基于高層建筑的大體量鋼結(jié)構(gòu)塔冠快速安裝技術(shù)

朱光強，袁內(nèi)蒙，鄔博亮，鄧華強，袁夢影

[中國建筑一局（集團(tuán)）有限公司西南分公司，四川 成都 610023]

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國家提出了綠色環(huán)保的發(fā)展規(guī)劃，在建筑領(lǐng)域積極利用裝配式技術(shù)。鋼結(jié)構(gòu)高層建筑由于綠色環(huán)保且節(jié)能的優(yōu)勢，充分占領(lǐng)了我國高層建筑市場，這也是今后建筑行業(yè)發(fā)展的主要選擇[1]。隨著城市高層建筑的不斷增加，為展現(xiàn)其更美觀的建筑造型，大體量的復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)塔冠不斷增多，這對塔冠施工技術(shù)要求更高，如施工前期未做好充分的方案設(shè)計和技術(shù)措施分析，很難保證施工過程的質(zhì)量、安全和工期控制。且高層建筑大多位于城市核心區(qū)，建筑密集，人口密集，經(jīng)濟(jì)繁榮，現(xiàn)場施工對周圍的環(huán)境產(chǎn)生影響，塔冠施工整個過程對周圍產(chǎn)生的所有影響都應(yīng)控制在合理范圍，所以，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工技術(shù)的提升是至關(guān)重要。

1 高層大體量鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工存在的問題

高層大體量鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工具有安裝體量大、超高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及精準(zhǔn)度要求高等特點。塔冠施工屬于主體結(jié)構(gòu)施工末期，主要位于屋面，準(zhǔn)備階段時有存在施工部署和方案設(shè)計不全面，吊裝機械設(shè)置未結(jié)合BIM 模型做精細(xì)化分析，方案實施精準(zhǔn)落地存在風(fēng)險。施工到難點再做方案糾偏，導(dǎo)致工期和成本增加，嚴(yán)重造成安全質(zhì)量事故。鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工屬于高空作業(yè)，構(gòu)件垂直運輸易受不利天氣和交叉作業(yè)影響，高空的風(fēng)速相比地面強勁，構(gòu)件垂直運輸及安裝定位較難，垂直交叉作業(yè)防護(hù)及管理措施若不能滿足規(guī)范要求，作業(yè)人員的施工安全和效率均不能得到保證。在有限工期條件下，多方面不利因素的制約，面臨各項施工問題，施工效率、安全和質(zhì)量控制均不能較好地管理。

2 高層大體量鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工技術(shù)要點

2.1 BIM 技術(shù)

在塔冠鋼結(jié)構(gòu)施工前期的深化設(shè)計階段，運用Tekla、Revit 等建模軟件按照設(shè)計施工藍(lán)圖進(jìn)行深化設(shè)計，較短時間內(nèi)直觀呈現(xiàn)出虛擬實體模型，是準(zhǔn)備階段的重要環(huán)節(jié)。在施工過程中使用BIM 技術(shù)，并通過相應(yīng)的技術(shù)軟件對施工現(xiàn)場進(jìn)行高效模擬，能夠保障鋼結(jié)構(gòu)部件的質(zhì)量，通過這種仿真模擬，就能快速找到鋼結(jié)構(gòu)部件在生產(chǎn)制造過程中所出現(xiàn)的問題，充分降低企業(yè)成本。

運用BIM 軟件深化建模，可以發(fā)現(xiàn)施工圖存在的問題，如碰撞、構(gòu)件錯位、構(gòu)件號不明確等，其次也可以提前發(fā)現(xiàn)一些施工上存在的困難和局限，如空間小、構(gòu)件密集不利焊接操作和質(zhì)量控制，技術(shù)人員可及時整理反饋至設(shè)計單位，按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和施工經(jīng)驗提出優(yōu)化建議，設(shè)計單位進(jìn)行復(fù)核并回復(fù)，不會造成額外工期和成本的增加，為現(xiàn)場施工順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

