非同心雙層輪輻狀空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

張建基

(廣東省六建集團有限公司，廣東 佛山 528000)

1 工程概況

季華實驗室二期建設(shè)項目位于廣東省佛山市南海區(qū)環(huán)島南路，其中A8棟工程(茶室、連廊)建筑層數(shù)均為地上2層，建筑高度13.1m，建筑面積3 887.77m2，異形鋼結(jié)構(gòu)茶室建筑投影面積530m2(見圖1)。鋼結(jié)構(gòu)建筑耐久年限等級為二級，主體結(jié)構(gòu)使用年限為50年，建筑耐火等級為二級，建筑抗震為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類別，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為 0.1g，建筑場地類別為Ⅲ類。A8棟工程建筑為鋼框架結(jié)構(gòu)，結(jié)合整個試驗區(qū)的布置和造型，位于中央花園核心處，是科研人員休閑場所，也是園區(qū)景觀重要組成部分。幕墻構(gòu)件由淺色金屬鋁板與樓層間鑲板構(gòu)成。為保證玻璃面的完整統(tǒng)一，可將開啟窗扇隱藏在窗戶邊框內(nèi)，開啟窗扇可自然通風(fēng)和排煙。采用低能耗幕墻玻璃，并在內(nèi)庭院幕墻處增加開啟窗扇通風(fēng)，通過立面構(gòu)件減少直射陽光，減少空調(diào)數(shù)量，降低能耗，確保可持續(xù)發(fā)展的同時保證使用者視線貫通。

圖1 季華實驗室二期建設(shè)項目A8棟工程

為實現(xiàn)建筑外立面、內(nèi)庭院等復(fù)雜功能，呈現(xiàn)科學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)園的獨特景觀，作為科學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)園的代表性建筑，茶室采用非同心雙層輪輻狀空間鋼結(jié)構(gòu)，通過78根雙肢支柱和若干根鋼梁形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(見圖2)。鋼結(jié)構(gòu)由上、下2層輪輻狀圓環(huán)鋼架組成，每個輪輻狀圓環(huán)鋼架由3個圓形鋼梁和輻條構(gòu)成，分別為屋面、外墻及內(nèi)庭院圓環(huán)鋼架，直徑分別為26，20，10m，圓心不在同一軸線上，輪輻狀圓環(huán)由多角度雙肢支柱支承。雙肢支柱如圖3所示。

圖2 A8棟工程平面和剖面

圖3 雙肢支柱

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

茶室項目按非同心雙層輪輻狀空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，各主支柱通過地腳螺栓固定在預(yù)埋件上，雙肢支柱在工廠制作加工并相貫焊接后，再吊裝焊接固定于預(yù)埋支柱上，環(huán)形梁先逐段點焊固定在雙肢支柱上，各段環(huán)形梁采用高強螺栓相連，校正完畢后再將雙肢支柱與梁滿焊連接，逐層施工柱、梁。

2.1 BIM及數(shù)控相貫線切割技術(shù)

各構(gòu)件開料長度及尺寸不便于通過平、立、剖面2D圖紙直接確定，需結(jié)合空間建模獲取雙肢支柱與型鋼梁各單件構(gòu)件的開料長度、尺寸、弧度等參數(shù)，各支腿為雙肢支柱(V形柱)，鋼管間相貫口連接形狀不規(guī)整，開料、焊接難度大。

應(yīng)用BIM技術(shù)，針對工程結(jié)構(gòu)特點和特殊要求，創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)施工模型，用于深化設(shè)計，進行數(shù)字化、模擬化、協(xié)同化、可視化施工全過程跟蹤。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)模型模擬施工過程，結(jié)合施工現(xiàn)場，考慮吊裝能力及安裝等因素，確定鋼構(gòu)件單件尺寸，控制加工構(gòu)件長度、質(zhì)量、端口相貫線等參數(shù)。異形構(gòu)件參數(shù)通過數(shù)控技術(shù)輸入數(shù)控相貫線切割機，自動制作鋼構(gòu)件，能精確切割多支腿鋼節(jié)點相貫切口位置。

2.2 免棱鏡全站儀測量技術(shù)

