中國(guó)建筑第五工程局有限公司安徽分公司 合肥 230051

1 工程概況

蚌埠三館工程由規(guī)劃館、檔案館、博物館組成，建筑面積68 325.98 m2，其中博物館單體地下局部1 層，地上5 層，總高34.4 m；規(guī)劃館、檔案館單體地下局部1 層，地上6 層，總高30.45 m，三館均為框架結(jié)構(gòu)。其中博物館中庭1～5層部分內(nèi)空，四周設(shè)有勁性混凝土斜交網(wǎng)格柱，中庭頂部為36 m×36 m大跨度鋼桁架屋蓋。中庭設(shè)有“之”字形回轉(zhuǎn)懸吊的拉索結(jié)構(gòu)鋼坡道，以頂部鋼桁架屋蓋和周邊勁性混凝土斜交網(wǎng)格柱為支座。

勁性混凝土斜交網(wǎng)格柱是由斜柱斜向交叉組成網(wǎng)格筒體的一種新型結(jié)構(gòu)體系，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)與鄰近的梁柱端部是一個(gè)有著緊密聯(lián)系的單元，顯著提高了鄰近的梁柱端的強(qiáng)度、剛度以及錨固性能，避免了二階彎矩的產(chǎn)生，使得受力更加合理，傳力更加明確。勁性混凝土組合結(jié)構(gòu)作為一種新的結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化的組合效益。其一，斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大，能夠承受較大的水平荷載，其二，斜交網(wǎng)格形式有很強(qiáng)的集合規(guī)律，可以獲得特殊的建筑視覺(jué)效果[1-4]。

2 BIM技術(shù)的應(yīng)用

整個(gè)勁性混凝土斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工前，針對(duì)中庭結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的情況，在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)用BIM技術(shù)、建立BIM模型，對(duì)鋼構(gòu)和復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充分優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)控加工、預(yù)拼裝、三維定位精確測(cè)量和安裝，有效解決了斜交網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)施工難度大的問(wèn)題，不但節(jié)省了鋼材，而且減少了操作難度，節(jié)約了工期。

2.1 模型的建立

對(duì)于博物館中庭鋼結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目部采用Sketchup、X-steel軟件進(jìn)行建模。本工程鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是博物館中庭四周設(shè)有斜交網(wǎng)格型鋼混凝土柱，中庭進(jìn)深36 m×36 m，高度為34.4 m，與屋面平齊。且斜交網(wǎng)格柱承受“之”形拉索吊橋的側(cè)向拉力作用，對(duì)斜交網(wǎng)格柱一些節(jié)點(diǎn)的施工要求更加嚴(yán)格。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

在方案設(shè)計(jì)階段，由于工程結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性，圖紙較難表達(dá)，采用BIM技術(shù)，建立了Sketchup模型，更好地表現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖和結(jié)構(gòu)形式。在深化設(shè)計(jì)中，采用X-steel軟件，建立了鋼結(jié)構(gòu)模型，對(duì)型鋼梁柱、斜交網(wǎng)格柱等的深化、精確加工、安裝起到了非常大的作用。如圖1所示。

圖1 中庭斜交網(wǎng)格三維示意

深化設(shè)計(jì)圖紙中輸出的安裝布置圖及構(gòu)件編號(hào)的設(shè)定，包括平面布置圖和立面布置圖以及布置圖所示構(gòu)件的索引圖。安裝布置圖所包含的內(nèi)容有構(gòu)件編號(hào)、安裝方向、標(biāo)高、安裝說(shuō)明等一系列安裝所必須具有的信息。

1）對(duì)拉螺栓孔深化設(shè)計(jì)。根據(jù)模板方案設(shè)計(jì)，型鋼柱螺栓豎向間距為900 mm，柱底第1道對(duì)拉螺栓距地面200 mm，深化設(shè)計(jì)時(shí)需確定對(duì)拉螺栓孔的位置。型鋼柱在廠家加工時(shí)，根據(jù)深化設(shè)計(jì)結(jié)果，在型鋼柱腹板上開直徑為30 mm的圓孔。

2）復(fù)雜節(jié)點(diǎn)鋼筋孔深化設(shè)計(jì)。型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)處由于型鋼梁和鋼支撐牛腿的存在，其翼緣影響型鋼柱主筋在其寬度范圍內(nèi)順利通過(guò)，因此，在型鋼梁、柱加工前，需進(jìn)行型鋼柱主筋位置的排布方式和主筋穿型鋼梁翼緣方式的深化設(shè)計(jì)。

