基于BIM超高層密集布筋區(qū)埋入式型鋼混凝土柱腳施工技術(shù)

林秉耿 施家暉 聶園園

中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有承載力大、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，與鋼結(jié)構(gòu)相比，具有防火性能好、結(jié)構(gòu)局部和整體穩(wěn)定性好、節(jié)省鋼材等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于超高層建筑結(jié)構(gòu)體系中。型鋼柱腳是超高層建筑上部主體結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接的重要組成部分，柱腳的施工質(zhì)量直接影響上部整體鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，對工程整體質(zhì)量及創(chuàng)優(yōu)工作具有重要意義[1-3]。

1 工程概況

漳州市某超高層項(xiàng)目位于漳州市臺商投資區(qū)濱湖路與角美大道交叉口，工程占地面積約23 000 m2，總建筑面積22萬 m2，共7個單體，是集辦公、商業(yè)等多種配套功能于一體的商業(yè)綜合體，建成后將成為漳州新“地標(biāo)”典范，7個單體均設(shè)計(jì)有埋入式型鋼混凝土柱腳。

典型超高層單體總高度210 m，總建筑面積8.9萬 m2，由1幢43層挑高超高層及3層地下室組成。該塔樓結(jié)構(gòu)體系為型鋼混凝土框架-核心筒體系，外框柱及核心筒型鋼柱腳形式均為埋入式型鋼柱腳，型鋼柱埋設(shè)在承臺面下0.8～1.3 m，懸空支撐，共45根鋼柱。單根型鋼柱腳的翼板、腹板與承臺、地梁、底板筋交叉點(diǎn)數(shù)達(dá)30多處，所有型鋼柱腳與鋼筋交叉連接點(diǎn)數(shù)達(dá)1 000多處，節(jié)點(diǎn)交叉區(qū)鋼筋密集（圖1、圖2）。本文結(jié)合該項(xiàng)目典型超高層單體密集布筋區(qū)埋入式型鋼混凝土柱腳的施工，總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)，將為此類型鋼混凝土柱腳組合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

圖1 典型埋入式型鋼柱腳承臺剖面

圖2 埋入式型鋼柱腳模擬

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方案1：分2次澆筑

承臺底筋綁扎完畢后進(jìn)行首次混凝土澆筑，澆筑至型鋼柱腳底標(biāo)高（即型鋼柱腳埋入承臺面下0.8～1.3 m標(biāo)高處），待混凝土強(qiáng)度達(dá)到安裝條件并處理完施工縫后，吊裝型鋼柱腳，隨后澆筑剩余部分混凝土至承臺面標(biāo)高。

1）能完成承臺施工，但無法保證承臺的整體性。

2）承臺2次澆筑，增加施工縫處鑿毛深3 cm、寬5 cm企口處理和長10 cm、φ12 mm@150 mm鋼筋補(bǔ)強(qiáng)，額外增加鋼筋材料費(fèi)用和鑿毛、清理費(fèi)用，并存在滲漏隱患。

3）工序煩瑣，增加2道多余工序，且銜接周期較長（第1次澆筑混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可吊裝型鋼柱腳），工期增加。

4）精準(zhǔn)定位，保證型鋼柱腳安裝一次成形合格率。

2.2 試驗(yàn)方案2：一次性澆筑后，安裝型鋼柱腳

待承臺鋼筋綁扎完畢預(yù)埋地腳螺栓后，一次性澆筑完成承臺底板混凝土，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，吊裝已抬高標(biāo)高的型鋼柱腳。

1）精準(zhǔn)定位，保證型鋼柱腳安裝一次成形合格率。

2）承臺一次性澆筑，減少人工及機(jī)械投入成本。

3）減少2道工序，節(jié)約工期。

4）型鋼柱腳未錨入承臺，設(shè)計(jì)驗(yàn)算無法通過，無法滿足設(shè)計(jì)驗(yàn)算的超高層底部抗剪受力要求，加強(qiáng)方式須整體加大型鋼柱截面，成本增加巨大，不合理。

