超高層大體量鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工技術(shù)

摘 要：對超高層大體量鋼結(jié)構(gòu)塔冠深化、安裝吊裝、測量進(jìn)行了分析，提出了運(yùn)用BIM技術(shù)、根據(jù)塔式起重機(jī)吊重地面分段拼裝吊裝、臨時支撐、測量及機(jī)械布置施工等方法，達(dá)到了鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工質(zhì)量、安全、效率和管理水平大幅提升的效果，解決了大體量鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工過程中構(gòu)件多、質(zhì)量大、高空作業(yè)的問題。

關(guān)鍵詞：超高層鋼結(jié)構(gòu)；塔冠；臨時支撐；分段拼裝

中圖分類號：TU9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）09-0021-03

收稿日期：2024-07-02

作者簡介：鄔博亮（1996—），男，四川眉山人，本科，工程師，研究方向：建筑施工技術(shù)管理。

0 引言

隨著城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，超高層建筑層出不窮，超高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)塔冠更好地展示其優(yōu)美的外形，也是整個建筑物點(diǎn)睛之筆。超高層鋼結(jié)構(gòu)塔冠一般都具有構(gòu)件多、質(zhì)量大、高空作業(yè)等特點(diǎn)，若在施工前期未做充分的方案評審和技術(shù)措施研究論證，很難保證實(shí)際施工過程的質(zhì)量、安全和進(jìn)度控制。

本文對超高層建筑大體量鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工技術(shù)應(yīng)用淺析主要包括深化、制作及安裝等施工過程。在深化階段運(yùn)用BIM軟件深化建模，對實(shí)體模型進(jìn)行安裝模擬和方案設(shè)計，實(shí)現(xiàn)工廠的精準(zhǔn)制作、構(gòu)件運(yùn)輸和組拼。

利用塔式起重機(jī)吊重合理對鋼構(gòu)件進(jìn)行分節(jié)拼裝，減少整體吊次，提高整體施工效率，通過利用可周轉(zhuǎn)臨時鋼支撐減少了現(xiàn)場的回頂，提升了塔冠施工安全性，降低了整體措施費(fèi)。這樣不僅能為高層鋼結(jié)構(gòu)塔冠快速施工提供質(zhì)量保障，也能為類似工程的實(shí)施提供一定理論和實(shí)踐指導(dǎo)依據(jù)，推動超高層鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工技術(shù)提升和創(chuàng)新。

1 工程概況

本工程為重點(diǎn)交通樞紐的站前廣場項目，含8棟超高層建筑，總建筑面積約30萬㎡，建筑外輪廓為“三翼花瓣式竹筍”造型，其中最高一棟樓建筑高度191 m，地上31層，地下2層，結(jié)構(gòu)形式為矩形鋼管混凝土柱+鋼梁 +鋼筋混凝土核心筒，主要功能辦公、酒店、商業(yè)，抗震設(shè)防烈度7度，耐火等級1級。每棟超高層建筑均有超40 m的鋼結(jié)構(gòu)塔冠，每個塔冠約有5 000根鋼構(gòu)件，構(gòu)件均為方管、雙曲面圓管。

2 高層大體量鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 塔機(jī)的選型

在選擇塔式起重機(jī)時，要將塔機(jī)的定位、部件的分段以及提升的技術(shù)進(jìn)行綜合考慮，對施工方案進(jìn)行了優(yōu)化，著眼于最大化地發(fā)揮塔機(jī)的機(jī)械性能。探索構(gòu)件合理分段（主要指鋼柱、大型桁架等重型構(gòu)件）、節(jié)點(diǎn)分塊制作、多次吊裝、高空焊接成型等深化設(shè)計階段的優(yōu)化。

渝昆高鐵宜賓站站前廣場項目地上鋼柱單節(jié)質(zhì)量均為2 t左右，綜合整體工期考慮兩層一吊，以提高施工效率；塔冠高度42 m，塔機(jī)自由端高度需大于50 m，中聯(lián)R275塔機(jī)在能保證吊重的情況下，最大自由端高度56 m，并且跟同類型臂長70 m的塔機(jī)對比，吊重更大、性能更穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)型更高，能滿足現(xiàn)場施工。

安裝塔式起重機(jī)前對塔冠分塊吊重進(jìn)行可行性分析，在R≤42.5 m范圍內(nèi)，塔式起重機(jī)額定起重均為6 t，在R≤45 m范圍內(nèi)，塔式起重機(jī)額定起重均為5.77 t，均能滿足塔冠安裝要求，塔式起重機(jī)吊裝鋼構(gòu)分段圖見圖1。

