大體量嵌套環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)快速建造施工技術(shù)

董傳藝 祝 超 李炳軒

中建八局第二建設(shè)有限公司 山東 濟(jì)南 250024

1 工程概況

濟(jì)南超算中心科技園項(xiàng)目位于歷城區(qū)彩石片區(qū)，北至經(jīng)十東路、南至港源六路、東至春喧路、西至蟠龍路。超算中心主樓引入天圓地方的設(shè)計(jì)概念，整體結(jié)構(gòu)形式為167.4 m×167.4 m方形底托（地下2層）、平面直徑131 m的環(huán)形主體（地上8層）、環(huán)形內(nèi)套直徑83 m的圓形主體（地上4層）鋼框架結(jié)構(gòu)體系（圖1）。結(jié)構(gòu)高度為42.5 m，鋼柱為箱形柱與圓管柱，鋼梁為H型鋼梁與矩形鋼梁，圓形主體頂部為管桁架，鋼結(jié)構(gòu)總量為2.6萬(wàn) t，鋼構(gòu)件數(shù)量逾13 000根。北側(cè)為在建工地，不能形成通道，南側(cè)僅有1條與在建項(xiàng)目共用的臨時(shí)道路，東西側(cè)作為主要施工通道及材料堆場(chǎng)，本項(xiàng)目采用“東西向?qū)ΨQ，內(nèi)外環(huán)同步，網(wǎng)格形分區(qū)，多點(diǎn)位布局，放射狀吊運(yùn)，拉鏈?zhǔn)绞湛凇钡氖┕し椒ㄟM(jìn)行施工[1-4]。

圖1 項(xiàng)目整體效果圖

2 工期難點(diǎn)分析

1）項(xiàng)目整體俯視造型為內(nèi)圓外方，核心區(qū)下凹，圓環(huán)區(qū)高聳，外圍為方形地下室，超算中心共劃分為3個(gè)標(biāo)段，由3家單位同時(shí)施工，主樓位于中間部位，南北2個(gè)標(biāo)段均同時(shí)進(jìn)行施工，無(wú)法形成向四周發(fā)散的順暢放射狀施工流水組織，只能通過(guò)東西兩側(cè)進(jìn)行材料倒運(yùn)以及構(gòu)件堆放，南北側(cè)施工場(chǎng)地狹小，無(wú)法通過(guò)投入大量機(jī)械設(shè)備、作業(yè)人員的方式來(lái)進(jìn)行快速建造。

2）主樓結(jié)構(gòu)形式為純鋼框架結(jié)構(gòu)體系，鋼結(jié)構(gòu)體量大，共計(jì)2.6萬(wàn) t鋼結(jié)構(gòu)，合計(jì)逾13 000根鋼構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)加工制作及安裝工期緊、任務(wù)重，從備料加工到現(xiàn)場(chǎng)安裝完成僅40 d工期，構(gòu)件加工可以通過(guò)增加加工車間的數(shù)量來(lái)加快構(gòu)件制造速度，但在極其有限的時(shí)空條件下組織施工需要更加高效、完美的施工方案。

3）項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)施工跨越春節(jié)，人員的組織、材料的采購(gòu)、機(jī)械的調(diào)配難度均數(shù)倍增大，鋼構(gòu)件從安徽運(yùn)至濟(jì)南施工現(xiàn)場(chǎng)路途遙遠(yuǎn)，面臨春運(yùn)運(yùn)輸壓力較大，施工階段在冬季嚴(yán)寒階段進(jìn)行，從構(gòu)件吊裝到焊接難度都指數(shù)式增大。

3 方案對(duì)比分析

材料的垂直運(yùn)輸作為本項(xiàng)目能否如期完工的決定性因素，根據(jù)本工程工期短、任務(wù)重、體量大、不確定因素多等施工特點(diǎn)，首先確定了不用塔吊而選用大型履帶吊及汽車吊吊裝的整體施工思路，為后續(xù)各項(xiàng)工作的展開(kāi)奠定了決策性基礎(chǔ)。在擬定選用大型履帶吊及汽車吊的施工方案后，綜合分析本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的吊裝數(shù)量多、質(zhì)量大，同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地東西開(kāi)闊、南北閉塞的客觀因素，對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)施工機(jī)械布置設(shè)計(jì)了如下3種方案：

