弓式建筑的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)

徐 挺 顧洪才

江蘇南通三建集團(tuán)股份有限公司 江蘇 海門 226100

1 工程概況

背景工程位于江蘇省海門市獅山路131號，建筑面積2 700 m2，結(jié)構(gòu)跨度80 m，建筑高度28.1 m，單層，結(jié)構(gòu)全拱分38個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)現(xiàn)場拼接組裝而成。主要功能為展覽、會議、演出等大型活動用房，采用裝配式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)弓式結(jié)構(gòu)形式（圖1）。工程于2018年1月13日開工，2月8日結(jié)構(gòu)完成，2月14日竣工。

圖1 弓式建筑結(jié)構(gòu)安裝示意

2 工程特點(diǎn)

1）空間結(jié)構(gòu)跨度大。由于結(jié)構(gòu)是由若干預(yù)制鋼構(gòu)件（拱片、檁片）通過榫卯相互插接而形成的一個拱體，在拱片上下設(shè)置鋼弦筋張拉，使其產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)受力合理，空間結(jié)構(gòu)跨度大，此種結(jié)構(gòu)可安裝500 m以上單跨空間結(jié)構(gòu)建筑，技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先，世界先進(jìn)。

2）施工速度快。由于單根桿件和組合構(gòu)件（拱片、檁片）均在工廠內(nèi)制作完成，現(xiàn)場拼裝，屬預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工。所以結(jié)構(gòu)安裝施工速度快，質(zhì)量有保證。一座2 000 m2的單層弓式建筑，結(jié)構(gòu)安裝7 d可完成。

3）建造成本低。由于結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，拱片與拱片連接和拱片與檁片連接均采用榫卯插接方式，在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)四角承插完成，節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場無需焊接；結(jié)構(gòu)安裝始終在近地面進(jìn)行，每安裝一節(jié)，采用倒鏈葫蘆或吊車提升就位，無需大型起重設(shè)備和高空腳手架；弓式鋼結(jié)構(gòu)屬輕鋼預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)范疇，結(jié)構(gòu)自重輕，用鋼量少，一般1 m2建筑面積其結(jié)構(gòu)用鋼量在45 kg左右，建造成本低。

4）安全度高。結(jié)構(gòu)施工無需搭設(shè)高空腳手架或其他支撐，無高空作業(yè)，所有預(yù)制構(gòu)件均在近地面插接安裝完成，并采用多組倒鏈葫蘆隨施工進(jìn)度逐漸整體提升，安全度高。

5）結(jié)構(gòu)自重輕。預(yù)應(yīng)力弓式鋼結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是空間受力合理，尤其是大跨度及超大跨度的預(yù)應(yīng)力弓式鋼結(jié)構(gòu)，與其他空間鋼結(jié)構(gòu)相比，用鋼量少，自重輕。

6）裝拆簡便，可重復(fù)使用。此結(jié)構(gòu)安裝施工是采用預(yù)制鋼構(gòu)件榫卯插接方式，安拆簡便，既可以作為永久性建筑使用，又可以作為臨時性建筑周轉(zhuǎn)使用。

3 工藝原理

在工廠內(nèi)采用鋼預(yù)制桿件有機(jī)拼裝、組合，形成預(yù)制拱片、檁片和節(jié)點(diǎn)體等小型結(jié)構(gòu)單元，現(xiàn)場通過插接組裝成空間結(jié)構(gòu)體系。安裝由若干組機(jī)械提升設(shè)備，從拱腳一端開始，將拱身整體隨安裝進(jìn)度逐漸提升至設(shè)計高度，無需高空腳手架，整個提升過程在近地面完成[1-4]。

4 施工操作要點(diǎn)

施工工藝流程整體按“施工準(zhǔn)備→基礎(chǔ)施工→鋼結(jié)構(gòu)安裝→其他安裝→驗(yàn)收”進(jìn)行，操作要點(diǎn)詳述如下[5-7]。

4.1 操作過程

在具備施工條件的場地上，通過人工或機(jī)械設(shè)備將鋼預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)移至設(shè)計要求位置。將檁片插入標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)左右邊凸榫內(nèi)，形成第1道通長檁片。將拱片插入通長檁片標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)凸榫內(nèi)，并采用倒鏈葫蘆收緊、鐵錘敲打配合，按設(shè)計要求安裝到位。然后在地面上組裝第2道通長檁片，用人工或機(jī)械將通長檁片提升到需要高度，承插到拱片端部凹榫內(nèi)。在拱片上下安裝鋼弦筋，采用松緊螺栓將其絞緊，形成預(yù)應(yīng)力鋼弓。第1節(jié)整體拼裝完成后，在一端采用倒鏈葫蘆或起重設(shè)備將其提升到設(shè)計要求高度后擱置在距地面0.5～2.6 m高處的專用鋼凳上，以此方法安裝第2節(jié)、第3節(jié)……，直至安裝完畢。

