談型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)施工圖優(yōu)化設(shè)計

程 偉

(中鐵二局集團有限公司，四川 成都 610081)

1 概述

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)是鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種主要形式，又稱勁性混凝土結(jié)構(gòu)、包鋼混凝土結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，是結(jié)合了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點后發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)形式，由于其具有承載能力高、剛度大、耐火性好及抗震性能好等優(yōu)點，已越來越多的運用在各種大型建筑、高層、超高層建筑及抗震要求高的建筑中。

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在具有突出優(yōu)點的同時，也給施工提出了新要求，由于型鋼的存在，特別是在結(jié)構(gòu)的縱橫向節(jié)點，由于型鋼的影響導(dǎo)致鋼筋安裝密度較高，既有鋼筋與型鋼的沖突，也有鋼筋與鋼筋的沖突，既加大了鋼筋安裝的難度，也最終影響到混凝土的澆筑。保證鋼結(jié)構(gòu)工程、鋼筋工程的順利施工，保證施工質(zhì)量是型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)施工的難點。因此，在施工前需要對鋼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，主要以工廠加工可行、吊裝方便、施工時間短、現(xiàn)場焊接量少、施工質(zhì)量可控為原則，同時優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋工程施工順序，為保證現(xiàn)場有序施工打下基礎(chǔ)。優(yōu)化需要做到：

1)優(yōu)化過程中，提前考慮結(jié)構(gòu)部位的施工方法、施工難度，以及各專業(yè)之間的沖突，制定相應(yīng)措施。2)鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點做到構(gòu)造合理、安全可靠、易加工、方便安裝。3)保證鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋及鋼筋之間定位排布的正確性和施工順序的合理性，確?，F(xiàn)場施工順利。

2 詳解優(yōu)化設(shè)計要點

2.1 優(yōu)化流程

優(yōu)化流程：審圖→建?！罨O(shè)計→BIM模擬施工→優(yōu)化→審核→出圖。

優(yōu)化順序：節(jié)點設(shè)計→柱筋優(yōu)化→豎向連接板、加強板設(shè)計→梁筋優(yōu)化→橫向連接板、加強板設(shè)計，穿孔設(shè)計→吊裝耳板、連接耳板等設(shè)計。

2.2 優(yōu)化工作主要內(nèi)容

施工圖優(yōu)化是型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)施工的重要基礎(chǔ)工作之一，是在符合設(shè)計要求的前提下，結(jié)合現(xiàn)場實際和工廠加工能力、運輸能力，詳細計劃鋼構(gòu)件分區(qū)分段拼裝方式和安裝順序、焊接順序以及鋼筋穿筋順序的基礎(chǔ)上進行。由于柱、梁鋼筋穿過型鋼梁是相互交錯的，在施工前應(yīng)全面考慮梁、柱鋼筋穿過型鋼梁時的方式和先后順序，特別是梁柱節(jié)點部位，應(yīng)利用BIM技術(shù)進行施工模擬驗證，便于有序組織，提高工效。

優(yōu)化工作包括：

1)繪制梁柱節(jié)點大樣圖。繪制柱拼接、梁拼接節(jié)點大樣圖。2)利用BIM技術(shù)，優(yōu)化柱鋼筋和型鋼、梁鋼筋與型鋼柱的定位排布，同時合理編排焊接順序和穿筋順序。3)繪制柱或梁縱向鋼筋穿過型鋼梁翼緣或腹板穿孔及補強的節(jié)點大樣圖。4)繪制鋼梁內(nèi)肢箍及次梁箍筋與型鋼梁相交時需穿孔的布置圖和大樣圖。5)繪制牛腿、加勁板、連接板、耳板、栓釘定位及大樣圖。6)繪制機電管線穿型鋼梁預(yù)留孔洞大樣圖。繪制混凝土澆筑時需要的灌漿孔、排氣孔、排水孔布置圖和大樣圖。