大體量塔冠鋼構(gòu)件安裝需對構(gòu)件分節(jié)、分段組裝，結(jié)合塔冠BIM 模型和施工需求，技術(shù)人員對構(gòu)件安裝工序模擬和優(yōu)化分節(jié)、分段，再將構(gòu)件尺寸、重量準(zhǔn)確提取，滿足加工、運輸和安裝要求，對于部分超限構(gòu)件即可提前在模型中優(yōu)化調(diào)整。BIM 模型輔助優(yōu)化塔冠施工方案，清晰體現(xiàn)施工重難點，輔助技術(shù)人員制定針對性解決措施，通過塔冠BIM 模型為整個塔冠及屋面工程施工進(jìn)行方案設(shè)計和比選，為實施編排施工大計劃，工序穿插、人員、機械及材料投入提前摸排，實現(xiàn)施工過程精細(xì)化管理。

通過BIM 技術(shù)建模實現(xiàn)問題前置化解，結(jié)合施工需求對構(gòu)件合理分節(jié)，運用Tekla 深化設(shè)計軟件對構(gòu)件深化，在工廠進(jìn)行鋼構(gòu)件精確下料和加工制作，按現(xiàn)場安裝順序進(jìn)行分區(qū)、分批加工制作，構(gòu)件上貼二維碼和噴涂構(gòu)件編號，加工過程質(zhì)量檢查精準(zhǔn)復(fù)核，有助于構(gòu)件運輸及卸車有序堆放和材料清點，半成品構(gòu)件有序運往現(xiàn)場，現(xiàn)場實際安裝構(gòu)件不錯位、不錯吊，對整個施工過程的效率和質(zhì)量控制至關(guān)重要。安裝人員提前熟悉塔冠BIM 模型，快速了解塔冠構(gòu)件工況和布局，輔助構(gòu)件安裝準(zhǔn)確定位，同步提升塔冠鋼構(gòu)件安裝的精準(zhǔn)性和施工效率。

2.2 工廠及地面大構(gòu)件拼裝技術(shù)

塔冠鋼構(gòu)件滿足建筑造型需求，具有鋼構(gòu)件大、安裝高度較高，施工難度和風(fēng)險較高，構(gòu)件布置不規(guī)則等特點[2]。對此，如何減少塔冠鋼構(gòu)件現(xiàn)場高空作業(yè)的拼接量、加快安裝效率、提高施工質(zhì)量和安全性是當(dāng)前施工技術(shù)必須重視和思考的問題。結(jié)合項目實際，采用構(gòu)件預(yù)拼裝技術(shù)，將部分零散構(gòu)件焊接為大構(gòu)件，整體吊裝至屋面塔冠安裝，主要分為工廠拼裝和施工現(xiàn)場地面拼裝。首先，工廠大構(gòu)件拼裝技術(shù)在工廠進(jìn)行，其加工條件、機械設(shè)備和制作等均比施工現(xiàn)場完善，鋼構(gòu)件預(yù)拼、組拼需要嚴(yán)格的控制鋼構(gòu)件的尺寸、角度及焊縫質(zhì)量，精準(zhǔn)度控制要求嚴(yán)格，需吊車、胎架及制作工人的緊密配合才可實施，滿足工廠制作能力、運輸及現(xiàn)場安裝的條件下，大構(gòu)件拼裝優(yōu)先選擇在工廠進(jìn)行，一定程度減少零散構(gòu)件的現(xiàn)場組拼焊接。其次，現(xiàn)場地面大構(gòu)件拼裝技術(shù)，較大構(gòu)件運輸會超限限制，非特殊工程或重要不可分節(jié)點不宜進(jìn)行超限運輸，超限運輸經(jīng)濟(jì)成本高，運輸過程管理難。對此，在滿足機械吊裝性能和安裝條件下，地面大構(gòu)件拼裝技術(shù)宜選用，在施工現(xiàn)場規(guī)劃一塊作業(yè)面，地面焊接操作胎架，運用塔吊或汽車吊等機械控制構(gòu)件角度及移動作業(yè)，地面進(jìn)行部分特殊構(gòu)件的拼裝和焊接，經(jīng)構(gòu)件尺寸復(fù)核和無損檢測無誤后整體吊裝至塔冠安裝，減少垂直運輸?shù)醮螖?shù)量和屋面塔冠安裝焊接量。綜合運用工廠和地面大構(gòu)件拼裝技術(shù)，將部分零散構(gòu)件提前進(jìn)行合理組合焊接，減少鋼構(gòu)件的安裝吊次，減少現(xiàn)場高空焊接的工作量，降低高空焊接作業(yè)造成的環(huán)境污染和對市民生活及工作的影響，塔冠鋼構(gòu)件施工質(zhì)量、安全及工期管理更為受控，綜合效益提升顯著。

