弧形鋼結(jié)構(gòu)屋面機(jī)電管線安裝技術(shù)

劉占強，郭曉娟，李 龍，李孟函，姜立濤

（中國建筑一局（集團(tuán)）有限公司華北公司，天津 300457）

0 引言

在劇場建筑中，鋼桁架屋面結(jié)構(gòu)高度一般大于20m，桁架內(nèi)凈高大于5m，為超高大跨度結(jié)構(gòu)。桁架內(nèi)需要安裝水暖電等常規(guī)機(jī)電、消防、燈光舞美等設(shè)備管線，并設(shè)置馬道以方便檢修。鋼桁架下為舞臺和看臺，施工時不便于搭設(shè)滿堂架或使用升降設(shè)備，交叉作業(yè)和高空作業(yè)危險性高、施工難度大。對鋼桁架、燈光舞美設(shè)備與常規(guī)機(jī)電管線進(jìn)行深化設(shè)計，明確鋼桁架內(nèi)管線定位和固定措施，特別是優(yōu)化雨淋管道從桁架下吊裝改為沿鋼桁架下弦敷設(shè)，不需要焊接操作，對鋼桁架防火涂層無破壞，雨淋噴頭通過支管垂直安裝在鋼桁架下，并在鋼桁架下弦滿鋪操作板，既便于桁架內(nèi)施工，又避免與地面交叉作業(yè)，保證安全；合理的工序安排可實現(xiàn)快速安裝，保證工期和質(zhì)量。

1 工程概況

廊坊“只有紅樓夢”戲劇幻城項目為大型情景園林劇場園區(qū)類工程，占地面積約30萬m2，總建筑面積約44萬m2（見圖1）。園區(qū)內(nèi)包括A1～A5核心劇場，核心劇場地上3～4層，最高21.6m，劇場頂部為鋼結(jié)構(gòu)桁架。本工程建筑單體多、業(yè)態(tài)種類多，機(jī)電系統(tǒng)復(fù)雜。A5劇場為弧形鋼結(jié)構(gòu)屋面，超高大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面內(nèi)機(jī)電管線和設(shè)備安裝具有較大難度。鋼桁架下為舞臺、看臺，施工時不便于搭設(shè)滿堂架或使用升降設(shè)備，交叉作業(yè)和高空作業(yè)危險性高、施工難度大。

圖1 項目效果

2 工藝原理

在工程建設(shè)初期，對鋼桁架、機(jī)電管線、舞美燈光等演出設(shè)備進(jìn)行深化設(shè)計，綜合考慮各專業(yè)施工要求、機(jī)電管線排布原則、施工順序及支吊架固定方式，對于混凝土結(jié)構(gòu)區(qū)域，支吊架固定在結(jié)構(gòu)頂板、柱或梁上，但對于高達(dá)20m的大空間屋頂鋼桁架，機(jī)電管線的安裝及固定方式成為整個工程的重點及難點。通過將原吊裝于鋼桁架下10多根管徑200mm的消防雨淋管道優(yōu)化設(shè)計到鋼桁架內(nèi)，并在鋼桁架內(nèi)搭設(shè)操作板，將各專業(yè)施工作業(yè)面全部集中在鋼桁架內(nèi)，既可方便原設(shè)計中馬道層的照明、噴淋、消火栓、通風(fēng)管道的施工，又可滿足雨淋管道及演出燈光設(shè)備的安裝，且操作板不影響地面其他專業(yè)施工，節(jié)省工期，降低施工成本，保證施工安全。施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

3 施工操作要點

3.1 原設(shè)計方案分析

本項目包含A1～A5五座劇場，劇場地上1層通高，局部3～4層，最大屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為21.600m，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋面采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，并且屋頂鋼桁架內(nèi)也作為劇場馬道層，鋼桁架內(nèi)除需布置觀演廳管道外，還需布置馬道層照明、噴淋、消火栓、通風(fēng)等機(jī)電管線。其中作用于觀演廳的消防雨淋主管均為直徑200mm，由于觀演廳跨度較大，需要10～15根雨淋管以滿足消防要求，原設(shè)計中該管道在鋼桁架下吊裝敷設(shè)，影響演出燈光設(shè)備安裝，且由于鋼桁架高達(dá)20m，施工難度較大，存在質(zhì)量和安全隱患。