4.2 施工準(zhǔn)備

4.2.1 組織準(zhǔn)備

組建鋼結(jié)構(gòu)安裝施工項(xiàng)目部，建立其管理體系，按規(guī)定配備項(xiàng)目部主要管理人員，持證上崗。挑選安裝專業(yè)的建造師擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理和參加過類似工程施工技術(shù)管理的技術(shù)人員擔(dān)任本項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人，選擇有類似工程業(yè)績的鋼結(jié)構(gòu)安裝專業(yè)隊(duì)伍施工。

4.2.2 技術(shù)準(zhǔn)備

施工前應(yīng)熟悉鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的規(guī)范、規(guī)程和規(guī)定，掌握相關(guān)技術(shù)，準(zhǔn)備施工資料，提前熟悉施工圖紙，參加施工圖會審，做好施工組織設(shè)計或鋼結(jié)構(gòu)安裝施工專項(xiàng)方案，并準(zhǔn)備書面技術(shù)交底資料，對參加施工專業(yè)性極強(qiáng)工種的管理人員和作業(yè)人員提前對其進(jìn)行業(yè)務(wù)培訓(xùn)。參加BIM技術(shù)管理的人員應(yīng)提前做好軟件、標(biāo)準(zhǔn)等準(zhǔn)備。

4.2.3 資源準(zhǔn)備

1）人員準(zhǔn)備。按照施工組織設(shè)計要求，提前將項(xiàng)目管理班子人員和鋼結(jié)構(gòu)安裝施工作業(yè)班子人員及其他施工人員選擇好，尤其對規(guī)定持證上崗的管理人員和作業(yè)人員應(yīng)提前擇優(yōu)錄用。

2）材料準(zhǔn)備。按照施工組織設(shè)計主要材料清單表內(nèi)容，尤其對使用量較多的方鋼管，應(yīng)按照設(shè)計要求，提前到鋼廠或銷售市場預(yù)訂。對需用量不多的配套材料和零星部件應(yīng)做市場調(diào)研并預(yù)訂。對預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)、檁片、拱片等在工廠加工完成的結(jié)構(gòu)單元體，應(yīng)從原材料選購、加工制作到半成品完成以及成品檢測等每個環(huán)節(jié)均嚴(yán)控質(zhì)量。

3）機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)備。對在安裝過程中需要各種規(guī)格的倒鏈葫蘆應(yīng)提前準(zhǔn)備，并進(jìn)行試驗(yàn)使用。對在結(jié)構(gòu)整體提升中使用的提升設(shè)備或移動式吊車（汽車吊）應(yīng)提前辦理租賃手續(xù)或購置，并進(jìn)行試驗(yàn)使用。對在安裝過程中需要的各種工機(jī)具應(yīng)提前做好清點(diǎn)、保養(yǎng)和維護(hù)，尤其對擱置結(jié)構(gòu)的鋼凳或鋼架要提前根據(jù)工程實(shí)際情況做好調(diào)直、整修和保養(yǎng)工作。

4）現(xiàn)場準(zhǔn)備。施工前應(yīng)完成“三通一平”。根據(jù)工程所在地的氣候條件，對施工場地、道路做好必要的排水設(shè)施。對施工現(xiàn)場臨時用水、用電，應(yīng)按照施工要求，提前向當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門申請，并落實(shí)到位。

4.3 基礎(chǔ)施工

4.3.1 施工放線

由項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人或施工負(fù)責(zé)人組織成立項(xiàng)目施工放線小組，提前熟悉施工圖紙，選擇合適的測量儀器。采用全站儀或經(jīng)緯儀對弓式建筑進(jìn)行坐標(biāo)定位放線，并設(shè)置控制點(diǎn)和控制線。采用經(jīng)緯儀確定建筑內(nèi)外軸線，采用水準(zhǔn)儀確定建筑內(nèi)外標(biāo)高。放線完畢后，應(yīng)由項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人或施工負(fù)責(zé)人組織相關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行驗(yàn)線，合格后方可進(jìn)入下一道工序。