異形鋼結(jié)構(gòu)工程外形復(fù)雜、平面曲線化，且2個輪輻狀圓環(huán)鋼架不平行，為內(nèi)徑非同心圓筒體空間構(gòu)造，增加頂層各梁、柱及圓心定位測量難度。由于異形鋼結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜、高空作業(yè)危險，施工期間操作平臺、腳手架林立，通視條件不好，易破壞控制點，且鋼結(jié)構(gòu)安裝軸線多，需控制各柱與圓形鋼梁節(jié)點、立柱夾角，安裝精度要求高。由于鋼結(jié)構(gòu)觀測多為高空目標(biāo)，為避免高空設(shè)置觀測標(biāo)志帶來人身安全隱患，因此選用普通全站儀結(jié)合免棱鏡全站儀測量技術(shù)方案。

根據(jù)BIM模型，雙肢支柱部分長柱頂至天面，部分短柱頂至2層環(huán)形梁。安裝時先2層后天面，安裝2層鋼結(jié)構(gòu)時，長柱露出2層結(jié)構(gòu)易觀察，可采用普通全站儀測量長柱頂面的棱鏡片。由于施工現(xiàn)場視線障礙較多，吊裝時無法從地面控制點觀測部分棱鏡片，如短柱柱頂受操作平臺影響通視條件不好，采用觀測柱頂下1m標(biāo)志方法，建立BIM模型，根據(jù)免棱鏡全站儀通視標(biāo)志點快速得到相應(yīng)坐標(biāo)，完成棱鏡片無法觀測及部分獨立吊裝柱、梁的空間定位，精確定位各鋼構(gòu)件，且可復(fù)核安裝后的位置。

2.3 多角度、全方位鋼構(gòu)件連接技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)支柱是管形，主梁為型鋼構(gòu)件，相貫線切割面在高空散拼時易產(chǎn)生誤差，需進行二次調(diào)整，在施工現(xiàn)場進行組裝焊接易產(chǎn)生焊接變形，導(dǎo)致整體變形甚至坍塌。鋼結(jié)構(gòu)安裝工程量大、各構(gòu)件尺寸不統(tǒng)一、構(gòu)件間拼裝接口不一致增大施工難度。

運用多支腿鋼節(jié)點安裝與鋼構(gòu)件多角度、全方位焊接技術(shù)，可減少安裝焊接誤差、優(yōu)化工期。通過焊接工藝評定試驗確定焊接工藝參數(shù)，鋼柱與梁夾角處設(shè)置臨時斜撐定位，鋼節(jié)點與主桁架對接焊接，坡口為帶內(nèi)襯板U形坡口，該坡口形式可減少焊縫斷面，減小根部與面部間的收縮差，有效防止接口焊應(yīng)力面不均產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。采用半自動CO2焊接、多層多道的對稱焊接方法，減小焊接變形。

3 工藝原理

異形鋼結(jié)構(gòu)工程外形復(fù)雜、平面曲線化，各構(gòu)件形狀尺寸、角度不統(tǒng)一，特別是端口相貫線不規(guī)則。利用BIM模型模擬施工過程，確定各鋼構(gòu)件制作加工尺寸。利用BIM模型審閱設(shè)計方案，精確反映構(gòu)件尺寸、端口形狀等數(shù)據(jù)，減少錯誤和疏漏。將空間數(shù)據(jù)信息納入模型后，可直接展示建筑面貌，迅速進行復(fù)核、校正。

數(shù)控相貫線切割機適用于在管材上切割圓柱正交、斜交、偏心交等相貫線孔、方孔、橢圓孔，并能在管端部切割與之相交的相貫線。運用數(shù)控相貫線切割技術(shù)，可精準(zhǔn)、快速制作鋼構(gòu)件，解決鋼構(gòu)件無法對齊接合位置、偏移等問題。

鋼結(jié)構(gòu)安裝軸線多，控制各柱與圓形鋼梁節(jié)點、立柱夾角尤為重要，因此測量定位精確非常關(guān)鍵。當(dāng)通視條件不好時，利用BIM模型依據(jù)免棱鏡全站儀通視的標(biāo)志點可快速得到相應(yīng)坐標(biāo)，準(zhǔn)確定位各鋼構(gòu)件節(jié)點坐標(biāo)并復(fù)核，最大限度減少鋼構(gòu)件安裝誤差，較好地監(jiān)測異形鋼結(jié)構(gòu)整體變形。