3）型鋼混凝土柱中主筋及箍筋的調(diào)整。型鋼柱與混凝土梁連接，需先在混凝土梁方向加焊牛腿，再將梁筋與牛腿進(jìn)行焊接來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于700 mm×400（500）mm×25 mm×36 mm型鋼柱相對(duì)于1 000 mm×1 000 mm混凝土截面較小，加之鋼筋布置密集、規(guī)格較大等問(wèn)題，實(shí)際施工中需根據(jù)牛腿位置重新布置柱主筋位置，且鋼柱上的栓釘及牛腿導(dǎo)致柱箍筋無(wú)法自上而下施工。針對(duì)上述問(wèn)題，采取相對(duì)鋼柱栓釘及牛腿位置調(diào)整柱主筋位置，改變箍筋肢距，且聯(lián)合設(shè)計(jì)單位改變箍筋形式，即改小封閉箍筋為復(fù)合箍筋再焊接封閉，原八角箍筋改為拉鉤，完美地解決了施工難題。如圖2、圖3所示。

圖2 原設(shè)計(jì)

圖3 深化設(shè)計(jì)后

4）混凝土梁與型鋼混凝土柱的節(jié)點(diǎn)區(qū)施工時(shí)，梁的主筋處理主要本著能通則通、不通則焊，但同時(shí)又要避開柱內(nèi)主筋位置的原則，對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)位置進(jìn)行放樣，選擇最優(yōu)布筋位置，要求現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按深化設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工。如圖4、圖5所示。

圖4 深化設(shè)計(jì)前

圖5 三維BIM模型深化設(shè)計(jì)后

2.3 三維數(shù)控加工

常見(jiàn)鋼結(jié)構(gòu)二次數(shù)控加工設(shè)備包括數(shù)控三維鉆、數(shù)控轉(zhuǎn)角帶鋸、數(shù)控鎖口機(jī)及相關(guān)的自動(dòng)化料道，可組成自動(dòng)生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)少吊車或無(wú)吊車化加工，其工藝流程為：上料（將工件放到橫向料道）→由推料機(jī)構(gòu)自動(dòng)將工件推入縱向料道→縱向料道將工件送進(jìn)數(shù)控三維鉆，按數(shù)控程序的設(shè)定自動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行鉆孔加工→鉆孔加工完成后工件料道繼續(xù)送進(jìn)，由鋸床按設(shè)定長(zhǎng)度截?cái)唷ぜ財(cái)嗪笕粜枰姸丝谟涉i口銑加工端口然后出料，若不需要就直接出料→整個(gè)加工工序完成?？紤]到各臺(tái)設(shè)備尤其是鋸床和三維鉆床加工能力的不均衡，故布置2 臺(tái)鋸床以滿足均衡生產(chǎn)的需要。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝

預(yù)拼裝是將分段制造的柱、梁、支撐等和多層鋼構(gòu)件，在出廠前進(jìn)行整體或分段、分層臨時(shí)性組裝的作業(yè)過(guò)程。預(yù)拼裝是控制質(zhì)量、保證在現(xiàn)場(chǎng)順利安裝的有效措施。預(yù)拼裝方法分為整體預(yù)拼裝、分段預(yù)拼裝和分層預(yù)拼裝。本工程中庭鋼結(jié)構(gòu)采用分段預(yù)拼裝方法。

分件、分段制作的鋼框架，其柱與柱、柱與柱間支撐和平臺(tái)梁的連接，需進(jìn)行分段預(yù)拼裝。即從底柱開始，每2 節(jié)柱為一預(yù)拼裝單元，按順序向上進(jìn)行預(yù)拼裝。分塊制作的殼體結(jié)構(gòu)可視拼裝場(chǎng)地以2～4 帶為一拼裝單元依次進(jìn)行預(yù)拼裝。工藝要求在預(yù)拼裝中應(yīng)套鉆或擴(kuò)孔，這是保證構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸和公差要求的必要措施，但這會(huì)使構(gòu)件的連接孔喪失互換性，因此應(yīng)將預(yù)裝好的構(gòu)件或零件編號(hào)定位，并繪制排版圖，使現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)各零部件可以對(duì)號(hào)就位。

