尾翼相貫管件多，雙曲異形結(jié)構(gòu)，安裝難度大：尾翼為雙曲面異形結(jié)構(gòu)，各桿件相貫組成。安裝現(xiàn)場(chǎng)建立組裝平臺(tái)，利用吊機(jī)、叉車等機(jī)械實(shí)地放樣進(jìn)行拼裝；拼裝胎模根據(jù)坐標(biāo)精準(zhǔn)放樣。B區(qū)尾翼重達(dá)18噸，高度為23米，利用300T汽車吊配合B區(qū)尾翼整體安裝。安裝就位前后控制各主要接觸面的坐標(biāo)，并監(jiān)測(cè)至各連接部位安裝焊接完成是安裝的重中之重。

三、 配合土建施工，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

1、 依據(jù)土建圖紙，鋼結(jié)構(gòu)公司進(jìn)行圖紙深化設(shè)計(jì)。型鋼柱分節(jié)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)塔吊起重參數(shù)，計(jì)算每根柱子所在位置塔吊最大起重量，將型鋼柱合理分節(jié)，不同柱子分節(jié)不同，滿足塔吊起重要求。

2、 深化設(shè)計(jì)中需畫出每個(gè)型鋼柱節(jié)點(diǎn)的大樣，即繪制型鋼柱制作詳圖、梁柱節(jié)點(diǎn)詳圖，分別明確穿型鋼腹板、錨入型鋼柱內(nèi)、焊在型鋼柱牛腿上梁筋規(guī)格位置，根據(jù)詳圖，項(xiàng)目部進(jìn)行鋼筋翻樣工作。

四、 控制型鋼柱制作環(huán)節(jié)，保證加工質(zhì)量

型鋼柱在寧波建工鋼結(jié)構(gòu)分公司濱海自有加工廠機(jī)械加工，所有需在型鋼鋼板上開的孔洞，全部在工廠采用相應(yīng)的機(jī)床或?qū)Ｓ迷O(shè)備鉆孔，嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)用氧氣切割開孔。構(gòu)件每次出場(chǎng)前，項(xiàng)目部派質(zhì)檢員到廠內(nèi)，根據(jù)詳圖要求進(jìn)行驗(yàn)收檢查，確保加工的質(zhì)量與精度。

五、 勁性柱砼澆筑振搗

型鋼柱翼緣板距柱外皮只有200mm，在此間隙內(nèi)，設(shè)計(jì)有Ⅲ級(jí)直徑25mm的主筋，Ⅱ級(jí)直徑10mm的箍筋及Ⅱ級(jí)直徑10mm的八字箍，鋼筋凈距只有165mm，另勁性柱上錨釘密集（4根19栓釘@200）且柱子呈45度至85度角弧形布置，給砼澆筑振搗帶來很大難度。

為保證勁性砼澆筑質(zhì)量，每次澆筑勁性砼柱，都進(jìn)行重點(diǎn)控制，嚴(yán)格執(zhí)行方案，加強(qiáng)過程控制，一方面與攪拌站協(xié)商控制好砼坍落度，另一方面，在型鋼柱相互垂直兩個(gè)方向架設(shè)經(jīng)緯儀，監(jiān)控型鋼柱的垂直度，發(fā)生偏差及時(shí)調(diào)整；同時(shí)選擇有施工經(jīng)驗(yàn)的砼班長(zhǎng)親自拿棒，嚴(yán)格分層澆筑、分層振搗，振搗時(shí)盡量不碰型鋼柱，確保型鋼柱垂直度，收到較好的效果。

六、結(jié)語

從中國(guó)港口博物館工程中鋼骨柱的應(yīng)用可以看到，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)相對(duì)于現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).施工程序復(fù)雜，梁柱節(jié)點(diǎn)焊接工作量大，工期長(zhǎng)，需要預(yù)先放樣，對(duì)于技術(shù)人員的詳圖設(shè)計(jì)能力，總包的現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)能力要求很高。從施工角度出發(fā)，不是一種較為困難的結(jié)構(gòu)體系。

從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)能夠解決超高、超限、錯(cuò)層結(jié)構(gòu)等復(fù)雜內(nèi)力情況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，能夠滿足對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震能力要求，減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸，從而相對(duì)增加建筑使用面積，以較小的成本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是一種值得推廣的結(jié)構(gòu)體系，其應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，特別是在建筑中的局部應(yīng)用。