鋼結(jié)構(gòu)景觀蘑菇樹整體施工技術(shù)

陳 穎

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

當(dāng)前，景觀建筑結(jié)構(gòu)造型日趨復(fù)雜奇特。此類異形構(gòu)筑物常選用鋼結(jié)構(gòu)，具有造型輕盈、用鋼量小、投影面積大、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜等特點(diǎn)。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建造技術(shù)因其措施用量大、建造過程復(fù)雜，將不再適用于該類輕型結(jié)構(gòu)。

本文以阿里巴巴景觀蘑菇樹安裝為背景，針對(duì)性地介紹了外總體施工階段現(xiàn)場(chǎng)拼裝、多機(jī)抬吊異形鋼結(jié)構(gòu)的整體安裝技術(shù)，旨在研究和總結(jié)一套輕型景觀鋼結(jié)構(gòu)建造工藝，也為類似工程提供參考依據(jù)[1-2]。

1 工程概況

阿里巴巴西溪園區(qū)項(xiàng)目（圖1）位于杭州市余杭區(qū)五常街道。項(xiàng)目主要為軟件生產(chǎn)用房及其非生產(chǎn)性配套用房，包括員工食堂、體育活動(dòng)用房、大報(bào)告廳等，地下2層，地上最高6層，建筑面積428 025 m2。在大樓北側(cè)入口前廣場(chǎng)上，設(shè)置8棵景觀鋼結(jié)構(gòu)蘑菇樹。

蘑菇樹分為大型（2棵）和中型（6棵）2種規(guī)格，其造型均成喇叭狀，根部呈六邊形，向上逐漸延伸擴(kuò)散成圓形頂棚。結(jié)構(gòu)由縱向主圓管、次圓管和橫向間隔約3 m布置的連接環(huán)以及末端折線形三角收邊梁組成（圖2）。大蘑菇樹安裝在結(jié)構(gòu)底板，露出地面高度12 m；中蘑菇樹安裝在地下室結(jié)構(gòu)頂板上。

圖1 阿里巴巴西溪園區(qū)項(xiàng)目效果圖

圖2 大型蘑菇樹模型示意

2 工程重難點(diǎn)分析

1）受到運(yùn)輸條件限制，異形結(jié)構(gòu)需散件運(yùn)輸，考慮到構(gòu)件截面較小時(shí)變形控制難度大，故在地面拼裝成組合構(gòu)件后安裝。為確保拼裝精度，將構(gòu)件倒置于地面拼裝。

2）組合構(gòu)件安裝時(shí)仍面臨變形大、就位困難、安裝質(zhì)量難以控制以及因需要大量臨時(shí)措施而造成的工期緊張等難題。為此，選擇采取整體拼裝、吊裝的施工方法。

3）蘑菇樹四周結(jié)構(gòu)頂板上有厚1.5 m景觀覆土，汽車吊在覆土上整體吊裝施工，使得地下室結(jié)構(gòu)承載力是否滿足要求成為施工重點(diǎn)。此外，汽車吊的合理選型也是重要因素之一。

3 施工技術(shù)路線

依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)考慮2種施工方案：一種是將蘑菇樹倒置整體拼裝、多機(jī)配合翻身后抬吊就位，另一種是搭設(shè)臨時(shí)支撐、分片安裝。

整體吊裝與常規(guī)分片安裝2種方案的比較情況如下：

1）整體吊裝需要多機(jī)抬吊，施工困難、同步控制難度大；而分片安裝吊裝簡(jiǎn)單，且可使用較小型的起重設(shè)備。

2）整體吊裝施工工期短；分片安裝構(gòu)件數(shù)量多，吊裝周期長(zhǎng)。

3）2種工藝均在拼裝胎架上進(jìn)行拼裝，整體吊裝由于結(jié)構(gòu)整體剛度較好，故變形小且較易控制；分片安裝需要搭設(shè)大量臨時(shí)支撐（圖3），吊裝過程中由于分片構(gòu)件柔性大，使得構(gòu)件之間變形控制難度大、安裝速度慢。

