超大型多曲面空間室內(nèi)植物園鋼結(jié)構(gòu)穹頂殼罩施工技術(shù)

王 濤，趙云鵬，袁 淵，黃 凱，苗 苗，任運(yùn)豪，劉 帥

(中建三局集團(tuán)有限公司成都分公司，四川 成都 610041)

1 工程概況

隨著建筑業(yè)的飛速發(fā)展，人與自然完美結(jié)合的設(shè)計(jì)理念得到推廣，越來(lái)越多建筑物內(nèi)設(shè)計(jì)有超大型鋼結(jié)構(gòu)多曲面空間室內(nèi)植物園，但室內(nèi)場(chǎng)地有限，植物園造型復(fù)雜，傳統(tǒng)的高空散拼法已不能滿足當(dāng)前社會(huì)對(duì)成本、進(jìn)度、質(zhì)量和安全的要求。

重慶市兩江新區(qū)約克北郡三期總承包工程超大型室內(nèi)植物園修建于核心商圈超大型城市綜合體工程內(nèi)部，植物園整體為異形曲面空間穹頂構(gòu)造，長(zhǎng)80m、寬38m、高49m，由26個(gè)排拱組成。該室內(nèi)植物園從地下1層跨越至裙樓屋面，造型復(fù)雜，立體空間約11萬(wàn)m3，如圖1所示。本文依托該項(xiàng)目對(duì)傳統(tǒng)施工工藝進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，解決超大型多曲面空間室內(nèi)植物園鋼結(jié)構(gòu)穹頂殼罩的施工難題。

圖1 重慶約克北郡三期室內(nèi)植物園效果

2 施工工藝比選

超大型多曲面空間室內(nèi)植物園鋼結(jié)構(gòu)穹頂殼罩多采用搭設(shè)滿堂支撐架后高空散拼的施工方法，但室內(nèi)植物園由多個(gè)曲面疊合而成，且內(nèi)部空間巨大，施工時(shí)需搭設(shè)大空間的超高滿堂架支撐體系，安全性面臨重大考驗(yàn)；鋼結(jié)構(gòu)高空散拼，多曲面原設(shè)計(jì)造型及鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量難以保證，施工人員長(zhǎng)時(shí)間高空作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)高，作業(yè)效率低，整體施工進(jìn)度難以保證，大型機(jī)械設(shè)備及架體材料長(zhǎng)時(shí)間占用成本高。

綜上所述，本工程采取地面原位拼裝，減少高空作業(yè)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)；用拼裝胎架及提升架代替滿堂架，節(jié)約工程成本；運(yùn)用BIM技術(shù)輔助鋼結(jié)構(gòu)施工，保證工程質(zhì)量；運(yùn)用液壓整體提升技術(shù)快速高效地完成植物園鋼結(jié)構(gòu)穹頂殼罩就位拼裝，可有效解決超大型多曲面空間室內(nèi)植物園鋼結(jié)構(gòu)穹頂殼罩的施工難題。

3 鋼結(jié)構(gòu)穹頂殼罩施工

3.1 施工工藝

鋼結(jié)構(gòu)穹頂殼罩施工工藝為：殼罩深化設(shè)計(jì)→支撐胎架及提升架深化設(shè)計(jì)→施工模擬分析→構(gòu)件生產(chǎn)加工及運(yùn)輸→測(cè)量放樣→胎架及提升架安裝→鋼結(jié)構(gòu)殼罩預(yù)拼裝→液壓提升設(shè)備安裝調(diào)試→鋼結(jié)構(gòu)殼罩液壓提升→殼罩周邊剩余構(gòu)件散拼安裝→鋼結(jié)構(gòu)殼罩高空卸載→支撐胎架及提升架拆除。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)殼罩深化設(shè)計(jì)

根據(jù)施工圖，應(yīng)用Tekla Structures軟件創(chuàng)建BIM模型，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)詳圖及智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。根據(jù)施工圖提供的構(gòu)件布置、截面、主要節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及相關(guān)數(shù)據(jù)和技術(shù)要求，嚴(yán)格遵守鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和圖紙的規(guī)定，完善構(gòu)件構(gòu)造，深化三維模型，直接展示復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，判斷深化設(shè)計(jì)是否合理，如圖2所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)殼罩BIM模型深化

