基于建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的施工技術(shù)探究與質(zhì)量控制措施

王名文

（中鐵四局集團(tuán)有限公司上海分公司，上海 200000）

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)在建筑行業(yè)的不斷應(yīng)用，建筑行業(yè)得到了飛速發(fā)展，而鋼結(jié)構(gòu)工程“高、大、輕”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其能夠在現(xiàn)代高層建筑項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工問題，眾多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。李冠東[1]對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)和梁柱節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，提高了鋼結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，確保了鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。孟卓[2]首先分析了鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)要點(diǎn)，并根據(jù)施工要點(diǎn)針對(duì)性提出施工質(zhì)量管理措施，齊宏拓[3]等將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與鋼結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行結(jié)合；成佳明[4]等將機(jī)器視覺與焊縫識(shí)別進(jìn)行結(jié)合；劉占省[5]等基于數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力構(gòu)建施工進(jìn)行了分析。最后有關(guān)高難度鋼結(jié)構(gòu)的施工工作方向的研究，例如錢剛[6]等分析了天長(zhǎng)全民健身中心體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的施工過程等。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以上海嘉定新城健康科技有限公司總部、研發(fā)及培訓(xùn)中心項(xiàng)目中1#樓為研發(fā)中心鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工工作為切入點(diǎn)，深入研究鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)要點(diǎn)，進(jìn)一步明確鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)，以期為后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)施工提供參考。

1 工程概況

上海嘉定新城健康科技有限公司總部、研發(fā)及培訓(xùn)中心項(xiàng)目中1#樓為研發(fā)中心。1#樓研發(fā)中心為地上8 層，地下1 層的鋼框架結(jié)構(gòu)高層建筑，地上部分高40m，建筑面積約11 802m2。建筑結(jié)構(gòu)為鋼框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為樁+承臺(tái)+筏板基礎(chǔ)，墻面系統(tǒng)為鋁合金框架玻璃幕墻，樓層使用壓型鋼板組合樓板。

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 荷載組合分析

本工程中主體結(jié)構(gòu)計(jì)算基本風(fēng)壓按50 年重現(xiàn)期取值為0.55kN/m2，地面粗糙度為B 類，屋面基本雪壓按50 年重現(xiàn)期取值為0.205kN/m2，本工程采用集成化建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)YJK（1.9.3.0 版本），鋼結(jié)構(gòu)整體永久荷載由程序自動(dòng)加載并計(jì)算，樓屋面所受可變荷載詳見表1。除此之外，其他活荷載應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行取值，例如樓梯、勘探等的欄桿頂部水平荷載為1.0 kN/m 等。

表1 樓屋面所受可變荷載

2.2 高強(qiáng)螺栓內(nèi)力計(jì)算

本工程的設(shè)計(jì)工作采用的是集成化的建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件YJK（1.9.3.0 版本）進(jìn)行。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工過程中，連接方式的選擇是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，適用的鋼結(jié)構(gòu)連接方式能夠很大程度上決定鋼結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度[7-8]，本工程中鋼結(jié)構(gòu)的連接方式為高強(qiáng)螺栓連接和焊接，其中高強(qiáng)螺栓采用10.9 級(jí)摩擦型高強(qiáng)螺栓，本工程中部分摩擦型高強(qiáng)螺栓抗剪計(jì)算結(jié)果如表2 所示，其中螺栓內(nèi)力按式（1）進(jìn)行計(jì)算。

表2 摩擦型高強(qiáng)螺栓抗剪計(jì)算結(jié)果

2.3 焊縫計(jì)算

本工程中焊縫均按照《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB50661-2011）相關(guān)要求執(zhí)行，所有構(gòu)件的對(duì)接拼接節(jié)點(diǎn)均為等強(qiáng)連接，采用坡口全熔透焊，焊縫質(zhì)量等級(jí)要求為一級(jí)。框架焊縫質(zhì)量等級(jí)為框架梁柱的對(duì)接焊和拼接焊縫上下翼緣要求全熔透焊接。有關(guān)焊縫質(zhì)量的計(jì)算以及強(qiáng)度要求應(yīng)按照下式進(jìn)行[9]。