1）8臺(tái)500 t履帶吊塔式工況，布置于筏板外側(cè)，從內(nèi)到外逐層吊裝。該方法的優(yōu)點(diǎn)為履帶吊不用上筏板，鋼構(gòu)件逐層逐區(qū)吊裝，從內(nèi)到外吊裝精度易于控制；該方法的缺點(diǎn)為500 t履帶吊臂長(zhǎng)度長(zhǎng)，數(shù)量無(wú)法增加，功效較低，工期無(wú)法滿足，且成本較高，影響其他專業(yè)機(jī)械施工。

2）8臺(tái)500 t汽車吊站筏板外安裝環(huán)形區(qū)，4臺(tái)100 t履帶吊上筏板退裝內(nèi)部圓形區(qū)，8臺(tái)50 t汽車吊上筏板吊裝外圍區(qū)。該方法的優(yōu)點(diǎn)為3個(gè)區(qū)可同時(shí)施工；該方法的缺點(diǎn)為內(nèi)部圓形區(qū)和外圍區(qū)退裝，設(shè)備投入數(shù)量及型號(hào)成倍增加，環(huán)形區(qū)構(gòu)件全部依賴大型履帶吊，工效不足，大型履帶吊占路，與土建等其他專業(yè)交叉施工嚴(yán)重。

3）4臺(tái)150 t履帶吊安裝內(nèi)部圓形區(qū)，同時(shí)8臺(tái)350 t履帶吊＋8臺(tái)100 t汽車吊站筏板內(nèi)安裝環(huán)形區(qū)，待環(huán)形區(qū)施工完成后進(jìn)行外圍區(qū)的施工。該方法的優(yōu)點(diǎn)為與土建等專業(yè)的交叉相對(duì)較少，工期有保障，資源投入合理，施工條理清晰；該方法的缺點(diǎn)為內(nèi)部圓形區(qū)和環(huán)形區(qū)內(nèi)外同步施工，吊機(jī)數(shù)量多，易相互影響。

經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，最終確認(rèn)第3種施工方案的可行性。

4 吊裝不利工況分析

4.1 內(nèi)部圓形區(qū)鋼柱吊裝工況分析

內(nèi)部圓形區(qū)質(zhì)量最大的構(gòu)件為11和12軸線的GKZ2b的第2節(jié)柱，柱子的最大質(zhì)量為13 t，吊裝此根構(gòu)件時(shí)，履帶吊站位于9 和14軸線，距離構(gòu)件20 m，采用中聯(lián)浦沅QUY100履帶吊配58 m主臂，履帶吊在20 m吊裝半徑位置最大起重量為16.6 t，吊裝性能滿足要求（圖2）。

圖2 內(nèi)部圓形區(qū)最大構(gòu)件吊裝示意

4.2 內(nèi)部圓形區(qū)鋼梁吊裝工況分析

最重的鋼梁為5層樓面的GKL21，拼裝完成后構(gòu)件長(zhǎng)度為25 m，構(gòu)件質(zhì)量10 t，吊裝此根構(gòu)件時(shí)，履帶吊站位于9 和14軸線，距離構(gòu)件26 m，采用中聯(lián)浦沅QUY100履帶吊配58 m主臂，履帶吊在26 m吊裝半徑位置最大起重量為11.3 t，吊裝性能滿足要求（圖3）。

圖3 內(nèi)部圓形區(qū)最重鋼梁吊裝分析

在吊裝屋面鋼梁時(shí)，履帶吊需站位于距離18 m的位置，即2個(gè)柱距的距離，這樣能保證履帶吊主臂在74°的情況下避開(kāi)鋼柱的影響。

M區(qū)外側(cè)構(gòu)件距離履帶吊站位18 m，履帶吊在主臂85°，副臂75°的工況下可以進(jìn)行此位置構(gòu)件的吊裝，300 t履帶吊，鋼柱吊裝需求。

M區(qū)內(nèi)側(cè)構(gòu)件距離履帶吊站位40 m，履帶吊在主臂75°，副臂45°的工況下可以進(jìn)行構(gòu)件的吊裝，且吊裝過(guò)程不會(huì)受到內(nèi)側(cè)已安裝構(gòu)件的影響，300 t履帶吊能夠滿足環(huán)形區(qū)鋼柱吊裝需求。