圖3 分片安裝時(shí)的臨時(shí)支撐設(shè)置示意

4）分片安裝后，仍需在下方搭設(shè)滿堂腳手架用于完成后續(xù)焊接和其他附屬結(jié)構(gòu)安裝，工序復(fù)雜，焊接質(zhì)量差。

綜合考慮上述因素，采取如下施工技術(shù)路線：

1）中型蘑菇樹由1臺(tái)50 t汽車吊進(jìn)行地面倒置整體拼裝，完成后由80 t與50 t汽車吊雙機(jī)完成構(gòu)件翻身、擱置及抬吊就位。

2）大型蘑菇樹下部17.8 t的樹干部分整體加工并用80 t汽車吊完成安裝，隨后27.8 t上部進(jìn)行地面倒置整體拼裝，完成后在50 t汽車吊輔助工況下，由2臺(tái)80 t汽車吊完成構(gòu)件翻身、擱置及抬吊就位。

4 施工計(jì)算分析

4.1 地基承載力計(jì)算分析

蘑菇樹安裝時(shí)需要將汽車吊停機(jī)于地下室頂板上，而頂板上有厚1.5 m覆土。因此，在結(jié)構(gòu)和覆土自重以及吊裝荷載共同作用下，地下室結(jié)構(gòu)承載能力不僅決定了起重機(jī)械的選擇，更是施工技術(shù)路線可行的關(guān)鍵。

首先，復(fù)核80 t汽車吊在開行狀態(tài)下，厚250 mm覆土樓板的抗彎承載力，之后對(duì)結(jié)構(gòu)主次梁、柱承載力均進(jìn)行承載力驗(yàn)算，確保滿足承載力需求（圖4）。

圖4 樓板x方向彎矩計(jì)算結(jié)果

其次，進(jìn)行定點(diǎn)吊裝承載力驗(yàn)算。在吊裝前，通過放線將汽車吊4個(gè)支腿定點(diǎn)于結(jié)構(gòu)主梁和立柱頂端。每個(gè)支腿下鋪設(shè)1 m×6 m的路基箱用于擴(kuò)散支腿集中荷載。分別復(fù)核結(jié)構(gòu)梁柱受力情況，確保滿足要求（圖5）。

圖5 主梁彎矩計(jì)算結(jié)果

4.2 吊裝計(jì)算分析

作為施工工藝的理論支撐，吊裝前對(duì)整體構(gòu)件進(jìn)行起吊、翻身、擱置、雙機(jī)抬吊安裝就位等吊裝全過程的分析計(jì)算，觀察其結(jié)構(gòu)變形及強(qiáng)度變化（圖6）。

圖6 大型蘑菇樹吊裝過程計(jì)算云圖

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，吊裝過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力均處于較小范圍，說明結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度及安全系數(shù)較高；部分過程變形較大，但均為自重作用下的彈性變形，而由于吊裝產(chǎn)生的牽拉變形均在允許范圍之內(nèi)。

5 整體安裝施工工藝

以大型蘑菇樹為例，整體安裝工藝如下：

1）施工前，在汽車吊開行路線鋪設(shè)鋼板；將吊裝位置主梁軸網(wǎng)放線到覆土地面，定點(diǎn)吊裝支腿支撐在結(jié)構(gòu)主梁上，下方鋪設(shè)路基箱，擴(kuò)散吊裝荷載。

2）根據(jù)蘑菇樹尺寸搭設(shè)胎架，胎架頂板開設(shè)圓管定位槽，便于后續(xù)安裝。構(gòu)件拼裝的同時(shí)將裝飾鋁板等附屬物一并安裝，減少后期施工內(nèi)容（圖7）。