鋼構(gòu)件安裝連接是施工過程中的重要環(huán)節(jié)，運用多角度、全方位鋼構(gòu)件連接技術(shù)能確保安裝環(huán)節(jié)的精確性，減少安裝焊接誤差。

4 施工工藝流程

施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)施工模型→數(shù)控相貫線切割機開料、制作→測量定位→異形鋼結(jié)構(gòu)安裝連接→安裝后檢測。

5 施工操作要點

5.1 創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)施工模型，確定構(gòu)件參數(shù)

針對工程結(jié)構(gòu)特點和特殊要求，創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)BIM施工模型，模擬柱和梁的吊裝、固定等施工過程，確定深化詳圖，根據(jù)鋼構(gòu)件尺寸、節(jié)點位置等參數(shù)(見表1～3)，制作、組裝鋼桁架分段，考慮現(xiàn)場吊裝能力，確定鋼構(gòu)件單件尺寸，控制加工構(gòu)件的長度、質(zhì)量、端口相貫線等參數(shù)，為方便吊裝、安裝，單件構(gòu)件加工尺寸一般為4.5～10m，荷載<20kN。依據(jù)以上原則在工廠內(nèi)焊接雙肢支柱，減少現(xiàn)場焊接工作量，相比現(xiàn)場施工，大幅提高雙肢支柱的尺寸、角度等控制質(zhì)量。采用20t起重機，鋼構(gòu)件最不利荷載為10kN，構(gòu)件高13m，異形鋼結(jié)構(gòu)1，2層的輪輻狀空間鋼結(jié)構(gòu)外環(huán)半徑為10m，起重機距建筑物外邊6m。當(dāng)?shù)醣坶L25.1m，作業(yè)半徑16m時，起重機的起吊能力為20kN，滿足使用要求。

表1 第1段首層參數(shù)

5.2 數(shù)控相貫線切割機開料、制作

通過CNC數(shù)控輸入鋼構(gòu)件及鋼管尺寸等參數(shù)，機器自動切割鋼構(gòu)件相貫線、連接口等，數(shù)控中彎曲梁、多軸梁柱接頭、柱腳三向鋼管一次切割拼裝到位。利用深化軟件系統(tǒng)，直接讀出多向鋼構(gòu)件軸向參數(shù)，一次彎制、切割、拼裝到位。

5.3 測量定位

利用BIM模型得出節(jié)點坐標(biāo)，采用普通全站儀結(jié)合免棱鏡全站儀測量技術(shù)方案，異形鋼結(jié)構(gòu)安裝測量分為地面拼裝測量、空中吊裝測量和安裝后檢測等。

5.3.1鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格地面拼裝測量

非同心雙層輪輻狀空間鋼結(jié)構(gòu)的空中形態(tài)不同，需將空間設(shè)計坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換至地面，作為異形鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件地面拼裝及安裝后檢測的控制線。在地面距離異形鋼結(jié)構(gòu)數(shù)米安置2臺S1級全站儀，建立縱橫控制基準(zhǔn)線。然后根據(jù)異形鋼結(jié)構(gòu)地面坐標(biāo)，采用全站儀按極坐標(biāo)法放樣支撐點平面位置。

由于全站儀距觀測目標(biāo)僅數(shù)米，采用雙極坐標(biāo)法測量2組坐標(biāo)，結(jié)果表明，點位誤差≤±2mm；采用鋼尺檢測部分球心距離，與設(shè)計距離誤差控制在±3mm內(nèi)。

5.3.2空中吊裝測量

空中柱安裝，即雙肢支柱頂面精確定位，是本工程技術(shù)的重難點。

普通全站儀空中吊裝測量時，直接在至天面的長柱頂面粘貼棱鏡片，并采用雙極坐標(biāo)法測量地面拼裝坐標(biāo)，采用BIM模型將各棱鏡片在地面的拼裝坐標(biāo)反算至空間設(shè)計坐標(biāo)，吊裝過程中僅需監(jiān)測棱鏡片三維坐標(biāo)即完成定位。