2.3 鋼構(gòu)件串吊技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)塔冠具有造型復(fù)雜、構(gòu)件數(shù)量多及布置不規(guī)則等特點，受安裝和運輸?shù)纫蛩叵拗?，很大部分?gòu)件還是不能在工廠或現(xiàn)場地面組拼，如斜支撐、弧形梁、較長構(gòu)件、組合極為不規(guī)則構(gòu)件等，還需單個構(gòu)件吊運至塔冠安裝焊接，那么現(xiàn)場施工會遇到構(gòu)件垂直運輸占用時間長的問題。高層建筑鋼構(gòu)件垂直運輸主要通過塔吊完成，如一棟建筑高度為250m，塔吊一個吊次上下所用時間長達(dá)50min，不含起吊和放勾時間，相比常規(guī)建筑運輸速度較慢，在有限的機械設(shè)備條件下如何提高垂直運輸效率是關(guān)鍵。對此，結(jié)合塔吊的吊重性能可采用鋼構(gòu)件串吊技術(shù)，將3 至6 根鋼構(gòu)件用鋼絲繩卡口與鋼構(gòu)件的吊耳連接，由下往上排列一次起吊，多個構(gòu)件同時吊運屋面塔冠安裝，垂直運輸效率大大提高。串吊技術(shù)的運用，機械性能及吊裝利用率最大化，降低了施工能耗損失，強化施工現(xiàn)場綠色施工和精細(xì)化管理。

2.4 觀測技術(shù)

高層塔冠鋼結(jié)構(gòu)施工應(yīng)編制針對性測量施工方案，測量技術(shù)直接影響到構(gòu)件定位的精準(zhǔn)性和安裝質(zhì)量。構(gòu)件在吊裝過程中應(yīng)確保吊裝進(jìn)程受控，防止與已有結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，分區(qū)、分階段對安裝的鋼構(gòu)件進(jìn)行定位及標(biāo)高復(fù)核，防止發(fā)生較大累計偏移等，保證施工安全和施工質(zhì)量尤為重要。

觀測前需要找準(zhǔn)基準(zhǔn)點，并在觀測過程中保證基準(zhǔn)點的穩(wěn)定，盡量避免因施工等原因影響基準(zhǔn)點，導(dǎo)致長時間觀測受阻。觀測設(shè)備通常為經(jīng)緯儀、全站儀和水準(zhǔn)儀等，既具有足夠的觀測精度，又輕便靈活，不妨礙施工的正常進(jìn)行。觀測人員應(yīng)當(dāng)在重要的施工過程中進(jìn)行全程觀測，并及時復(fù)核、反饋觀測結(jié)果，以便及時發(fā)現(xiàn)并糾正施工過程中可能出現(xiàn)的構(gòu)件位置偏移。施工過程對每一構(gòu)件安裝定位精準(zhǔn)觀測，控制塔冠構(gòu)件安裝產(chǎn)生的累計誤差，提高構(gòu)件一次安裝成功率，實現(xiàn)塔冠快速安裝和觀測管控。

2.5 碼板與連接板組合構(gòu)造節(jié)點快速安裝技術(shù)

塔冠鋼構(gòu)件數(shù)量多和交錯不規(guī)則布置特點，且屬于高空作業(yè)，風(fēng)和霧等不利天氣均會影響安裝，安裝過程構(gòu)件之間容易發(fā)生碰撞，構(gòu)件安裝定位臨時連接階段牢固性較為薄弱，施工過程容易誘發(fā)安全質(zhì)量事故。若鋼梁定位復(fù)核、焊接拼裝完成再讓塔吊取勾進(jìn)行下一鋼構(gòu)件安裝作業(yè)，施工效率就極為緩慢，若采用連接板焊接固定則不利于構(gòu)件偏差調(diào)整。對此，需解決鋼構(gòu)件定位臨時連接階段的可調(diào)整性和可靠性問題。