2.3 試驗(yàn)方案3：安裝型鋼柱腳和支架后，一次性澆筑

待承臺底筋綁扎完畢后預(yù)埋柱腳支架，隨后安裝型鋼柱腳并綁扎剩余鋼筋，整體一次性澆筑承臺底板混凝土。

1）根據(jù)圖紙要求，既能完成承臺施工，又能保證承臺的整體性。

2）承臺一次性澆筑，減少2道工序時間，增加預(yù)埋螺栓支架施工時間，總體縮短工期。

3）增加型鋼柱腳螺栓支架額外支出費(fèi)用，但相較工期減少的人工及機(jī)械投入成本，效益仍較為明顯。

4）型鋼柱腳螺栓支架的設(shè)計(jì)與預(yù)埋精準(zhǔn)度要求高。

2.4 試驗(yàn)對比分析

針對以上3個試驗(yàn)方案，分別從滿足施工要求、工期、經(jīng)濟(jì)合理性等方面進(jìn)行綜合對比分析，見表1。

從表1可確定采用試驗(yàn)方案3，即安裝型鋼柱腳后，一次性澆筑的方式。

表1 試驗(yàn)對比分析

3 施工工藝流程

地腳螺栓支撐體系放線定位→支撐體系設(shè)計(jì)和施工→地腳螺栓支撐體系懸空支撐固定→型鋼柱腳深化設(shè)計(jì)和BIM建?！弯撝_吊裝固定→密集布筋區(qū)節(jié)點(diǎn)連接施工→底板承臺一次性澆筑

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 地腳螺栓支撐體系放線定位

樁頭鑿除清理，使樁頂平整，調(diào)直樁頭鋼筋后進(jìn)行地腳螺栓支撐體系放線，插入底板、承臺底筋的綁扎。

4.2 地腳螺栓支撐體系的設(shè)計(jì)和施工

4.2.1 支撐體系設(shè)計(jì)

支撐體系主要將上部鋼柱自重荷載傳遞至下部工程樁。選型及布置既要滿足支撐型鋼柱強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，又要根據(jù)底板鋼筋排布調(diào)整優(yōu)化，減少支撐體系對底板鋼筋排布施工的影響。根據(jù)承臺底板厚度、型鋼柱腳埋入深度和樁頭設(shè)計(jì)標(biāo)高確定支撐體系高度，采用CAD進(jìn)行3D繪圖、BIM建模1∶1模擬設(shè)計(jì)支撐體系的材質(zhì)、尺寸以及支撐加固（圖3）。在確保支撐體系穩(wěn)定、可靠的前提下，綜合成本因素，優(yōu)化選擇鋼材支架，使制作加工容易、施工操作高效便捷、成本經(jīng)濟(jì)合理，最終通過Midas軟件分析計(jì)算支架支撐受力情況，確保穩(wěn)固無問題（圖4）。

圖3 支撐體系BIM建模

圖4 支撐體系受力分析

4.2.2 地腳螺栓場外臨時定位

場外制作支架，用于臨時定位地腳螺栓。該支架采用方鋼焊接成方體形，尺寸可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際制作。采用上下2道定位鋼板固定地腳螺栓，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙調(diào)整好螺栓的垂直度、間距和水平度，最后采用φ12 mm鋼筋相互焊接固定，完成地腳螺栓場外臨時定位（圖5）。

圖5 地腳螺栓場外臨時定位

4.2.3 地腳螺栓場內(nèi)初步預(yù)埋安裝

場內(nèi)測放型鋼柱腳底的標(biāo)高于樁頭錨固筋上，采用鋼筋點(diǎn)焊成方形相互標(biāo)記（圖6），再在方形上測放出型鋼柱腳軸線，利用鋼絲連接成十字線（圖7），最后將場外臨時定位好的地腳螺栓和支架吊入承臺內(nèi)，完成地腳螺栓場內(nèi)初步預(yù)埋安裝。