5 分區(qū)策劃

選用12臺(tái)大型行走式履帶吊，環(huán)形主體部分呈八方觚式布置8臺(tái)350 t履帶吊，圓形主體部分呈東西對(duì)稱分別布置2臺(tái)150 t履帶吊，每臺(tái)履帶吊配備1臺(tái)汽車吊輔助卸車、吊運(yùn)構(gòu)件，將各個(gè)施工區(qū)域劃分為3個(gè)大區(qū)，3個(gè)大區(qū)分為若干個(gè)小區(qū)，對(duì)每臺(tái)吊車施工區(qū)域進(jìn)行明確劃分，完成構(gòu)件的垂直運(yùn)輸，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的施工流水以及施工順序，滿足鋼結(jié)構(gòu)施工。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工流程，將整個(gè)結(jié)構(gòu)分為3個(gè)大分區(qū)（圖4）：外部地下室方形區(qū)域（W區(qū)，地下2層）、中部圓環(huán)區(qū)域（M區(qū)，地下2層、地上8層）、內(nèi)部圓形區(qū)域（N區(qū)，地下2層、地上3層）。3個(gè)大區(qū)共計(jì)37個(gè)小分區(qū)，其中W區(qū)共15個(gè)分區(qū)，W-1—W-15；M區(qū)共分為18個(gè)分區(qū)，M1-1—M1-8為100 t汽車吊吊裝分區(qū)，M2-1—M2-8為350 t履帶吊吊裝分區(qū)，M-3和M-4分區(qū)為預(yù)留區(qū)域，待N區(qū)施工完成后用350 t履帶吊吊裝。N區(qū)分為4個(gè)分區(qū)，N-1—N-4。構(gòu)件發(fā)車根據(jù)小分區(qū)進(jìn)行劃分，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后就近堆場(chǎng)卸車，做到多而不亂。

圖4 施工分區(qū)示意

6 難點(diǎn)解決措施

1）為保障材料供應(yīng)及時(shí)，道路運(yùn)輸通暢，在原有地形基礎(chǔ)上打通東西主干道，并在靠近北側(cè)輔助修一條通向筏板的便道，確保北側(cè)鋼構(gòu)件供應(yīng)。同時(shí)考慮將主樓南側(cè)大臺(tái)階后做，在南側(cè)修一條東西貫通的臨時(shí)路，確保場(chǎng)內(nèi)機(jī)械及材料及時(shí)到位。充分利用現(xiàn)場(chǎng)的一切便利條件，重新劃分主樓東西兩側(cè)場(chǎng)地，作為鋼構(gòu)件堆放場(chǎng)地，確保鋼構(gòu)件的就近臨時(shí)堆放。共計(jì)投入12臺(tái)履帶吊以及8臺(tái)汽車吊進(jìn)行吊裝作業(yè)。為配合材料倒運(yùn)，另外專門配備了12臺(tái)汽車吊及16臺(tái)板車進(jìn)行鋼構(gòu)件裝卸車及材料倒運(yùn)，現(xiàn)場(chǎng)施工平面布置如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)施工道路布置

2）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，決定采用施工效率較高的空心圓管柱以及方管柱結(jié)合的形式，鋼構(gòu)件采用鋼牛腿的節(jié)點(diǎn)形式，提高鋼構(gòu)件的安裝效率。鋼構(gòu)件節(jié)點(diǎn)形式，主要采用高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)。工程施工前進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，安排專人負(fù)責(zé)把控鋼結(jié)構(gòu)焊接的質(zhì)量，考慮到工期緊、任務(wù)重，現(xiàn)場(chǎng)施工工況瞬息萬(wàn)變的情況，決定現(xiàn)場(chǎng)使用履帶吊與汽車吊配合吊裝的施工方式。

3）由于工期緊、任務(wù)重，加工及安裝階段主要集中在春節(jié)期間，為保障人材機(jī)的有效供應(yīng)，特地協(xié)調(diào)了國(guó)內(nèi)大型機(jī)械設(shè)備供應(yīng)商，從全國(guó)調(diào)集了大量專業(yè)勞務(wù)工人，從市場(chǎng)直接購(gòu)買了大量成品鋼材現(xiàn)貨，為避免出現(xiàn)春節(jié)高峰期堵塞交通導(dǎo)致鋼構(gòu)件無(wú)法運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，此外還準(zhǔn)備了施工場(chǎng)區(qū)外4萬(wàn) m2的臨時(shí)堆場(chǎng)。同時(shí)，根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，提取材料清單明確供應(yīng)時(shí)間，分區(qū)分批分時(shí)間段發(fā)貨，以確保材料供應(yīng)及時(shí)到位，項(xiàng)目施工順利進(jìn)行。

7 各區(qū)安裝方法

根據(jù)既定施工方案，針對(duì)性對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，N區(qū)、M區(qū)、W區(qū)分開(kāi)獨(dú)立施工，施工總體思路為N區(qū)與M區(qū)同步施工，最后施工W區(qū)外圍地下室鋼結(jié)構(gòu)，3個(gè)分區(qū)各自施工思路如下。