結(jié)合塔冠的結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件體量，設(shè)計一種碼板與連接板組合措施構(gòu)造節(jié)點，原理借鑒于鋼柱現(xiàn)場柱拼接和鋼梁現(xiàn)場安裝做法[3]，H 型鋼梁、箱型梁的碼板和連接板均設(shè)置于端部上翼緣，圓形鋼管梁的碼板設(shè)置于端部上方，連接板設(shè)置于端部側(cè)面，安裝時碼板與另一端與連接構(gòu)件擱置或臨時焊接，防止構(gòu)件外力作用下發(fā)生水平或豎向滑移。吊裝到位后進(jìn)行構(gòu)件定位校核、連接板安裝螺栓擰緊即可取勾，進(jìn)行下一構(gòu)件安裝，不用等到焊接完成了再進(jìn)行下一構(gòu)件安裝，過程中存在某一構(gòu)件存在偏位均可較好調(diào)整，整體構(gòu)件定位均無誤后將碼板四周圍焊，方可進(jìn)行構(gòu)件的焊接組拼，焊接組拼完成后將碼板切除，連接板及安裝螺栓周轉(zhuǎn)到下一構(gòu)件使用，對塔冠構(gòu)件安裝效率有效提升，也能保證構(gòu)件安裝的安全和質(zhì)量，同時此構(gòu)造連接板及安裝螺栓周轉(zhuǎn)使用，符合綠色環(huán)保施工理念，有效降低因構(gòu)件安裝偏差大造成返工情況，對復(fù)雜大體量塔冠的實體準(zhǔn)確性呈現(xiàn)提供了有效保障。

2.6 塔冠安裝階段劃分與機械安拆轉(zhuǎn)換技術(shù)

對于高層建筑大體量塔冠安裝施工，吊裝機械的方案布置、選型和塔冠構(gòu)件分段、分節(jié)是關(guān)鍵，安裝階段劃分和機械的安拆轉(zhuǎn)換協(xié)作是重難點，如果在實施前沒有對整個塔冠施工進(jìn)行方案模擬分析，容易導(dǎo)致塔冠施工不能順利進(jìn)行，嚴(yán)重還會出現(xiàn)安全質(zhì)量事故和經(jīng)濟(jì)損失。

塔冠安裝分區(qū)階段流水施工劃分尤為重要，利用屋面混凝土強度養(yǎng)護(hù)或機房層結(jié)構(gòu)施工時間，盡可能完成可施工屋面面飾層以下施工做法，完成屋面排水和防水施工有利于室內(nèi)裝飾裝修工程的穿插施工。大體量復(fù)雜塔冠施工周期相對施工周期長，隨著鋼構(gòu)件的安裝，需搭設(shè)滿堂腳手架，以滿足鋼構(gòu)件安裝的安全作業(yè)條件，滿堂架一般需在塔冠面漆、幕墻等裝飾立面造型等施工完成了才可拆除，若待架體拆除后再施工屋面工程，對項目的整體工期管控較為不利。塔冠施工分區(qū)主要由塔吊機械和塔冠自身體量等因素相互影響，平面分區(qū)分階段安裝，構(gòu)件吊裝、安裝、定位、焊接和油漆等各工序形成流水作業(yè)，機械和人力資源投入都得到最高效利用。有效減少豎向垂直交叉作業(yè)，提高施工人員的安全保障。豎向鋼構(gòu)件分節(jié)，主要由塔吊吊裝性能和構(gòu)件作業(yè)合理分節(jié)點，一是滿足構(gòu)件的正常起吊和安裝，其次滿足構(gòu)件焊接位置的作業(yè)條件和規(guī)范要求，再次是滿足塔吊安拆轉(zhuǎn)換。綜上，塔冠鋼構(gòu)件的階段劃分合理性不僅影響塔冠自身的施工周期及安全作業(yè)，還影響著整個項目的各工序穿插和工期管理。