圖6 樁頭錨固筋采用鋼筋點(diǎn)焊成方形

圖7 十字交叉線定位

4.3 地腳螺栓支撐體系懸空支撐固定

在支架腿上點(diǎn)焊鋼筋，提升地腳螺栓支撐體系，臨時托撐和架立地腳螺栓支撐體系，該托撐標(biāo)高也是地腳螺栓設(shè)計(jì)標(biāo)高，同時測放出地腳螺栓設(shè)計(jì)軸線，左右移動地腳螺栓支撐體系使地腳螺栓軸線與設(shè)計(jì)一致。調(diào)整完畢后，按照支撐體系設(shè)計(jì)建模的尺寸進(jìn)行加固，采用內(nèi)加三角撐、外打八字撐的方式，將地腳螺栓支撐體系懸空支撐固定（圖8）。確保穩(wěn)固后，再進(jìn)一步復(fù)核地腳螺栓的標(biāo)高和軸線，調(diào)整無誤且穩(wěn)固后，方可進(jìn)行第1節(jié)型鋼柱腳吊裝。

圖8 地腳螺栓懸空支撐固定

4.4 型鋼柱腳吊裝

4.4.1 型鋼柱腳深化設(shè)計(jì)和BIM應(yīng)用

型鋼柱腳吊裝前進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，與底板承臺面筋的連接方式通常有機(jī)械套筒、搭接板、型鋼柱身開設(shè)穿筋孔補(bǔ)強(qiáng)等。對于密集布筋區(qū)型鋼柱腳節(jié)點(diǎn)，連接點(diǎn)會同時存在2種或3種連接方式。上述3種連接方式技術(shù)特性對比分析見表2。

表2 不同連接方式技術(shù)特性對比分析

采用鋼結(jié)構(gòu)Tekla深化軟件對型鋼柱腳進(jìn)行深化，包括型鋼柱腳結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)連接的深化。節(jié)點(diǎn)連接深化即對底板鋼筋進(jìn)行BIM建模放樣，并模擬碰撞，找出底板面筋與型鋼柱腳交叉碰撞存在的較難施工問題。經(jīng)過與設(shè)計(jì)方溝通，優(yōu)化鋼筋排布，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)密集布筋區(qū)增大鋼筋直徑、減少鋼筋數(shù)量的等效代換，最終得到最為合理和最易實(shí)施的節(jié)點(diǎn)鋼筋連接效果（圖9）。

圖9 節(jié)點(diǎn)連接深化BIM建模放樣、模擬碰撞

型鋼柱腳與底板面筋交叉點(diǎn)位多，優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)連接方式分為以下3種：

1）地梁、底板面筋遇型鋼柱腳腹板部位：面筋設(shè)計(jì)2排筋時，采用設(shè)置搭接板連接的方式，第1排搭接板長度的設(shè)置大于雙面焊5d，可設(shè)置15 cm，第2排搭接板長度需設(shè)置大于30 cm，使上下2排面筋錯開分別焊接；面筋設(shè)計(jì)3排筋時，第1、第2排的處理方式一樣，采用搭接板連接，第3排則采用機(jī)械套筒連接，避免第3排再次設(shè)置搭接板，尺寸過長需設(shè)置大于45 cm，否則會碰撞型鋼外圍的柱墻插筋。

2）地梁、底板面筋遇型鋼柱腳翼板部位：采用機(jī)械套筒連接，避免翼板部位采用搭接板連接的方式，否則會碰撞型鋼外圍的柱墻插筋。

3）核心筒大筏板承臺面筋遇型鋼柱腳部位：面筋設(shè)計(jì)為通長筋，遇型鋼腹板部位采用穿筋補(bǔ)強(qiáng)的方式，遇型鋼翼板部位可采用局部加大鋼筋間距以避開翼板的方式。面筋設(shè)計(jì)為非通長筋，可采用上述2種組合連接的方式。

4.4.2 型鋼柱腳加工制作

嚴(yán)格按照深化設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行型鋼柱腳的結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)焊接的連接件等加工制作，同時進(jìn)行相應(yīng)規(guī)范檢測試驗(yàn)，確保質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

4.4.3 型鋼柱腳吊裝固定

構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場，組織材料進(jìn)場驗(yàn)收，同時規(guī)范送檢流程，控制鋼材進(jìn)場復(fù)驗(yàn)，保證材料進(jìn)場質(zhì)量。