對(duì)于有交叉的土建、機(jī)電等專業(yè)，利用BIM技術(shù)可視化特點(diǎn)，對(duì)各專業(yè)模型進(jìn)行碰撞檢查，優(yōu)化專業(yè)間連接，尤其是復(fù)雜的型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)。為確保結(jié)構(gòu)安全，避免鋼筋無(wú)法穿過(guò)型鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)隨意開孔，對(duì)型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)的鋼筋進(jìn)行BIM放樣(見圖3)，提前在鋼骨上設(shè)置連接板、孔眼，預(yù)留洞口，做好加固及施工措施，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)及返工，保證結(jié)構(gòu)安全，提高工程質(zhì)量。

圖3 型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)BIM深化

3.3 支撐胎架及提升架深化設(shè)計(jì)

3.3.1支撐胎架深化設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)穹頂提升單元采用投影原位拼裝，在設(shè)計(jì)固定點(diǎn)位布置支撐胎架。支撐胎架由H型鋼及圓管拼裝而成。本工程中間部位支撐胎架采用φ326×6圓管，兩邊采用φ219×6圓管，設(shè)置φ140×4圓鋼作為橫桿和斜撐，底部采用H400×200×8×13作為底梁，制作簡(jiǎn)單且支撐效果良好，如圖4所示。由于本結(jié)構(gòu)為曲面結(jié)構(gòu)，為避免拼裝后、提升前結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形，在拼裝完成后沿主龍骨拉緊鋼絲繩進(jìn)行提升，待罩棚結(jié)構(gòu)施工完成后拆除鋼絲繩。

圖4 拼裝支撐胎架

3.3.2提升架深化設(shè)計(jì)

由于室內(nèi)植物園鋼結(jié)構(gòu)豎向空間較大，且一般設(shè)計(jì)在建筑物旁，周邊無(wú)直接提升點(diǎn)位，故需設(shè)計(jì)超高提升架。根據(jù)受力計(jì)算，定制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行拼裝組合，該支撐體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、支撐強(qiáng)度大、安全性高、可周轉(zhuǎn)、成本低。定制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)尺寸為1.7m×1.7m×3.0m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)豎桿為φ140×4，斜撐和直撐均為∟50×5，材質(zhì)為Q235B。提升架如圖5所示，分配大梁和分配小梁均為HW350×175×7×11，提升大梁為HN700×300×13×24，材質(zhì)為Q235。提升梁與提升塔架采用焊接連接；提升塔架較高，為提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在塔架頂部通過(guò)桁架將提升門架內(nèi)側(cè)兩兩相連，并分別在塔架頂部拉設(shè)纜風(fēng)繩與兩側(cè)結(jié)構(gòu)相連，提升架布置如圖6所示。

圖5 提升架構(gòu)造

圖6 提升架布置

3.4 施工模擬分析

3.4.1受力分析

將BIM模型導(dǎo)入有限元軟件SAP2000中，微調(diào)模型后，根據(jù)整體提升方案，對(duì)各工況下桿件、受力體系進(jìn)行有限元受力分析，驗(yàn)算提升段穹頂鋼結(jié)構(gòu)、提升架、提升架樓板、拼裝胎架及樓板受力，驗(yàn)證整體提升的安全性。根據(jù)分析結(jié)果可知，提升段穹頂鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比均<0.9，位移和應(yīng)力值均滿足規(guī)范要求；設(shè)計(jì)的提升架和纜風(fēng)繩變形及受力滿足要求；原樓板結(jié)構(gòu)承載力滿足要求；設(shè)計(jì)的拼裝胎架位移及應(yīng)力滿足要求。

3.4.2BIM施工模擬

運(yùn)用BIM技術(shù)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體提升進(jìn)行全過(guò)程施工模擬(安裝豎向第1段主龍骨→安裝豎向中間段龍骨→豎向龍骨安裝完成→搭設(shè)拼裝胎架→提升段拼裝→提升段拼裝完成→搭設(shè)提升架→提升段提升→提升及補(bǔ)桿完成)，論證提升方案的合理性、可行性，并將BIM施工模擬用于現(xiàn)場(chǎng)交底，立體直觀地將整個(gè)施工過(guò)程及注意事項(xiàng)展現(xiàn)出來(lái)，加深現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)施工方案的理解，確保整體提升的安全性和安裝的施工質(zhì)量。