正面角焊縫應(yīng)力計(jì)算：

3 鋼結(jié)構(gòu)施工

3.1 BIM 技術(shù)在本工程中的應(yīng)用

BIM 技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用越來越廣泛，儼然成為建筑行業(yè)最受關(guān)注的技術(shù)和概念之一，同時(shí)也是建筑行業(yè)信息化的重要舉措。在本工程施工過程中采用了BIM 技術(shù)建立了鋼結(jié)構(gòu)模型，利用BIM 的可視化特點(diǎn)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝過程進(jìn)行模擬，確定工程施工難點(diǎn)，并對(duì)實(shí)際施工進(jìn)行控制，加強(qiáng)了對(duì)施工質(zhì)量的管控。其次，本工程還實(shí)現(xiàn)了BIM 技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，在鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中，對(duì)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一編制，并賦予唯一二維碼，相關(guān)工作人員可通過掃描二維碼來確保構(gòu)件安裝是否正確，工程管理人員也可在BIM 云管理平臺(tái)中實(shí)時(shí)掌握施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量。BIM 技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)施，使本工程中鋼結(jié)構(gòu)施工過程清晰可控，降低了施工管理難度，確保了工程施工質(zhì)量。本項(xiàng)目所采用的BIM 云管理平臺(tái)如圖1所示。

圖1 1#BIM 云管理平臺(tái)

3.2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程

本工程中鋼結(jié)構(gòu)的吊裝主要采用7027 型塔吊作為垂直運(yùn)輸設(shè)備，以及不同高度參數(shù)的直（曲）臂登高車和中、大型卡車、叉車等機(jī)械設(shè)備進(jìn)行輔助作業(yè)，確保鋼結(jié)構(gòu)吊裝工作順利進(jìn)行。本工程中鋼結(jié)構(gòu)吊裝作業(yè)要點(diǎn)如下：起吊前復(fù)驗(yàn)鋼柱腳錨栓的預(yù)埋情況，根據(jù)鋼柱的重量及吊點(diǎn)情況，計(jì)算出鋼絲繩的規(guī)格大小，準(zhǔn)備足夠的不同長(zhǎng)度、不同規(guī)格的鋼絲繩以及卡環(huán)。鋼柱吊點(diǎn)設(shè)置在鋼柱的頭部?jī)蓚?cè)，直接用設(shè)置于鋼柱頂部的吊裝臨時(shí)連接板固定卡環(huán)。

吊裝順序如圖2 所示。從圖中可知，本工程中鋼結(jié)構(gòu)的安裝從一角開始向兩側(cè)及中間逐步安裝，呈扇形逐步推進(jìn)，鋼柱的吊裝按照各樓層的安裝順序進(jìn)行，并及時(shí)形成穩(wěn)定的框架體系。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝順序示意圖

吊裝過程中各工種應(yīng)協(xié)調(diào)作業(yè)，隨時(shí)調(diào)整構(gòu)件行進(jìn)路線，調(diào)整好構(gòu)件垂直度，到達(dá)指定位置懸停。將鋼柱柱底板穿入地腳螺栓，放置在調(diào)節(jié)好的螺帽上，并將柱的四面中心線與基礎(chǔ)線中心線對(duì)齊吻合，穿上壓板將螺栓擰緊。固定好鋼柱的纜風(fēng)繩，拉緊纜風(fēng)繩，即為完成鋼柱的就位工作[10-11]。

安裝吊裝措施如下：吊裝前將安裝爬梯安裝在鋼柱的一側(cè)，同時(shí)在柱與鋼梁的連接位置下1.3m 處焊接固定裝配式安裝操作平臺(tái)的臨時(shí)槽鋼；鋼柱吊到就位上方200mm 時(shí)應(yīng)停機(jī)穩(wěn)定，對(duì)準(zhǔn)螺栓孔和十字線后，緩慢下落，使鋼柱四邊中心線與基礎(chǔ)十字軸線對(duì)準(zhǔn)，柱腳定位如圖3（a）所示；在吊機(jī)松鉤前，采用鋼絲繩纜風(fēng)繩進(jìn)行固定，對(duì)鋼柱進(jìn)行初步測(cè)量校正；柱底就位時(shí)少量的校正可用千斤頂和調(diào)整螺母法校正，如圖3（b）所示；鋼柱用塔吊吊升就位后，穿入其余安裝螺栓，并將上柱四面的中心線與下柱中心線對(duì)齊吻合，四面兼顧中心線對(duì)準(zhǔn)或已使偏差控制在規(guī)范要求范圍以內(nèi)時(shí)，將螺栓擰緊。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)安裝細(xì)節(jié)示意圖

3.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝

本工程中鋼結(jié)構(gòu)吊裝工作施工要點(diǎn)如下：

在需要安裝的鋼柱的柱身上標(biāo)注鋼柱的安裝方向，標(biāo)識(shí)中心線，同時(shí)在鋼柱上捆綁安全爬梯，爬梯采用φ12 的圓鋼制作。鋼柱吊點(diǎn)設(shè)置在鋼柱的上部，吊裝前，下節(jié)鋼柱頂面和本節(jié)鋼柱底面的渣土和浮銹須清除干凈。