4.3.2 開挖基坑及基槽

按照施工圖基礎(chǔ)平、立面圖尺寸放線完畢后，先施工拱兩側(cè)獨(dú)立基礎(chǔ)，后施工拱前后山墻條形基礎(chǔ)。開挖基坑和基槽應(yīng)按照GB 51004—2015《建筑地基基礎(chǔ)工程施工規(guī)范》要求進(jìn)行，并結(jié)合本工程地質(zhì)現(xiàn)狀做好基坑、基槽邊坡及預(yù)留基礎(chǔ)模板安裝工作面?；?、基槽土方開挖完畢后，應(yīng)組織項(xiàng)目部相關(guān)人員進(jìn)行驗(yàn)槽，合格后報項(xiàng)目總監(jiān)組織第三方驗(yàn)收。

4.3.3 施工混凝土墊層

基坑、基槽開挖完畢并驗(yàn)收合格后應(yīng)抓緊清土，施工混凝土墊層。墊層混凝土強(qiáng)度等級C15，厚度一般為100 mm。

4.3.4 基礎(chǔ)綁扎鋼筋

基礎(chǔ)混凝土墊層施工完畢應(yīng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待混凝土強(qiáng)度符合設(shè)計要求，可實(shí)施上人彈線、綁扎鋼筋等工作。綁扎鋼筋應(yīng)符合鋼筋工程要求，其規(guī)格、型號、數(shù)量和間距應(yīng)符合設(shè)計和規(guī)范要求。

4.3.5 設(shè)置預(yù)埋件

預(yù)埋件焊接在基礎(chǔ)鋼筋上，預(yù)埋件規(guī)格、型號、數(shù)量和材質(zhì)要求應(yīng)符合設(shè)計和規(guī)范要求，確保預(yù)埋件位置正確，連接牢固。

4.3.6 澆筑基礎(chǔ)混凝土

在澆筑基礎(chǔ)混凝土前，應(yīng)對基礎(chǔ)尺寸、鋼筋布置和預(yù)埋件的質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收，合格后方可進(jìn)入澆筑混凝土環(huán)節(jié)。澆筑基礎(chǔ)混凝土要按照GB 50104—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求進(jìn)行，混凝土澆筑完畢后，對預(yù)埋件位置的正確性應(yīng)進(jìn)行復(fù)核，并做好混凝土養(yǎng)護(hù)。

4.4 鋼結(jié)構(gòu)安裝

4.4.1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)安裝

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)平面尺寸，長邊2.0 m，短邊1.2 m。邊框?yàn)榉戒摴芎附樱?jié)點(diǎn)四向?yàn)橥归?，在工廠預(yù)制。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)運(yùn)往施工現(xiàn)場后妥善放置，宜平放，疊高不宜超過5層，嚴(yán)防因堆放不善導(dǎo)致構(gòu)件變形或損壞。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)采用人工或起重設(shè)備按設(shè)計要求正確就位，平放在作業(yè)面上。

4.4.2 檁片安裝

檁片采用人工或起重設(shè)備從現(xiàn)場集中堆放處移往安裝點(diǎn)，用工人將其分別插入標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)左右凸榫內(nèi)，并用倒鏈葫蘆收緊，鐵錘敲打配合，將檁片與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)合二為一，重復(fù)上述步驟安裝，形成長檁片。

4.4.3 拱片安裝

拱片采用人工或起重設(shè)備從現(xiàn)場集中堆放處移往安裝點(diǎn)，用工人或起重設(shè)備將拱片提升至需要高度，將其插入長檁片標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)凸榫內(nèi)，并用倒鏈葫蘆收緊，鐵錘敲打配合，形成結(jié)構(gòu)單元體（圖2）。

圖2 拱片安裝

4.4.4 連接件安裝

連接件是左拱片與右拱片連接不可缺少的連接桿，連接件有φ8 mm鍍鋅鋼筋，兩端設(shè)置螺栓，外套鍍鋅管，連接件安裝在兩拱片上部和下部的中間位置，兩端采用雙螺母收緊。

4.4.5 長檁片安裝

在現(xiàn)場地面上用人工或機(jī)械將若干個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)與若干個檁片承插組裝在一起，形成長檁片。用人工或機(jī)械將長檁片提升到需要高度，采用輕型倒鏈葫蘆收緊，鐵錘敲打配合，將長檁片標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)凸榫與拱片端部凹榫承插至緊密結(jié)合（圖3）。