2.2 BIM技術(shù)應(yīng)用

在塔冠鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)的前期深化設(shè)計階段，利用 Tekla、 Revit等建模軟件，根據(jù)建筑圖紙對其進(jìn)行了深化設(shè)計，針對鋼結(jié)構(gòu)和土建間的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，提前對其進(jìn)行了仿真，以降低后期的返工次數(shù)，并以最快最準(zhǔn)確的速度、精度將虛擬實(shí)體模型展現(xiàn)出來。將 BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑工程，并利用相關(guān)的技術(shù)軟件對施工現(xiàn)場進(jìn)行有效的仿真，可以保證鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的預(yù)拼裝質(zhì)量，迅速地發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在生產(chǎn)和加工中存在的問題，從而最大限度地降低企業(yè)的成本[1]。

利用 BIM對建筑模型進(jìn)行深化，不僅利于發(fā)現(xiàn)建筑圖紙本身存在的問題，如碰撞、構(gòu)件錯位、構(gòu)件信息缺失等，還能夠?qū)κ┕み^程中出現(xiàn)的諸如空間狹小、構(gòu)件密集不利于焊接作業(yè)以及質(zhì)量控制等問題進(jìn)行預(yù)警。將這些問題及時地匯總，并將這些信息反饋給設(shè)計單位，設(shè)計單位通過優(yōu)化完善圖紙再進(jìn)行復(fù)核，可以提前解決問題，不會增加額外的拆改工期和費(fèi)用，為現(xiàn)場實(shí)際施工順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

大型塔式結(jié)構(gòu)中的冠部構(gòu)件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)和形狀也比較復(fù)雜，在實(shí)際的安裝過程中，需要將各部分進(jìn)行分段拼裝。技術(shù)人員進(jìn)行安裝構(gòu)件工序模擬和合理分節(jié)、分段。利用較為直觀的塔冠模型，優(yōu)化塔冠專項施工方案，羅列施工重難點(diǎn)及對應(yīng)的解決措施，在 BIM模型中，將問題提前解決，并根據(jù)工程的實(shí)際需要，對各個部件進(jìn)行合理的拆分，利用 Tekla深化設(shè)計軟件對部件進(jìn)行深化，在工廠內(nèi)對鋼部件進(jìn)行準(zhǔn)確的下料和加工制造，對整個塔冠及屋面工程施工進(jìn)行方案分析和比選。塔冠鋼構(gòu)深化空間圖見圖2。

2.3 工廠及地面大構(gòu)件拼裝工藝

塔冠鋼構(gòu)件不僅需滿足結(jié)構(gòu)的受力要求，而且要滿足建筑的外形要求，其鋼構(gòu)件尺寸大，安裝高度高，施工難度大，構(gòu)件布局不規(guī)整，給施工帶來了很大風(fēng)險。針對這種情況，為了降低塔冠頂部鋼構(gòu)件在工地上的拼接數(shù)量，提高安裝的效率，可以采用頂板部件組裝技術(shù)，即將一些零散的部件根據(jù)塔式起重機(jī)吊重焊成一個大部件，然后整體吊裝到屋頂塔架頂部進(jìn)行安裝。

根據(jù)工程的實(shí)際情況，可以將其分為在工廠進(jìn)行組裝和在工地上進(jìn)行地面組裝。在工廠里進(jìn)行大部件的組裝，工廠的加工環(huán)境、機(jī)械設(shè)備和人員都要比現(xiàn)場的情況更好，構(gòu)件的預(yù)拼和組拼都要對各個部件的尺寸、角度和焊縫質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，塔式起重機(jī)、胎架和生產(chǎn)工人之間的協(xié)作才能確保，如果工廠的加工能力能夠滿足，那么在運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝的情況下，大部件的組裝最好是在工廠內(nèi)完成，在某種程度上可以降低零星構(gòu)件的現(xiàn)場組拼和焊接。

工地上的大型部件，在運(yùn)送到工地的時候，會受到運(yùn)輸?shù)南拗?，除非是一些特別的項目，或者是一些不能分割的節(jié)點(diǎn)，否則是不會被允許的。如果是一種超限運(yùn)輸?shù)脑?，那么它的?jīng)濟(jì)成本就會很高，而且在運(yùn)輸?shù)倪^程中，對它的管理也會變得更加困難。針對這種情況，在滿足機(jī)械提升特性和安裝要求的情況下，推薦使用頂板大部件組裝技術(shù)。

在頂板上焊接操作胎架，利用塔式起重機(jī)或汽車起重機(jī)等機(jī)械對部件的轉(zhuǎn)角和移動進(jìn)行控制，在地上還可以對一些特種部件進(jìn)行組裝和焊接，在檢查部件的尺寸和無損檢查無誤之后，將其整體吊裝到塔頂安裝，從而降低豎向運(yùn)輸?shù)醮蔚拇螖?shù)，降低屋頂塔冠的安裝工作量。綜合利用現(xiàn)場及現(xiàn)場大型部件組裝工藝，塔冠鋼構(gòu)件的質(zhì)量、安全及工期可得到有效控制，提高施工效益。