鋼柱吊裝到位后，鋼柱的中心線應(yīng)與下面一段鋼柱的中心線吻合，各個(gè)端面兼顧，連接好臨時(shí)連接夾板。鋼柱臨時(shí)固定完成后，即可進(jìn)行初校，校正時(shí)與梁連接牛腿標(biāo)高需進(jìn)行復(fù)測(cè)，以便鋼梁的安裝以牛腿為標(biāo)高基準(zhǔn)進(jìn)行定位[12]。

安裝前，預(yù)先對(duì)上下節(jié)柱對(duì)接端口彈出定位線，作為安裝基準(zhǔn)線，鋼柱對(duì)接基準(zhǔn)線示意如圖4 所示，并使用安裝螺栓將連接板臨時(shí)固定在上節(jié)柱上，鋼柱用塔吊吊升就位后，穿入其余安裝螺栓，并將上柱四面的中心線與下柱中心線對(duì)齊吻合，四面兼顧中心線對(duì)準(zhǔn)或已使偏差控制在規(guī)范要求范圍以內(nèi)時(shí)，將螺栓擰緊，焊接完成后割除臨時(shí)連接板。

圖4 鋼柱對(duì)接基準(zhǔn)線示意圖

3.4 鋼結(jié)構(gòu)連接施工

本工程中鋼結(jié)構(gòu)的連接方式包括高強(qiáng)螺栓連接和焊接兩種，有關(guān)兩種連接方式的施工要點(diǎn)如下：

焊接整體原則：“統(tǒng)一對(duì)稱、分區(qū)進(jìn)行；單桿雙焊、雙桿單焊”。以控制應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)闇?zhǔn)則，詳細(xì)制定焊接順序。針對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)而言，柱、梁等剛性接頭的焊接施工，應(yīng)先從整個(gè)結(jié)構(gòu)的中間構(gòu)件上施焊，先形成整體后向左、右擴(kuò)展焊接。針對(duì)框架而言，平面上應(yīng)先從整個(gè)結(jié)構(gòu)的中間構(gòu)件上施焊，先形成框架后向左、右擴(kuò)展焊接。立面上應(yīng)遵循上層鋼柱施焊完成后再進(jìn)行下層環(huán)梁施焊的原則。箱型鋼柱對(duì)接焊接順序見圖5。

圖5 箱型鋼柱對(duì)接焊接順

焊條、焊絲、焊劑，及其熔敷金屬的屈服強(qiáng)度等指標(biāo)應(yīng)與主體金屬相適應(yīng)，手工焊條應(yīng)在對(duì)Q234鋼材時(shí)選擇E43型焊條，Q345 鋼材時(shí)選擇E50 焊條。

工程梁柱節(jié)點(diǎn)基本為H 型鋼梁對(duì)接節(jié)點(diǎn)，H 型鋼構(gòu)件焊接順序?yàn)椋合群赶乱砭?，后焊上翼緣?/p>

高強(qiáng)螺栓孔應(yīng)采用鉆成孔，孔徑應(yīng)比螺栓公稱直徑大1.5mm。高強(qiáng)螺栓不得重復(fù)使用，安裝完畢，不得點(diǎn)焊螺帽和打亂絲扣。當(dāng)不同板厚連接須設(shè)置填板時(shí)，填板表面應(yīng)作與母材相同的表面處理。當(dāng)環(huán)境溫度高于150℃時(shí)，應(yīng)采取隔熱防護(hù)措施。梁柱部位高強(qiáng)螺栓連接見圖6 所示。

圖6 梁柱高強(qiáng)螺栓連接示意圖

本工程中高強(qiáng)螺栓為10.9 級(jí)摩擦型高強(qiáng)螺栓。連接板材為Q345B 時(shí)摩擦面抗滑移系數(shù)不小于0.50；連接板材為Q235B 時(shí)，摩擦面的抗滑移系數(shù)不小于0.45。高強(qiáng)螺栓安裝順序?yàn)椋菏紫葘?duì)校沖孔、替換臨時(shí)螺栓，安裝高強(qiáng)螺栓，隨后初擰（依次由里向外、中間向兩邊），最后終擰（依次由里向外、中間向兩邊）。