免棱鏡全站儀采用觀測柱頂下1m標(biāo)志方法，對部分獨立吊裝柱、梁進行空間定位。在支撐點上放置雙肢支柱，并在雙肢支柱頂面安放觀測標(biāo)志，精確觀測柱頂平面坐標(biāo)，及時調(diào)整其平面位置；采用S05級精密水準(zhǔn)儀測量雙肢支柱頂面高程，調(diào)整其頂面高度。最后采用2臺全站儀，按雙極坐標(biāo)法測量雙肢支柱頂面坐標(biāo)，并焊接連接桿件固定各環(huán)梁。

表2 第2段2層參數(shù)

表3 雙肢支柱參數(shù)

吊裝測量時，將數(shù)臺S05，S1級全站儀安放在地面控制點上，按雙極坐標(biāo)法同步觀測棱鏡片或球心的三維坐標(biāo)。由于全站儀內(nèi)預(yù)存各點三維坐標(biāo)，利用全站儀放樣功能可實時調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)空間姿態(tài)，完成上弦球的安裝定位工作。

5.3.3安裝后檢測

鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，應(yīng)調(diào)節(jié)垂直和水平位置至設(shè)計位置，安裝到位后，用全站儀捕捉空間三維坐標(biāo)，監(jiān)測最大理論變形的位置，并與設(shè)計位置進行對比。結(jié)果表明，調(diào)整施工方案和控制安裝過程中，施工誤差符合安裝和設(shè)計要求，可保證鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

5.4 多角度、全方位鋼構(gòu)件連接技術(shù)

按設(shè)計要求及施工方案，環(huán)形梁先逐段點焊固定在雙肢支柱上，各段環(huán)形梁采用高強螺栓連接，待校正完畢后，再將雙肢支柱與梁完全焊接，逐層向下施工柱、梁。

由于鋼結(jié)構(gòu)具有多根支腿，形態(tài)各異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每根支柱與不同鋼構(gòu)件連接，在施工現(xiàn)場組裝焊接時易產(chǎn)生焊接變形甚至整體變形，因此鋼結(jié)構(gòu)安裝運用多角度、全方位鋼構(gòu)件連接技術(shù)，能控制整個鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝精度(見圖4)。

圖4 柱梁多角度、全方位連接

鋼節(jié)點與圓管柱對接焊接時，使用帶內(nèi)襯板的U形坡口，可減少焊縫斷面，減少根部與面部間的收縮差，有效防止接口焊面應(yīng)力不均產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。

采用半自動CO2焊接技術(shù)，焊條型號為大西洋CHW-60C，可隨時遠距離手控電壓、電流變幅的CO2焊機，可滿足高空作業(yè)全方位焊接需要頻繁調(diào)整電壓、電流的要求。先安裝粗桿(熱輸出量大)，再安裝細(xì)桿，平面力求對稱施焊，按仰焊→仰立焊→立焊→立平焊→平焊的順序施工，采用多層多道對稱焊接方法，減小焊接變形。

環(huán)形H型鋼下方搭設(shè)點式鋼管腳手架，H型鋼吊裝到斜鋼管格構(gòu)柱位置后，利用高強螺栓固定，在H型鋼分段連接部位設(shè)置若干千斤頂，以調(diào)整環(huán)形H型鋼位置，直至滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

在季華實驗室二期項目A8棟工程中，對非同心雙層輪輻狀空間鋼結(jié)構(gòu)施工展開研究，全面分析鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝、測量難點，綜合應(yīng)用BIM模型確定構(gòu)件參數(shù)、數(shù)控相貫線切割機開料，普通全站儀結(jié)合免棱鏡全站儀測量技術(shù)及多支腿鋼節(jié)點安裝與鋼構(gòu)件多角度、全方位焊接技術(shù)，解決非同心雙層輪輻狀空間鋼結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜，材料制作、測量定位、構(gòu)件安裝難題，并介紹綜合施工技術(shù)的工作原理，闡述異形鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝工藝流程及技術(shù)要求。結(jié)果表明，工程方案及技術(shù)要求滿足施工安全和質(zhì)量要求，可保證施工整體進度。