鋼桁架內(nèi)管線包含電氣照明管線、電氣火災(zāi)自動報警管線、噴淋管道、消火栓管道、演出舞美與燈光設(shè)備等管線。鋼桁架下管道包括觀演廳雨淋管道、演出燈光、音響設(shè)備等。

3.2 鋼桁架機(jī)電管線設(shè)計優(yōu)化及深化設(shè)計

通過對原設(shè)計方案的綜合分析，為保證施工安全且滿足工期要求，尋求更優(yōu)解決方案。考慮到鋼桁架內(nèi)施工專業(yè)較多，為滿足工期要求，需同時施工，馬道層馬道空間不能滿足作業(yè)面的要求，因此在鋼桁架下弦整體增加鋼梁支撐，搭設(shè)操作板，擴(kuò)大作業(yè)面，滿足鋼桁架內(nèi)所有專業(yè)同時施工，且不影響觀演廳觀眾看臺施工、機(jī)電設(shè)備運輸、安裝等工作，保證工期進(jìn)度。

3.2.1 鋼桁架、舞美、機(jī)電管線綜合深化設(shè)計

馬道層為劇場演出時工作人員行走和工作的空間，原常規(guī)機(jī)電管線需要避開鋼桁架斜撐、腹桿，舞美燈光布置按演出要求需要調(diào)整，布線應(yīng)靈活，現(xiàn)桁架內(nèi)又增加了雨淋管道，并且雨淋管道需在鋼桁架下弦敷設(shè)，需避開馬道。通過三維建模將鋼桁架內(nèi)管道整體排布，滿足功能要求的前提下，提高馬道層凈空，為后期演出放置燈光，音響、舞臺機(jī)械等設(shè)備提供足夠空間和場地（見圖 3）。

圖3 桁架內(nèi)管道BIM模型

3.2.2 將鋼桁架下管道優(yōu)化至桁架內(nèi)敷設(shè)

本工程各個劇場設(shè)置雨淋系統(tǒng)保護(hù)，雨淋噴頭采用下噴，均安裝在馬道層下方，原雨淋平面圖中，觀影空間上方雨淋管道均未敷設(shè)在馬道層，觀影廳挑高空間需要搭設(shè)滿堂架，并且觀影廳地面四周為觀眾看臺，該區(qū)域不滿足搭設(shè)滿堂架和使用升降設(shè)備的條件，所以將雨淋主管道移至桁架內(nèi)，通過垂直支管將噴頭安裝在馬道層下方，既可滿足消防要求，又方便安全施工。

3.2.3 支吊架選型及受力分析

在機(jī)電安裝過程中，設(shè)備、管道、橋架的支架大部分安裝在結(jié)構(gòu)梁、柱、墻體、樓板等承重結(jié)構(gòu)上，但在大跨度劇場尤其是在鋼結(jié)構(gòu)工程安裝過程中由于可承重部位較少，加上鋼結(jié)構(gòu)桁架梁上不允許直接焊接，所以機(jī)電管線支吊架的選型及受力分析成為桁架內(nèi)機(jī)電安裝的重點及難點。通過比較及選型，根據(jù)管線系統(tǒng)及管徑大小確定2種支吊架方案并進(jìn)行受力分析，方案1：采用常規(guī)方式在鋼結(jié)構(gòu)梁之間增加2根相互平行的槽鋼，在槽鋼上增加吊架固定點，將管道固定；方案2：在結(jié)構(gòu)鋼梁上用卡子生根，采用槽鋼和角鋼做門形支架。

3.3 優(yōu)化后施工總體部署與工序分析

1）確定設(shè)備、管線吊裝口位置 根據(jù)深化設(shè)計成果，確定鋼桁架內(nèi)設(shè)備、管線吊裝口位置及吊裝方式。

2）確定機(jī)電管線固定方式及固定點 因鋼桁架屋頂需做金屬屋面、隔聲棉、裝飾板，其中隔聲棉填滿屋頂工字梁，若機(jī)電管線固定吊架滯后于屋面安裝，將破壞屋頂隔聲棉層，所以吊架固定點需提前深化設(shè)計，做好吊桿預(yù)裝。同時通風(fēng)管道敷設(shè)在馬道層上方，但風(fēng)口在馬道層下方，占用大量垂直空間，所以通風(fēng)管道應(yīng)先于其他機(jī)電管道施工，其他機(jī)電管線穿插進(jìn)行。