鋼構(gòu)件預(yù)拼裝完成后，與BIM模型進(jìn)行尺寸復(fù)核，確認(rèn)合格后，分段輸運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。

3 鋼結(jié)構(gòu)吊裝技術(shù)

針對(duì)中庭頂部36 m×36 m大跨度鋼桁架屋蓋的施工，在考慮采用高空散裝需搭設(shè)滿堂胎架，造成工序交叉作業(yè)困難，施工成本高；而采用整體吊裝因高度和塔吊臂距不足，且巨型吊車使用成本高等因素，現(xiàn)場(chǎng)施工采用中庭地下室頂板預(yù)留吊裝洞口的方法，吊車進(jìn)入地下室中庭（圖6），分段整體吊裝，吊裝易操作、施工簡(jiǎn)便、節(jié)約工期、成本低廉。

1）吊裝前的準(zhǔn)備。構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)應(yīng)按現(xiàn)場(chǎng)吊裝的需要，分批配套進(jìn)場(chǎng)，每批進(jìn)場(chǎng)構(gòu)件的編號(hào)及數(shù)量，需提前3 d通知加工廠。構(gòu)件驗(yàn)收分2 步進(jìn)行，第1步加工廠檢驗(yàn)，存在的問(wèn)題應(yīng)在工廠處理合格后方可發(fā)運(yùn)，做好預(yù)拼裝工作；第2步構(gòu)件運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)后，由現(xiàn)場(chǎng)專職質(zhì)檢員先組織檢查驗(yàn)收。如發(fā)現(xiàn)缺少或損壞，質(zhì)量不合格者，立即退場(chǎng)處理。

2）施工測(cè)量。測(cè)量工作的好壞是關(guān)系到整體鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量和進(jìn)度的大問(wèn)題，是鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量控制最重要的工作之一。為此鋼結(jié)構(gòu)安裝應(yīng)重點(diǎn)做好以下幾項(xiàng)工作：設(shè)計(jì)圖紙的審核；測(cè)量定位依據(jù)點(diǎn)的交接和校測(cè)；測(cè)量用具的檢定與檢校；測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；建筑物測(cè)量驗(yàn)線。

鋼結(jié)構(gòu)安裝前，土建部分已做完基礎(chǔ)，為了確保鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量，進(jìn)場(chǎng)后首先要求土建部分提供建筑物軸線、標(biāo)高及其軸線基準(zhǔn)點(diǎn)、標(biāo)高水準(zhǔn)點(diǎn)，依此進(jìn)行軸線及標(biāo)高復(fù)測(cè)。首先根據(jù)原始軸線控制點(diǎn)及標(biāo)高控制點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行軸線和標(biāo)高控制點(diǎn)的加密，然后根據(jù)控制線測(cè)放出每根柱子的縱橫軸線，再測(cè)放出每一個(gè)埋件的中心十字交叉線和至少2 個(gè)標(biāo)高控制點(diǎn)。

3）鋼桁架拼裝。用直尺和水平儀進(jìn)行測(cè)量，保證構(gòu)件中心在同一水平面（構(gòu)件下方用胎架找平），調(diào)整各構(gòu)件之間的接口尺寸，不要出現(xiàn)錯(cuò)邊現(xiàn)象。要嚴(yán)格按照GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》執(zhí)行。

由于鋼桁架最大跨度為36 m，單榀質(zhì)量為29 t，起重高度31.2 m，根據(jù)吊車機(jī)械性能表，故采用1 臺(tái)1 600 kN汽車吊進(jìn)行吊裝。

（1）吊點(diǎn)設(shè)置及起吊方式。每榀桁架共設(shè)置3 個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)設(shè)置在距桁架兩端1/4處。利用現(xiàn)場(chǎng)的1 臺(tái)1 600 kN汽車吊起吊。起吊前，鋼桁架應(yīng)橫放在墊木上，桁架下端位置墊好木板或木方，起吊時(shí)必須邊起鉤、邊轉(zhuǎn)臂使鋼桁架垂直離地。