各項(xiàng)工作完成無誤后，利用塔吊等吊裝設(shè)備進(jìn)行第1節(jié)埋入式型鋼柱腳的吊裝固定（圖10），吊裝過程利用全站儀實(shí)時復(fù)核地腳螺栓軸線，利用水準(zhǔn)儀和水平靠尺實(shí)時復(fù)核型鋼柱腳標(biāo)高及垂直度（圖11），實(shí)時調(diào)整校正，保證型鋼柱腳吊裝質(zhì)量。

圖10 第1節(jié)型鋼柱腳吊裝

圖11 水平靠尺測量垂直度

4.5 密集布筋區(qū)節(jié)點(diǎn)連接施工

完成型鋼柱腳吊裝后，進(jìn)行底板承臺、地梁等分布筋與面筋安裝。型鋼柱腳與底板承臺面筋、地梁鋼筋等節(jié)點(diǎn)連接按照深化設(shè)計(jì)內(nèi)容，采用機(jī)械套筒、搭接板、穿筋補(bǔ)強(qiáng)板這3種處理方式。

獨(dú)立承臺部位：底板承臺面筋、地梁鋼筋遇型鋼柱腹板部位采用主要搭接板（圖12）、次要機(jī)械套筒連接的方式（圖13），翼板均采用機(jī)械套筒連接的方式。

圖12 鋼筋搭接板連接

圖13 鋼筋機(jī)械套筒連接

核心筒大筏板承臺部位：承臺設(shè)計(jì)通長面筋，遇型鋼柱腳腹板位置采用穿筋補(bǔ)強(qiáng)的方式，保證通長面筋貫通不斷開（圖14）；遇型鋼柱腳翼板部位采用局部加大面筋間距以避開處理的方式（圖15）。

圖14 柱身腹板穿筋補(bǔ)強(qiáng)

圖15 避開柱身翼板綁扎鋼筋

4.6 底板承臺一次性澆筑

嚴(yán)格按照規(guī)范要求對各關(guān)鍵工序進(jìn)行驗(yàn)收。在完成型鋼柱腳吊裝和底板承臺鋼筋綁扎后，底板承臺混凝土澆筑前，再進(jìn)行型鋼柱腳軸線和標(biāo)高的校核，確認(rèn)無誤后，最后進(jìn)行基礎(chǔ)底板混凝土的一次性澆筑。澆筑過程中再實(shí)時復(fù)測，確保型鋼柱腳施工的質(zhì)量，澆筑完畢后加蓋塑料薄膜與土工織物，并灑水保濕養(yǎng)護(hù)。

5 施工技術(shù)效果檢查

通過對型鋼柱腳支撐體系設(shè)計(jì)施工、型鋼柱腳吊裝固定、節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋連接等各關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，制訂了可行的施工方法。在此施工技術(shù)下，型鋼柱腳施工比計(jì)劃工期提前，經(jīng)濟(jì)效益顯著。已澆筑完成的型鋼柱腳軸線偏差、垂直度實(shí)測結(jié)果均在3 mm內(nèi)，合格率達(dá)100%，一次成優(yōu)。

6 結(jié)語

1）先預(yù)埋型鋼柱腳螺栓支架，再安裝型鋼柱腳，最后一次性澆筑底板承臺的埋入式型鋼柱腳施工技術(shù)最為合理，可確保底板承臺施工質(zhì)量及整體結(jié)構(gòu)的安全性，可以減少2道工序時間，縮短工期，創(chuàng)造效益。

2）對型鋼柱腳節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行專項(xiàng)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)，可優(yōu)化鋼筋排布，實(shí)現(xiàn)增大鋼筋直徑、減少鋼筋數(shù)量的等效代換，得到最合理的節(jié)點(diǎn)鋼筋排布效果，便于現(xiàn)場施工。型鋼柱腳節(jié)點(diǎn)連接和地腳螺栓支撐體系采用BIM建模1∶1模擬設(shè)計(jì)，可有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工，減少返工，加快進(jìn)度。

3）型鋼柱腳支撐體系直接采用現(xiàn)場鋼材加固的方式，既能保證支撐體系剛度穩(wěn)固，又便于現(xiàn)場制作加工，施工操作高效便捷，節(jié)約成本。