3）綜合桁架屋頂、地面看臺施工節(jié)點 通過提前對鋼桁架、舞美設(shè)備、機(jī)電管線的綜合深化設(shè)計，將工序清晰化，避免拆改重復(fù)施工，保證了工程質(zhì)量和工期進(jìn)度。并且預(yù)先在鋼桁架下弦滿鋪操作板，不影響地面看臺施工，節(jié)約各專業(yè)施工成本，保障施工人員安全施工。

3.4 現(xiàn)場施工

根據(jù)設(shè)計圖紙，編制施工方案，進(jìn)行現(xiàn)場施工。

1）測量放線 規(guī)劃增設(shè)的鋼梁放置點及機(jī)電管線支吊架安裝點位。

2）增設(shè)鋼梁支撐 在非馬道區(qū)域增設(shè)鋼梁，加強操作板的支撐受力點，并在鋼結(jié)構(gòu)柱與斜撐之間搭接鋼絲繩，固定工人安全帶，保證施工安全（見圖4）。

圖4 鋼桁架增加輔助支撐梁

3）鋪設(shè)操作板 操作板采用1/3重疊鋪搭方式鋪滿整個馬道層，提供充分的施工作業(yè)面（見圖5）。

圖5 鋼桁架操作板仰視

4）支吊架安裝 支架與吊架提前確定好固定點，做好預(yù)裝。

5）機(jī)電管線安裝 機(jī)電管線按照深化設(shè)計確定的工序進(jìn)行安裝。

3.5 調(diào)試、驗收

機(jī)電管線施工完畢后，先進(jìn)行鋼桁架內(nèi)系統(tǒng)調(diào)試，之后聯(lián)合劇場進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試合格經(jīng)驗收后方可投入使用。

4 效益分析

1）工期 本技術(shù)屋頂鋼桁架機(jī)電安裝施工，使鋼桁架內(nèi)施工成為單獨的作業(yè)空間，屋面、常規(guī)機(jī)電、演出機(jī)電設(shè)備安裝同步進(jìn)行，并且不影響觀演廳下方地面觀眾看臺施工和機(jī)電設(shè)備安裝，節(jié)點工期比原設(shè)計方案提前約60d，滿足排練和導(dǎo)演演出計劃要求。

2）質(zhì)量和安全 本技術(shù)減免焊接操作，對鋼桁架防火涂層無破壞，在鋼桁架下弦滿鋪操作板，既便于桁架內(nèi)施工，又避免與地面交叉作業(yè)，保證質(zhì)量和安全。

3）經(jīng)濟(jì)效益 通過對鋼桁架內(nèi)機(jī)電管線深化設(shè)計、支吊架選型及施工工序綜合部署，滿足一次成活，避免返工及材料的浪費，預(yù)留設(shè)備吊裝孔之后桁架內(nèi)滿鋪操作板，可節(jié)省成本約130萬元。

4）社會效益 本技術(shù)解決了劇場鋼桁架內(nèi)機(jī)電管線快速安裝的難題，贏得業(yè)主、導(dǎo)演等社會各界的認(rèn)可和信賴，將為建筑行業(yè)提供寶貴經(jīng)驗，對行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步起到推動作用。本技術(shù)已授權(quán)國家專利兩項：“一種屋頂桁架內(nèi)的雨淋管道支撐結(jié)構(gòu)”（專利號：ZL202120141508.9）；“一種屋頂桁架內(nèi)豎向風(fēng)管的固定結(jié)構(gòu)”（專利號：ZL202121425319.0）。

5 結(jié)語

本技術(shù)提供了一種劇場鋼桁架屋頂內(nèi)機(jī)電管線快速安裝的解決方法，通過對鋼桁架、燈光舞美設(shè)備管線、常規(guī)機(jī)電管線進(jìn)行深化設(shè)計，特別是優(yōu)化雨淋管道從桁架下吊裝改為沿鋼桁架下弦敷設(shè)，避免高空和交叉作業(yè)風(fēng)險，保證進(jìn)度、質(zhì)量和安全，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，可為類似工程提供借鑒。