（2）鋼桁架的臨時(shí)固定和測(cè)量校正。當(dāng)鋼桁架吊到就位上方200 mm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，下落中應(yīng)避免磕碰地腳螺栓絲扣。當(dāng)桁架柱腳剛與基礎(chǔ)接觸后應(yīng)停止下落，檢查桁架底座四邊中心線與基礎(chǔ)十字軸線對(duì)準(zhǔn)情況（四邊要兼顧）和柱腳下的鋼墊板位置、數(shù)量是否正確，如有不符應(yīng)立即調(diào)整。經(jīng)調(diào)整鋼桁架的就位偏差在3 mm以內(nèi)后，再下落鋼桁架至設(shè)計(jì)標(biāo)高位置，使之落實(shí)，收緊4 個(gè)方向的纜風(fēng)繩，擰緊螺栓的鎖緊螺母，如受環(huán)境條件限制，不能拉設(shè)纜風(fēng)繩時(shí)，則可采用在相應(yīng)方向上設(shè)置可調(diào)支撐的方式進(jìn)行固定和校正（圖7）。

圖6 汽車吊進(jìn)入地下室中庭進(jìn)行吊裝

圖7 中庭鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程

4 勁性混凝土斜交網(wǎng)格柱施工技術(shù)

由于勁性混凝土斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，為結(jié)構(gòu)施工帶來(lái)如下困難：第一，型鋼與鋼筋的連接問(wèn)題；第二，結(jié)構(gòu)的精確定位問(wèn)題；第三，結(jié)構(gòu)的支模問(wèn)題；第四，混凝土的澆筑問(wèn)題。尤其在節(jié)點(diǎn)處，以上問(wèn)題更顯突出。本施工技術(shù)解決前3 個(gè)問(wèn)題，第4個(gè)問(wèn)題通過(guò)自密實(shí)混凝土澆筑技術(shù)解決。

在斜交網(wǎng)格柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋綁扎處理比較困難，通過(guò)BIM模型很好的保證節(jié)點(diǎn)主筋數(shù)量和間距，以及節(jié)點(diǎn)箍筋數(shù)量。

4.1 鋼筋綁扎

在鋼結(jié)構(gòu)吊裝完成后，開始進(jìn)行鋼筋綁扎，難點(diǎn)在斜交網(wǎng)格柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋綁扎處理，保證節(jié)點(diǎn)主筋數(shù)量和間距，以及保證節(jié)點(diǎn)箍筋數(shù)量是關(guān)鍵。

根據(jù)框架梁所處的標(biāo)高以及梁高、梁寬和梁鋼筋的根數(shù)、直徑、分布，在加工廠制作鋼骨柱時(shí)，按設(shè)計(jì)要求確定柱身腹板上穿孔的個(gè)數(shù)、位置、孔徑及焊接翼板上加勁板的寬度、高度和標(biāo)高等。與鋼骨柱相交的框架梁截面寬度均小于鋼骨柱截面寬（梁寬600 mm，骨柱寬800 mm，混凝土骨柱寬1 300 mm），梁的一部份鋼筋從鋼骨柱腹板預(yù)留孔中穿過(guò)，與另一跨相連；兩側(cè)的鋼筋一部份穿過(guò)骨柱后錨入骨柱，另一部份鋼筋焊接在鋼骨柱翼板的加強(qiáng)板上，采取雙面搭接焊。如圖8～圖10所示。

圖8 斜交網(wǎng)格柱節(jié)點(diǎn)示意

圖9 梁部分鋼筋焊接在加強(qiáng)板上

圖10 斜交網(wǎng)格柱復(fù)雜節(jié)點(diǎn) 鋼筋綁扎

4.2 模板安裝

針對(duì)斜交網(wǎng)格柱特點(diǎn)，我們采用了三節(jié)式周轉(zhuǎn)栓接模板。該模板由3 段組成，每次可采用2 節(jié)栓接澆筑。拆模時(shí)，在柱混凝土上留有1 節(jié)，作為下段模板支撐的連接點(diǎn)，并周而復(fù)始，每次拆模均保留1 節(jié)，這樣可免去下部斜支撐，有效提高效率。

模板按照設(shè)計(jì)加工完后，進(jìn)行了必要的保養(yǎng)及脫模劑工序。柱鋼筋綁扎完畢后，在柱相應(yīng)位置，先將一長(zhǎng)一短2 節(jié)模板通過(guò)螺栓拼接，要求保證拼縫的嚴(yán)密性，不得漏漿，并進(jìn)行支撐，其支撐方法同傳統(tǒng)混凝土，如圖11、圖12所示。

圖11 槽鋼加工勁性柱模板

圖12 斜交網(wǎng)格柱模板安裝

5 自密實(shí)混凝土澆筑技術(shù)