2.3 優(yōu)化要點

2.3.1梁柱節(jié)點優(yōu)化

型鋼柱、梁在滿足設(shè)計受力要求下，根據(jù)吊裝能力和運輸能力，結(jié)合工廠制造加工能力，優(yōu)化梁柱節(jié)點設(shè)計，優(yōu)化型鋼柱、梁拼接方式、拼接位置。

首先需要先確定型鋼框架的安裝單元。應(yīng)綜合考慮加工、運輸和現(xiàn)場起重設(shè)備能力，本著方便實施、減少現(xiàn)場作業(yè)量的原則進行。柱安裝單元宜為三層一根，考慮現(xiàn)場吊裝能力以及作業(yè)環(huán)境等因素也可為一層、兩層或四層一根。梁的安裝單元為每跨一根。

其次確定拼接方式?？蚣苤c梁的連接宜采用柱貫通型，梁柱節(jié)點連接一般采用焊接或栓焊混合連接。梁的上、下翼緣用坡口全熔透焊縫與柱翼緣連接,腹板用摩擦型高強度螺栓與柱翼緣上的剪力板連接,在梁翼緣板對應(yīng)的柱的位置，應(yīng)設(shè)置水平加勁肋，如圖1所示。柱在工地拼接時，宜采用全熔透焊縫連接。柱接頭應(yīng)位于框架節(jié)點塑性區(qū)以外,考慮焊接作業(yè)方便，一般宜在框架梁上方1.0 m～1.3 m。梁接頭應(yīng)位于框架節(jié)點塑性區(qū)以外。

2.3.2鋼筋優(yōu)化

型鋼柱需根據(jù)與之相連的型鋼梁截面尺寸、配筋及柱主筋位置情況進行優(yōu)化，確定型鋼穿孔位置，以及牛腿、加勁板、連接板位置，排布鋼筋穿筋順序，考慮混凝土澆筑需要設(shè)置灌漿孔、排氣孔。確保型鋼現(xiàn)場安裝中柱、梁鋼筋能夠順利施工，不開孔、不擴孔、不返工，如圖2所示。

鋼筋與鋼構(gòu)件節(jié)點部位處理，一般采用鋼筋繞開法、穿孔法、連接件法及其組合法。當(dāng)采用鋼筋繞開法時，鋼筋應(yīng)按不小于1∶6角度折彎繞過型鋼。當(dāng)采用連接件法時，鋼筋下端宜采用套筒與型鋼連接，上端宜采用連接板連接，如圖3所示。焊接于型鋼上的鋼筋連接套筒，應(yīng)在對應(yīng)于鋼筋接頭位置的型鋼內(nèi)設(shè)置加勁肋，加勁肋應(yīng)正對連接套筒。

當(dāng)鋼筋與型鋼采用連接板焊接時，宜采用雙面焊。當(dāng)不能采用雙面焊時，方可采用單面焊。雙面焊搭接長度不應(yīng)小于5d，單面焊搭接長度不應(yīng)小于10d，見圖4。

2.4 優(yōu)化注意點

1)合理排布型鋼混凝土柱中縱向主筋的位置，避開鋼梁的翼緣板，并在施工過程中對鋼筋和型鋼進行精準的定位。如無法避開型鋼翼緣，則應(yīng)對預(yù)留孔進行承載力驗算，若不滿足，則應(yīng)補強。柱內(nèi)豎向鋼筋凈距不宜小于50 mm，且不宜大于200 mm；豎向鋼筋與型鋼的最小凈距不應(yīng)小于30 mm。

2)根據(jù)梁筋的位置，確定型鋼腹板打孔位置。梁主筋與型鋼柱相交時，應(yīng)有不小于50%的主筋通長設(shè)置。當(dāng)必須在柱內(nèi)型鋼腹板上預(yù)留貫穿孔時，型鋼腹板截面損失率宜小于腹板面積的25%，見圖5。