3.5 除銹、防腐與耐火施工要求

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在涂裝前應(yīng)進(jìn)行拋丸除銹處理，局部修補(bǔ)時(shí)可采用手工機(jī)械除銹，除銹等級(jí)應(yīng)達(dá)到相關(guān)規(guī)范中的Sa2.5 級(jí)，表面粗糙度應(yīng)控制在Rz40～70μm，且處理后的鋼材不應(yīng)存在焊渣、焊疤、灰塵、油漬、水和毛刺等。本工程中埋入混凝土的鋼構(gòu)件表面及構(gòu)件剖口部位均不允許涂刷油漆或有油污。柱腳在地面以下的部分應(yīng)采用強(qiáng)度等級(jí)較低的混凝土進(jìn)行包裹（保護(hù)層厚度不應(yīng)小于50mm），包裹的混凝土高出室外地面不小于150mm，室內(nèi)地面不小于50mm，并宜采取措施防止水分殘留，當(dāng)柱腳底面在地面以上時(shí)。柱腳底面高出室外地面不小于100mm。鋼構(gòu)件在出廠前噴涂庭漆、其噴砂除銹完成后至底漆噴涂的時(shí)間間隔不應(yīng)大于3h。鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝設(shè)計(jì)年限為30 年、并應(yīng)進(jìn)行定期維護(hù)，構(gòu)件出廠安裝前、鋼結(jié)構(gòu)表面摩擦連接面、現(xiàn)場(chǎng)焊縫兩側(cè)各50mm 不能涂漆，但工地焊接部位及兩側(cè)應(yīng)進(jìn)行不影響焊接的除銹處理。

本項(xiàng)目中鋼結(jié)構(gòu)耐火時(shí)限及防火涂料厚度見表3 所示。耐火時(shí)限為1.5h 及以下的鋼結(jié)構(gòu)可采用膨脹性防火涂料、耐火時(shí)限在1.5h 以上的鋼結(jié)構(gòu)采用非膨脹性（厚型）防火材料，位于室外的鋼構(gòu)件的防火涂料應(yīng)采用室外型涂料。

表3 鋼結(jié)構(gòu)耐火時(shí)限及防火涂料厚度

4 施工質(zhì)量控制技術(shù)要點(diǎn)

施工組織準(zhǔn)備要點(diǎn)：精心編寫施工組織設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)理念與施工的有效結(jié)合，切實(shí)完善施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)開展施工技術(shù)試驗(yàn)和程序鑒定工作[13-14]。

吊裝技術(shù)要點(diǎn)：吊裝準(zhǔn)備主要是指準(zhǔn)備施工中需要的起重機(jī)，常見的有塔式起重機(jī)和自升式起重機(jī)，并確保吊裝機(jī)械能夠滿足吊裝需求。

施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備技術(shù)要點(diǎn)：準(zhǔn)備檢驗(yàn)測(cè)量和測(cè)量鋼材零部件的儀器設(shè)備，完成施工設(shè)備的選型和配套工作，加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)公開，明確技術(shù)質(zhì)量安全責(zé)任。

鋼柱安裝技術(shù)要點(diǎn)。安裝鋼柱前，首先要重新檢查下一根柱的標(biāo)高和軸線，及時(shí)修改現(xiàn)有誤差，安裝前將鋼柱安裝在下部的鋼柱上。

鋼梁、鋼柱安裝技術(shù)要點(diǎn)：（1）在安裝前，檢查鋼柱上的連接件、混凝土芯管的預(yù)埋件，主要檢查連接件的平整度是否符合標(biāo)準(zhǔn)，檢查螺孔位置是否正確，摩擦表面狀況以及預(yù)埋件的位置、清潔度和平整度。（2）在吊裝前，在梁表面安裝扶手或扶手和扶手繩，普通扶手的高度為1m，并與梁的長(zhǎng)度一起設(shè)置，作為施工人員的通道。（3）在整個(gè)安裝過程中，主要采用兩個(gè)吊點(diǎn)的方式，通常是用于起吊荷載的吊索、系緊方法和在梁柱上設(shè)置吊耳。

5 結(jié)論

本文對(duì)上海嘉定新城健康科技有限公司總部、研發(fā)及培訓(xùn)中心項(xiàng)目中1#樓研發(fā)中心的鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)進(jìn)行分析，研究結(jié)論如下：

（1）對(duì)本工程中荷載組合、高強(qiáng)螺栓連接及焊縫等重要節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行論述，明確本工程中設(shè)計(jì)質(zhì)量控制要點(diǎn)，確保了本工程設(shè)計(jì)工作質(zhì)量；

（2）對(duì)本工程施工過程進(jìn)行分析，論述本工程中施工技術(shù)細(xì)節(jié)，并根據(jù)本工程施工過程總結(jié)了鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量控制措施，所得研究結(jié)果對(duì)今后鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制具有一定的指導(dǎo)意義的。