2.4 現(xiàn)場安裝施工流程

進(jìn)行核心全殼區(qū)主體結(jié)構(gòu)第一層至第二層第一二塊吊裝，吊裝就位將桁架柱腳與底部埋件進(jìn)行焊接，并設(shè)置臨時支撐保證其穩(wěn)定性。進(jìn)行第一塊和第二塊間的補(bǔ)桿安裝，重復(fù)以上步驟，完成核心全殼區(qū)主體結(jié)構(gòu)所有分塊吊裝及補(bǔ)桿安裝。

半殼一區(qū)主體結(jié)構(gòu)分塊吊裝、安裝方式同核心全殼區(qū)主體結(jié)構(gòu)一致：半殼一區(qū)馬道花池結(jié)構(gòu)安裝→半殼一區(qū)頂部花冠結(jié)構(gòu)散裝→半殼二區(qū)主體結(jié)構(gòu)→馬道花池→頂部花冠結(jié)構(gòu)安裝。然后再拆除所有安裝措施、安裝完成。塔冠安裝施工流程見圖3。

2.5 鋼構(gòu)件臨時支撐

豎向桁架安裝時，設(shè)置兩道支撐作為臨時穩(wěn)定措施，支撐在吊裝分塊1/2高度處，臨時支撐桿件規(guī)格為Φ114 mm×6 mm，圓管下部設(shè)置200 mm×200 mm ×10mm的預(yù)埋件，距離鋼柱預(yù)埋件5 m，在下部混凝土板鋼筋施工時，同步進(jìn)行預(yù)埋[2]。

2.6 吊裝單元吊耳設(shè)置

2.6.1 鋼絲繩選擇

構(gòu)件吊裝采用4根鋼絲繩的兩點(diǎn)吊法分析。鋼絲繩夾角通過鋼絲繩的長度控制在60°以內(nèi)。構(gòu)件質(zhì)量最大5.4 t。安全系數(shù)按6考慮，選用直徑20 mm的6×37類抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa鋼絲芯鋼絲繩。

2.6.2 溜繩選擇

構(gòu)件高度較大，在吊裝過程中，為防止構(gòu)件發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移，需在構(gòu)件單元兩端下拉設(shè)溜繩。溜繩材質(zhì)為麻繩，采用直徑為20 mm的麻繩，綁扎在構(gòu)件兩側(cè)，每根溜繩安排兩名施工人員進(jìn)行人工牽拉引導(dǎo)構(gòu)件的方向。

2.7 觀測技術(shù)要點(diǎn)

項目塔冠造型為三翼花瓣外擴(kuò)造型，必須在施工前制定有針對性的測量施工計劃。為了避免與既有結(jié)構(gòu)碰撞，必須對吊裝過程進(jìn)行控制，對已安裝的鋼材進(jìn)行分區(qū)分階段定位，并對其標(biāo)高進(jìn)行復(fù)核，以避免出現(xiàn)過大的累積偏差，從而確保施工的安全性和施工質(zhì)量[3]。

在進(jìn)行觀測之前，必須先對參考點(diǎn)進(jìn)行定位，確保參考點(diǎn)的穩(wěn)定性，以防止由于施工等因素對參考點(diǎn)造成長期的干擾。觀測儀器一般是經(jīng)緯儀、全站儀、水平儀等，要有較高的測量精度，而且要輕便、靈活，不影響工程的正常開展。對重點(diǎn)工程實(shí)施全過程觀測，對觀測結(jié)果及時進(jìn)行復(fù)核和反饋，以及時發(fā)現(xiàn)和修正構(gòu)件在施工期可能產(chǎn)生的位移。在施工過程中，對各部件的安裝位置進(jìn)行精確監(jiān)測，并對塔架的安裝過程中累積的誤差進(jìn)行控制，從而提高了塔冠一次安裝的成功率，達(dá)到了塔冠的快速安裝與監(jiān)測。

3 結(jié)束語

在超高層建筑中采用大體量鋼結(jié)構(gòu)塔冠技術(shù)，可以有效地提高建筑的質(zhì)量與效率，保證建筑的安全性。有些零件是在廠內(nèi)進(jìn)行拼焊的，這樣就可以減少工地上的焊接工作量，也可以減少對環(huán)境的污染。將機(jī)械提升到最大限度，降低能源消耗，克服惡劣的工地環(huán)境，利用先進(jìn)的科技手段和精細(xì)的項目管理，達(dá)到降低成本、提高效益的目的。隨著超高層建筑的日益增多，其鋼塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計也變得越來越復(fù)雜，其建造工藝的提高與發(fā)展已成為必然，推動超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 陶葉林.高層鋼結(jié)構(gòu)建筑裝配式快速安裝技術(shù)[J].磚瓦，2021 （12）：71-72.

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[3] 成嘉楠.鋼結(jié)構(gòu)在土木工程施工技術(shù)中的應(yīng)用分析[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2022（1）：76-77.