3.5 構(gòu)件生產(chǎn)加工及運(yùn)輸

將深化完成的鋼結(jié)構(gòu)BIM模型出圖轉(zhuǎn)為機(jī)床加工數(shù)據(jù)，采用工廠化預(yù)制加工，可有效節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)加工場(chǎng)地、縮短施工周期、降低施工難度。成品構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)組裝。

3.6 測(cè)量放樣

為保證測(cè)量精度，按工期進(jìn)度要求做好施工測(cè)量，平面控制網(wǎng)按“先整體后局部，高精度控制低精度，長(zhǎng)邊、長(zhǎng)方向控制短方向、短邊”的原則，分三級(jí)布設(shè)。復(fù)核業(yè)主提供的基坑周邊控制點(diǎn)，作為二級(jí)控制網(wǎng)的建立依據(jù)，對(duì)施工過(guò)程中的地腳螺栓、鋼柱安裝及構(gòu)件拼裝定位進(jìn)行精確測(cè)量。

3.7 支撐胎架及提升架安裝

根據(jù)深化設(shè)計(jì)圖紙，現(xiàn)場(chǎng)安裝拼裝支撐胎架及提升架，首先安裝拼裝胎架，提升段鋼結(jié)構(gòu)組裝完成前，提升胎架僅安裝至凸出提升段鋼結(jié)構(gòu)頂部。地面拼裝即將完成時(shí)，將提升架安裝至頂，并及時(shí)設(shè)置內(nèi)外提升架間的頂部片式桁架、附墻件、纜風(fēng)繩。

3.8 鋼結(jié)構(gòu)殼罩預(yù)拼裝

拼裝胎架完成后，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)殼罩進(jìn)行地面拼裝，如圖7所示。拼裝過(guò)程中應(yīng)及時(shí)檢查彎曲構(gòu)件與胎架接觸面的間隙尺寸，用2臺(tái)全站儀測(cè)量凸緣和兩端口的空間坐標(biāo)，與深化設(shè)計(jì)提供的坐標(biāo)數(shù)據(jù)作比較，得出彎曲構(gòu)件組裝焊接后的實(shí)際變形情況，用火焰對(duì)超差處進(jìn)行局部校正，確保各點(diǎn)坐標(biāo)誤差在2.0mm以內(nèi)。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)殼罩預(yù)拼裝

3.9 液壓提升設(shè)備安裝調(diào)試

提升架全部拼裝完成后，安裝液壓提升設(shè)備，布置液壓泵源系統(tǒng)，對(duì)液壓泵站、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)情況、油管連接情況、錨具、鋼絞線及提升系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查調(diào)試。

3.10 鋼結(jié)構(gòu)殼罩液壓提升

1)提升分級(jí)加載 以計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的各提升吊點(diǎn)反力值為依據(jù)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行分級(jí)加載(試提升)，各吊點(diǎn)外的液壓提升系統(tǒng)伸缸壓力應(yīng)緩慢分級(jí)增加，依次為20%，40%，60%，80%；確認(rèn)各部分無(wú)異常后，可繼續(xù)加載至90%，95%，100%，直至鋼結(jié)構(gòu)全部脫離拼裝胎架。

分級(jí)加載至結(jié)構(gòu)即將離開拼裝胎架時(shí)，可能存在各點(diǎn)不同時(shí)離地，此時(shí)應(yīng)降低提升速度，并密切觀察各點(diǎn)離地情況，必要時(shí)做“單點(diǎn)動(dòng)”提升，確保鋼結(jié)構(gòu)各點(diǎn)同步、平穩(wěn)離地。

2)結(jié)構(gòu)離地檢查 結(jié)構(gòu)單元離開拼裝胎架約100mm后，利用液壓提升系統(tǒng)設(shè)備鎖定，空中停留12h以上做全面檢查(包括吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)、承重體系和提升設(shè)備等)，并將檢查結(jié)果以書面形式報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)總指揮部，確定各項(xiàng)檢查正常無(wú)誤后進(jìn)行正式提升。