4.4.6 上下弦筋安裝

下弦筋設(shè)置在拱片的下部，單根長度為7.8 m，直徑由計算確定，長度方向穿越3個拱片，每個拱片下部穿越6根鋼弦筋，弦筋兩端采用專制松緊螺栓，松緊螺栓固定在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)下部；上弦筋設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)中間位置，單根長度為5.2 m，直徑由計算確定，長度方向穿越2個拱片，上弦筋兩端固定在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)上部中央處。上下弦筋安裝均在近地面由人工完成（圖4）。

圖3 長檁片安裝

圖4 下弦筋安裝

4.4.7 剪刀筋安裝

剪刀筋分上下兩層，設(shè)置在前后檁片和左右拱片中間處，分別由2根鋼拉筋交叉組成，鋼拉筋兩端設(shè)有螺栓，固定在拱片與檁片交匯處的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)上，通過螺栓調(diào)節(jié)，滿足單元結(jié)構(gòu)的松緊需求。

4.4.8 局部驗(yàn)收

當(dāng)一節(jié)（長21.5 m，寬2.6 m）結(jié)構(gòu)單元體安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行內(nèi)部局部驗(yàn)收，參加驗(yàn)收的人員由項(xiàng)目質(zhì)量員、施工員、材料員和工長組成。驗(yàn)收后應(yīng)做好記錄，參加驗(yàn)收人員應(yīng)書面簽字，驗(yàn)收合格后進(jìn)入下一道安裝程序。

4.4.9 結(jié)構(gòu)提升

由拱片、檁片及配套附件組合成的結(jié)構(gòu)單元體，通過若干組倒鏈葫蘆或其他提升設(shè)備，將安裝完成的結(jié)構(gòu)單元體從近地面提升至需要高度，擱置在專用鋼凳上，每安裝完成一節(jié)，以相同的方法提升一次。

以單跨80 m弓式建筑為例，結(jié)構(gòu)安裝共提升38次（38節(jié)），每節(jié)提升高度均不同，從第1節(jié)提升0.5 m左右到最后1節(jié)提升2.6 m（圖5）。

圖5 整體結(jié)構(gòu)提升

4.5 其他安裝

4.5.1 拱腳安裝

拱腳在工廠里按照設(shè)計要求預(yù)制，現(xiàn)場安裝。在第1節(jié)結(jié)構(gòu)單元體安裝完成后，對該單元體拱片下部落地的方鋼管端頭安裝上特制的鋼拱腳，螺栓固定，鋼拱腳坐落在基礎(chǔ)上。

4.5.2 約束鋼繩安裝

約束鋼繩是控制拱變形的主要構(gòu)件，其直徑由設(shè)計確定，長度根據(jù)拱跨大小定，約束鋼繩應(yīng)采用整根鋼絲繩。當(dāng)結(jié)構(gòu)拱安裝至全拱跨的2/3時需鎖上第1道專用約束鋼繩，控制其向外變形，約束鋼繩鎖點(diǎn)設(shè)置在長檁片的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)拱片與檁片交匯處，水平方向每6.5 m設(shè)置1根，到結(jié)構(gòu)全拱安裝近結(jié)束時須鎖上第2道約束鋼繩，其位置與第1道鋼繩上下對齊。

4.5.3 開合軌導(dǎo)梁安裝

在條形基礎(chǔ)面上彈出軌導(dǎo)梁的平面安裝軸線，按規(guī)定步驟安裝軌導(dǎo)梁，軌導(dǎo)梁由2根H型鋼平行組合組成，翼板對下平放在條形基礎(chǔ)面上，翼板與預(yù)埋在基礎(chǔ)上的連接鋼板焊接。軌導(dǎo)梁金屬材質(zhì)（Q345B），H型鋼高600 mm，翼板寬200 mm，2根H型鋼平行設(shè)置，腹板間距500 mm，翼板間距300 mm，工廠制作或現(xiàn)場加工，H型鋼外側(cè)腹板增設(shè)豎向鋼板加強(qiáng)，其間隔為1 000 mm，H型鋼內(nèi)側(cè)翼板下部增設(shè)縱向水平槽鋼控制條，翼板上部焊接軌導(dǎo)鋼板（65錳鋼），軌導(dǎo)梁安裝完畢后，對其表面應(yīng)做防銹處理。

弓式鋼結(jié)構(gòu)開合落地屋蓋兩側(cè)軌導(dǎo)梁安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行軌導(dǎo)平行度及平整度檢測驗(yàn)收。