針對(duì)勁性混凝土斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎完成后，混凝土難以澆筑和振搗的難題，施工中采用自密實(shí)混凝土澆筑技術(shù)，依據(jù)其相比較普通混凝土具有較好的黏性和流動(dòng)性的特點(diǎn)，有效解決了該結(jié)構(gòu)的澆筑難題，且施工工藝簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量易于保證。整個(gè)勁性混凝土斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量、外觀效果均良好。

混凝土澆筑是斜柱施工的重中之重，由于斜柱的特殊造型造成混凝土施工有以下幾個(gè)難點(diǎn)：

1）斜交網(wǎng)格柱箍筋較密，在斜柱底面呈一斜面，混凝土在向下輸送過(guò)程中，拌和物中的砂漿易被箍筋掛住，造成斜柱底部混凝土缺少砂漿；

2）部分斜柱斜度較大，且鋼筋較密，振搗棒很難輸送至斜柱底部，在提升過(guò)程中，振搗棒容易被箍筋卡?。?/p>

3）斜交網(wǎng)格柱振搗過(guò)程中，混凝土中產(chǎn)生的氣泡不易排出，會(huì)積聚在頂面模板下，造成頂面混凝土蜂窩、麻面，影響混凝土觀感；

4）勁性混凝土柱內(nèi)部有鋼柱，鋼柱中間有加勁板，加勁板下混凝土密實(shí)難以保證。

針對(duì)以上難點(diǎn)，采取以下措施：

1）采取自密實(shí)混凝土，輔助振搗棒振搗。

2）由于斜度較大未考慮斜柱上面開孔放氣，采取模板外平板振搗器輔助振搗，不便放振搗器的部位采用人工敲打模板。

3）事先試棒尋找好合適的下棒點(diǎn)，保證柱子四角全部振搗。

自密實(shí)混凝土利用汽車泵進(jìn)行泵送。由于型鋼柱中“王”字形型鋼的存在，柱截面被分為4 個(gè)區(qū)，混凝土澆筑時(shí)從4 個(gè)分區(qū)間隔下料，以免從一個(gè)區(qū)連續(xù)下料致使一側(cè)模板壓力過(guò)大，造成模板移位?；炷翝仓俣炔荒苓^(guò)快，每次下料高度控制在0.5 m左右，2 次下料時(shí)間間隔控制在15 min左右，這樣可避免模板側(cè)壓力過(guò)大而致使模板體系脹爆。

由于型鋼柱單次澆筑高度高，且鋼筋密集，混凝土澆筑時(shí)必須利用振搗棒輔助振搗，這樣可以減少混凝土表面的氣泡、麻面等質(zhì)量缺陷，但振搗持續(xù)時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，一般每個(gè)振搗點(diǎn)振搗時(shí)間不超過(guò)3 s。

混凝土澆筑時(shí)利用橡皮錘敲擊模板外側(cè)，尤其是柱子四角處應(yīng)多敲擊，這樣可以檢查混凝土澆筑是否密實(shí)，而且有利于排出混凝土內(nèi)部的氣泡。澆筑拆模后的斜交網(wǎng)格柱如圖13所示。

圖13 斜交網(wǎng)格柱拆模后效果圖

6 結(jié)語(yǔ)

勁性混凝土斜交網(wǎng)格柱結(jié)構(gòu)作為一種新的結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化的組合效益。為使施工完美地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)構(gòu)想，必須實(shí)踐大型勁性混凝土斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)，即通過(guò)BIM技術(shù)，在建立BIM模型，對(duì)鋼構(gòu)和復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充分優(yōu)化的前提下，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)控加工、預(yù)拼裝、三維定位精確測(cè)量和安裝施工；通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)吊裝技術(shù)，采用中庭地下室頂板預(yù)留吊裝洞口，讓吊車進(jìn)入地下室中庭，以分段整體吊裝的方法，實(shí)現(xiàn)屋面鋼桁架的吊裝；通過(guò)勁性混凝土斜交網(wǎng)格柱施工技術(shù)，有效解決斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎、模板支設(shè)及精確定位困難；通過(guò)自密實(shí)混凝土澆筑技術(shù)，成功解決勁性混凝土斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)混凝土不宜澆筑的難題[5,6]。

蚌埠三館工程的成功實(shí)踐，既探索總結(jié)了大型勁性混凝土斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工技術(shù)規(guī)律，又為今后類似工程的施工提供了可借鑒的方法。