7.1 N區(qū)施工方法

N區(qū)4個(gè)區(qū)域同時(shí)施工，按照從中間向東西兩側(cè)的順序進(jìn)行施工。投入4臺(tái)中聯(lián)浦沅QUY150履帶吊（58 m主臂）進(jìn)行構(gòu)件的吊裝，2臺(tái)50 t汽車吊進(jìn)行構(gòu)件的卸車和轉(zhuǎn)運(yùn)，1臺(tái)長(zhǎng)13.5 m的平板車進(jìn)行構(gòu)件的倒運(yùn)。

7.2 M區(qū)施工方法

施工采用8臺(tái)350 t履帶吊加8臺(tái)100 t汽車吊。M1-1—M1-8區(qū)鋼梁用8臺(tái)100 t汽車吊沿順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行吊裝，M區(qū)所有鋼柱及M2-1—M2-8區(qū)鋼梁用350 t履帶吊沿順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行吊裝，鋼柱先裝內(nèi)側(cè)鋼柱，向外按排進(jìn)行安裝。

7.3 W區(qū)施工方法

W區(qū)域待M區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)施工完成后，所有機(jī)械設(shè)備按圖6箭頭所示方向退出施工現(xiàn)場(chǎng)，退出現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程中進(jìn)行W區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)施工。W區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)施工利用M區(qū)域施工的機(jī)械設(shè)備，包括8臺(tái)350 t履帶吊和8臺(tái)100 t汽車吊。

圖6 W區(qū)施工機(jī)械布置

8 整體施工方法

1）階段1：鋼柱地腳螺栓預(yù)埋，履帶吊在東西鋼結(jié)構(gòu)堆場(chǎng)進(jìn)行組拼，筏板混凝土養(yǎng)護(hù)，履帶吊行駛路線鋪設(shè)鋼板。

2）階段2：N區(qū)150 t履帶吊上筏板開(kāi)始安裝N區(qū)鋼結(jié)構(gòu)，M區(qū)300 t履帶吊逐步行駛至筏板上并就位，鋼構(gòu)件東西堆場(chǎng)堆放并用板車托運(yùn)至施工區(qū)，小型汽車吊配合履帶吊進(jìn)行鋼構(gòu)件吊裝，中間區(qū)域預(yù)留貫通東西向的車輛行駛通道，待N區(qū)施工完畢后補(bǔ)東西向通道。

3）階段3：M區(qū)300 t履帶吊全部行駛至指定位置，開(kāi)始大批量安裝環(huán)形區(qū)鋼構(gòu)件，預(yù)留東西向通道位置環(huán)形結(jié)構(gòu)暫時(shí)不安裝；N區(qū)150 t履帶吊逐層安裝鋼結(jié)構(gòu)，與M區(qū)平行施工。

4）階段4：N區(qū)逐層施工至N區(qū)屋蓋封頂；M區(qū)逐層施工，預(yù)留的東西向通道在N區(qū)封頂后開(kāi)始進(jìn)行收口施工。

5）階段5：M區(qū)東西向通道拉鏈?zhǔn)绞湛诜忾]，形成完整環(huán)形結(jié)構(gòu)；W區(qū)鋼結(jié)構(gòu)東西向倒退式安裝。

6）階段6：M區(qū)鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢，大型履帶吊退場(chǎng)；W區(qū)鋼結(jié)構(gòu)東西向倒退式施工收尾完成。

9 結(jié)語(yǔ)

多點(diǎn)位布局內(nèi)外同吊拉鏈?zhǔn)湛诜ǖ膶?shí)施，施工中投入了12臺(tái)大型履帶吊，進(jìn)行了多點(diǎn)位、全區(qū)域覆蓋布局，同時(shí)為了提高效率，每臺(tái)履帶吊附近均放置1臺(tái)汽車吊，輔助履帶吊卸貨以及吊運(yùn)其他小型構(gòu)件或設(shè)備材料。東西分開(kāi)對(duì)稱比賽式施工，有效調(diào)動(dòng)了施工人員的工作積極性以及工作效率，多點(diǎn)位內(nèi)外同吊法，有效提高了施工效率，加快了安裝速度。

采用此安裝方案，鋼結(jié)構(gòu)安裝工期明顯縮短，有利于其他后續(xù)專業(yè)的提前穿插施工，估算為濟(jì)南超算中心總體縮短工期4個(gè)月，為濟(jì)南超算中心的早日運(yùn)行創(chuàng)造了條件，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，值得在同類鋼結(jié)構(gòu)工程中推廣應(yīng)用。