3)根據(jù)梁柱節(jié)點處柱箍筋的間距、直徑，在鋼梁腹板上留置節(jié)點箍筋穿筋孔。也可考慮腹板上預(yù)焊胡子筋，在現(xiàn)場箍筋與之焊接。

2.5 BIM模擬施工技術(shù)

BIM模擬施工技術(shù)，一是快速、準確地檢驗優(yōu)化設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋、鋼筋與鋼筋是否沖突，間距是否滿足規(guī)范要求，鋼結(jié)構(gòu)加強部分是否影響鋼筋施工；二是檢驗施工順序是否合理，避免相互干擾降低工效，甚至影響施工質(zhì)量；三是實現(xiàn)三維動畫可視化技術(shù)交底，提高交底效果。

1)檢驗方法：利用BIM技術(shù)中的軟碰撞方法檢查鋼筋間距、鋼筋與鋼構(gòu)件間距是否滿足設(shè)計要求、規(guī)范要求。

2)檢驗流程：確定鋼構(gòu)件、鋼筋、預(yù)留孔洞的規(guī)格尺寸、位置、空間關(guān)系等各項參數(shù)→預(yù)設(shè)施工順序→利用Tekla鋼結(jié)構(gòu)建模軟件建立三維模型→模擬施工→碰撞檢查→輸出報告→修改調(diào)整→重復(fù)前述步驟，得出最優(yōu)方案。

3 工程實例

貴陽花果園R1區(qū)7號樓(逸林酒店)位于貴陽市南明區(qū)，該建筑總建筑面積12.566萬m2，地下室4層，地上50層，結(jié)構(gòu)高度226.05 m，采用框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系。外圍框支柱采用鋼管疊合柱和H型鋼混凝土柱(至F11)，核心筒采用十字型鋼混凝土暗柱和H型鋼混凝土暗柱(至F7)。轉(zhuǎn)換層四角為斜交轉(zhuǎn)換柱，柱截面尺寸為1.4 m×1.6 m，內(nèi)置600×800 H型鋼，翼緣及腹板厚35 mm，材質(zhì)為Q390GJ-B鋼材。

本工程的施工難點之一，即斜交轉(zhuǎn)換柱的加工制作、現(xiàn)場施工以及與鋼筋、模板、混凝土施工的協(xié)調(diào)配合。通過對鋼結(jié)構(gòu)部分進行深化設(shè)計，同時運用BIM模擬施工技術(shù)對施工進行模擬，按照鋼筋大小、定位、間距對斜交轉(zhuǎn)換柱鋼筋放樣，在模型中根據(jù)碰撞情況對受到鋼柱、鋼梁、加腋鋼結(jié)構(gòu)等影響的鋼筋進行優(yōu)化。通過模擬發(fā)現(xiàn)，斜交轉(zhuǎn)換柱起始位置與鋼管疊合柱相交，其配筋按照各自縱筋及箍筋配筋，箍筋相互影響，焊接量大，且質(zhì)量難以控制，混凝土澆搗過程中不易澆筑密實，容易產(chǎn)生蜂窩、麻面、露筋。經(jīng)與設(shè)計單位溝通，更改為水平大箍筋，包裹斜柱和立柱型鋼。通過優(yōu)化，確保了鋼筋安裝和混凝土澆筑質(zhì)量，同時理順了施工順序，提高了工效，順利的完成了施工任務(wù)。

轉(zhuǎn)換層斜交轉(zhuǎn)換柱角柱大樣見圖6，箱型柱與斜交柱三維放大圖見圖7。

4 結(jié)語

型鋼優(yōu)化設(shè)計階段是型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)施工的重要階段，其工作質(zhì)量直接影響到結(jié)構(gòu)安全、施工質(zhì)量和施工組織的有序性，對工程施工質(zhì)量、安全、成本、工期影響深遠，需要高度重視，采用BIM技術(shù)模擬施工能夠有效提高優(yōu)化設(shè)計質(zhì)量，促進現(xiàn)場有序施工，提高工效，保證質(zhì)量。