3)提升過(guò)程監(jiān)測(cè) 提升過(guò)程中，隨時(shí)監(jiān)測(cè)提升塔架位移、玻璃罩結(jié)構(gòu)位移及玻璃罩就位情況。玻璃罩整體水平、豎向位移變形應(yīng)≤50mm，塔架頂部水平向變形應(yīng)≤100mm，提升塔架下沉變形應(yīng)≤50mm。

使用經(jīng)緯儀監(jiān)測(cè)提升塔架水平向偏移，南北向觀測(cè)點(diǎn)各布置1臺(tái)；布置1臺(tái)全站儀用于觀測(cè)玻璃罩的水平、豎向位移及就位情況；使用自動(dòng)呼叫器監(jiān)測(cè)提升塔架的下?lián)?。某?xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出限值時(shí)，由液壓提升系統(tǒng)監(jiān)控人員控制提升，調(diào)節(jié)各點(diǎn)位受力及提升速率，以確保玻璃罩提升過(guò)程中水平及豎向位移在控制范圍內(nèi)。如遇緊急情況，須停機(jī)檢查，處理完畢后方可繼續(xù)。

4)整體同步提升(見圖8) 以調(diào)整后各吊點(diǎn)高度為新的起始位置，復(fù)位位移傳感器。在結(jié)構(gòu)整體提升過(guò)程中，保持該姿態(tài)直至提升到設(shè)計(jì)標(biāo)高附近。

圖8 鋼結(jié)構(gòu)殼罩液壓提升

5)BIM放線機(jī)器人輔助提升過(guò)程微調(diào) 結(jié)構(gòu)在提升及下降過(guò)程中，因空中姿態(tài)調(diào)整和桿件對(duì)口等需進(jìn)行高度微調(diào)。為快速反饋現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，利用BIM放線機(jī)器人自動(dòng)追蹤功能，對(duì)就位后的鋼結(jié)構(gòu)殼罩進(jìn)行多曲面精確校核，為驗(yàn)證提升結(jié)構(gòu)是否存在誤差?？砂词植旧稀芭Ｑ邸贝翱诘娘@示信息，確定現(xiàn)場(chǎng)固定點(diǎn)位誤差，根據(jù)誤差數(shù)據(jù)引導(dǎo)鋼構(gòu)件移動(dòng)，直至偏差量符合限差要求，即完成BIM放樣校核操作。

3.11 殼罩周邊剩余構(gòu)件散拼安裝

穹頂殼罩鋼結(jié)構(gòu)整體提升就位完成后，進(jìn)行提升段周邊剩余構(gòu)件散拼安裝，先安裝穹頂整體提升部分剩余主龍骨，再?gòu)闹虚g向兩端同時(shí)安裝待提升部分主龍骨，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖9所示。

圖9 殼罩周邊剩余構(gòu)件散拼安裝

3.12 鋼結(jié)構(gòu)殼罩高空卸載及胎架拆除

對(duì)口桿件全部焊接完成后進(jìn)行卸載。以計(jì)算的提升荷載為基準(zhǔn)，所有吊點(diǎn)同時(shí)下降卸載10%。

卸載過(guò)程中需密切監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的壓力和位移值，一旦某些吊點(diǎn)載荷超過(guò)卸載前載荷的10%，或吊點(diǎn)位移不同步達(dá)10mm，應(yīng)立即停止其他點(diǎn)卸載，單獨(dú)卸載異常點(diǎn)。依次循環(huán)，直至鋼絞線徹底松弛。卸載完成后，利用塔式起重機(jī)從上至下依次拆除液壓提升器、提升架、纜風(fēng)繩、連墻件，高空構(gòu)件拆除后，拆除拼接胎架。

4 結(jié)語(yǔ)

在大型城市綜合體項(xiàng)目中施工超大型多曲面空間室內(nèi)植物園鋼結(jié)構(gòu)，具有場(chǎng)地狹窄、工期緊、安全要求高等特點(diǎn)。結(jié)合BIM技術(shù)的異形多曲面鋼結(jié)構(gòu)穹頂殼罩整體提升技術(shù)，適用于大型城市綜合體項(xiàng)目中的室內(nèi)植物園鋼結(jié)構(gòu)施工，可為類似工程施工提供參考。