圖7 地面拼裝

3）在拼裝的同時(shí)，用80 t汽車吊單機(jī)將下部樹干部分安裝就位。

4）拼裝完成后，開始進(jìn)行構(gòu)件翻身。首先將2臺(tái)80 t汽車吊吊點(diǎn)設(shè)置在主圓管與收邊梁節(jié)點(diǎn)位置，吊索具選用吊帶＋卸扣，便于綁扎和翻身動(dòng)作。雙機(jī)緩慢同步起吊，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)扒桿使得構(gòu)件始終沿2個(gè)著地點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，避免在地上拖行。著地點(diǎn)下方在拼裝前需鋪設(shè)鋼板，避免起吊過程中陷入覆土（圖8）。

圖8 構(gòu)件起吊

5）當(dāng)雙機(jī)起吊到一定高度后，使用登高車將50 t汽車吊吊索具與構(gòu)件根部吊耳連接。50 t汽車吊作為輔助設(shè)備，防止構(gòu)件在離地瞬間出現(xiàn)大幅擺動(dòng)和下墜。隨后在三機(jī)配合下，將構(gòu)件吊起橫置，后逐漸翻轉(zhuǎn)至正面朝上（圖9）。

6）構(gòu)件翻轉(zhuǎn)之后，在兩著地點(diǎn)下放置枕木，并通過80 t汽車吊控制構(gòu)件姿態(tài)緩慢下放，同時(shí)50 t汽車吊緩慢松鉤，逐漸將構(gòu)件根部下放至地面，著地位置放置枕木（圖10）。

圖9 50 t汽車吊輔助起吊

圖10 構(gòu)件擱置于地面

7）50 t汽車吊松鉤，隨后利用登高車將1臺(tái)80 t汽車吊吊點(diǎn)移至連接環(huán)與主圓管節(jié)點(diǎn)位置，另外1臺(tái)汽車吊保持80 kN豎向力，防止構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)。待移位并使汽車吊持力后，將另外1臺(tái)汽車吊吊點(diǎn)移位。該工況下構(gòu)件吊點(diǎn)為4點(diǎn)對(duì)稱布置。

8）吊點(diǎn)移位完成后，雙機(jī)將構(gòu)件緩緩扶正，隨后抬吊安裝就位。需要特別說明的是，連接位置圓管數(shù)量多、間距小，通常在外側(cè)設(shè)置臨時(shí)連接板的臨時(shí)固定方式難以實(shí)現(xiàn)。因此，在深化設(shè)計(jì)時(shí)此處臨時(shí)連接采用內(nèi)插式臨時(shí)連接板。這樣既能滿足臨時(shí)固定要求，同時(shí)在安裝時(shí)又能直接插入下方管徑內(nèi)，提高安裝精度和效率。

6 結(jié)語

異形鋼結(jié)構(gòu)蘑菇樹整體安裝施工工藝的關(guān)鍵在于構(gòu)件由拼裝到安裝姿態(tài)的調(diào)整過程，需要多臺(tái)起重機(jī)械相互配合，從而完成構(gòu)件姿態(tài)的控制、吊點(diǎn)的設(shè)置和幾次吊點(diǎn)位置的變換。過程中最大的安全風(fēng)險(xiǎn)在于構(gòu)件從水平橫置翻轉(zhuǎn)為向上傾斜的瞬間，此時(shí)由于受力方向的轉(zhuǎn)換，鋼絲繩與卸扣的連接處有重新拉緊的可能，而突然拉緊會(huì)讓構(gòu)件整體振動(dòng)。因此，需盡量通過雙機(jī)配合避免2個(gè)吊點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)該情況。

通過阿里巴巴西溪園區(qū)項(xiàng)目景觀鋼結(jié)構(gòu)蘑菇樹安裝的成功實(shí)踐，提煉和總結(jié)了異形鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝關(guān)鍵施工技術(shù)。整體拼裝后由多機(jī)配合調(diào)整構(gòu)件姿態(tài)，并經(jīng)過多次吊點(diǎn)的變換完成吊裝施工，避免臨時(shí)支撐等措施的使用，大大降低了施工難度，提高了安裝質(zhì)量和精度，且安全可控，實(shí)現(xiàn)了此類結(jié)構(gòu)的高效施工。