高層鋼結(jié)構(gòu)施工的垂直運輸機械配置主要為塔吊，對于鋼結(jié)構(gòu)施工來說，采用塔吊，可以有效縮短施工時間、節(jié)約施工成本[4]。大體量的鋼結(jié)構(gòu)塔冠優(yōu)先選用動臂塔吊，優(yōu)點是吊重大，可減少構(gòu)件分節(jié)，大臂角度可變，結(jié)構(gòu)與塔身高度影響相對平臂塔吊要小，屋面主體結(jié)構(gòu)施工前要提前考慮塔吊基礎(chǔ)定位和荷載，對屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行可行性驗算和加固設(shè)計，為減少加固費用投入和二次不必要拆改，可選屋面主體結(jié)構(gòu)或塔冠的插窗機軌道梁作為基礎(chǔ)面，在混凝土結(jié)構(gòu)屋面作為塔吊基礎(chǔ)，在滿足承載力條件下，可選用鋼埋件與混凝土澆筑一次預(yù)埋，穩(wěn)定性相對更好，不影響屋面使用和質(zhì)量可不用拆除；也可采用裝配式移動式基礎(chǔ)，優(yōu)點是可循環(huán)使用，經(jīng)濟(jì)且環(huán)保，具體設(shè)計方案要結(jié)合塔基性能和屋面結(jié)構(gòu)特點。若在塔冠插窗機軌道梁作為塔吊基礎(chǔ)，應(yīng)在軌道梁上設(shè)計塔基基座截面加強和接觸面加大設(shè)計，在塔冠鋼構(gòu)件深化階段完成。基礎(chǔ)的設(shè)計應(yīng)由有資質(zhì)的設(shè)計單位出具，并附有相應(yīng)的計算書，相關(guān)體系施工方案結(jié)合國家及屬地要求通過專家論證和審批完成才可實施。塔吊選型和布置應(yīng)遵循以下兩點原則，一是要與塔冠構(gòu)件分節(jié)重量要匹配，滿足構(gòu)件的吊裝和設(shè)計需求，二是要考慮塔吊順利拆除落地，大塔吊安裝小塔吊，小塔吊拆大塔吊，逐個轉(zhuǎn)換遞減，補缺塔吊占位鋼構(gòu)件，最后一步常規(guī)配置拔桿吊，吊裝完后通過自身解體成零散部件，由施工電梯運輸至地面。塔冠鋼構(gòu)件一是要分節(jié)分段應(yīng)滿足塔吊的吊裝性能，二是分階段安裝和塔吊的安拆順序相契合，通過塔吊選型布置和塔冠構(gòu)件的合理分節(jié)分段安裝雙優(yōu)化，落實精細(xì)化管理，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)塔冠的快速施工。

3 結(jié)論

本文通過項目施工實踐和施工總結(jié)，主要基于BIM 技術(shù)、構(gòu)件拼裝技術(shù)、串吊技術(shù)、快速安裝節(jié)點及機械安拆轉(zhuǎn)換技術(shù)的綜合運用，形成深化、加工和安裝完成一體系的快速安裝施工技術(shù)，可較好提升施工質(zhì)量和效率，使安全管理更有保障。部分鋼構(gòu)件在工廠組拼焊接，可減少現(xiàn)場的焊接作業(yè)量，降低施工過程的大氣污染，符合綠色環(huán)保的施工要求；機械吊裝合理最大化，減少能耗浪費；快速安裝節(jié)點設(shè)計、結(jié)合BIM 模型安裝模擬及機械的安拆轉(zhuǎn)換，確保了施工順利完成。當(dāng)然，不同高層建筑都有差異性，如外界環(huán)境、結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能性質(zhì)等，施工技術(shù)的運用各有差異，應(yīng)結(jié)合高層建筑特點選用針對性施工措施，克服現(xiàn)場施工不利條件，運用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和精細(xì)化項目管理，實現(xiàn)項目管理降本增效。隨著城市建設(shè)高層建筑的不斷聳立，施工技術(shù)提升和發(fā)展勢在必行，該研究成果具有較大的推廣應(yīng)用價值，對類似工程建設(shè)提供較好的參考價值。