4.6 驗(yàn)收

鋼結(jié)構(gòu)工程安裝完畢后，應(yīng)進(jìn)行項(xiàng)目內(nèi)部自檢查驗(yàn)收，合格后報項(xiàng)目總監(jiān)及建設(shè)單位，并準(zhǔn)備驗(yàn)收資料，按驗(yàn)收程序進(jìn)行驗(yàn)收。

5 質(zhì)量控制措施

1）安裝前，應(yīng)對施工管理人員、作業(yè)人員進(jìn)行有關(guān)業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提出有關(guān)要求，提高相關(guān)人員的安裝質(zhì)量意識。

2）施工前，應(yīng)編制鋼結(jié)構(gòu)施工專項(xiàng)方案，并按規(guī)定進(jìn)行技術(shù)交底。

3）預(yù)應(yīng)力弓式鋼結(jié)構(gòu)安裝，其質(zhì)量由桿件制作質(zhì)量和現(xiàn)場拼裝質(zhì)量組成，桿件質(zhì)量除工廠把關(guān)外，進(jìn)入施工現(xiàn)場應(yīng)按項(xiàng)目材料進(jìn)場要求進(jìn)行驗(yàn)收。

4）嚴(yán)格組織勞動力。弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)安裝施工，是一項(xiàng)施工技術(shù)含量較高的技術(shù)應(yīng)用性工作。專業(yè)工種多，技術(shù)要求高，所以作業(yè)人員的選擇尤為重要。首先要選擇一家完成過類似鋼結(jié)構(gòu)安裝的專業(yè)公司，現(xiàn)場組建若干個安裝小組，小組中要指定一位負(fù)責(zé)人（組長），整體結(jié)構(gòu)安裝時要確定一位指揮長。

6 效益分析

1）施工速度快。以背景工程為例，建筑面積為2 700 m2，主跨80 m，拱高26 m，采用預(yù)應(yīng)力弓式鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)，從正式開始到結(jié)構(gòu)安裝完成共10 d時間。如采用鋼結(jié)構(gòu)桁架安裝，同樣從開始到完成至少需要30 d時間，按此推理，預(yù)應(yīng)力弓式鋼結(jié)構(gòu)安裝可縮短工期20 d，按同樣每天投入勞動力50人，平均工價按200元計，則每天安裝人工費(fèi)為10 000元，機(jī)械費(fèi)為1 000元，間接費(fèi)為1650元，小計每天安裝費(fèi)用為12 650元。項(xiàng)目可減少安裝費(fèi)用12 650×20＝25.3萬元。

2）用鋼量少。按照工程預(yù)應(yīng)力弓式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工圖測算，用鋼量在45 kg/m2左右。如采用鋼結(jié)構(gòu)桁架安裝，則用鋼量在70 kg/m2左右。2種不同的結(jié)構(gòu)，其用鋼量相差25 kg/m2左右，按照當(dāng)前市場價，鋼材價格為4 500元/t，則差價為0.025×4 500=112.5元/m2，陽光廣場建筑面積為2 700 m2，項(xiàng)目可節(jié)約鋼材67.5 t，計30.38萬元。

3）無需搭設(shè)高空腳手架所帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益。按照大空間鋼結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)施工方法，需搭設(shè)滿堂腳手架或獨(dú)立支撐腳手架進(jìn)行安裝施工。采用本工法組織施工，整體鋼結(jié)構(gòu)安裝及提升均在近地面完成，無需高空腳手架，節(jié)省了腳手架費(fèi)用。按施工圖預(yù)算，建筑面積2 700 m2，建筑高度平均按20 m計，腳手架搭設(shè)費(fèi)平均按8元/m2計算，項(xiàng)目可節(jié)省腳手架搭設(shè)費(fèi)用2 700×20×8=43.2萬元。

4）綜合上述，本項(xiàng)目直接經(jīng)濟(jì)效益為98.88萬元。

7 結(jié)語

弓式建筑是采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)體系建造起來的拱式建筑物。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和安裝方法，使超大跨度的鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中變得容易實(shí)現(xiàn)，與其他空間鋼結(jié)構(gòu)建筑相比，具有結(jié)構(gòu)跨度大、施工速度快、建造成本低、質(zhì)量優(yōu)、安全度高、自重輕、裝拆簡便、可重復(fù)使用、安裝無需高空腳手架和大型起重設(shè)備等特點(diǎn)，且已取得國家多項(xiàng)發(fā)明專利，技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先，世界先進(jìn)。