彭 琦

(中鐵二十局集團(tuán)市政工程有限公司 甘肅蘭州 730046)

1 引言

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采光頂作為一種沿曲面建立的空間結(jié)構(gòu)，能很好地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的建筑造型。近年來(lái)，由于其理念新奇、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、造型美觀、內(nèi)外通透、受力合理的優(yōu)點(diǎn)，受到建筑師和結(jié)構(gòu)師們的青睞，被廣泛應(yīng)用于大型商業(yè)廣場(chǎng)、會(huì)展中心、科技館、博物館和一些標(biāo)志性建筑[1]。但在施工過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、安裝精度要求高、質(zhì)量控制難度大等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重影響了該類結(jié)構(gòu)的向前發(fā)展。

本文以蘭州新區(qū)瑞玲國(guó)際商業(yè)廣場(chǎng)殼體結(jié)構(gòu)采光頂為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出一種分塊安裝施工技術(shù)，為類似工程施工提供參考。

2 工程概況及施工難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

瑞玲國(guó)際商業(yè)廣場(chǎng)地處蘭州新區(qū)行政文化中心組團(tuán)核心地段，建筑面積約13.90萬(wàn)m2，包括3棟14層的酒店、寫字樓、辦公樓，4層商業(yè)裙房和地下1層車庫(kù)及公共服務(wù)設(shè)施。商業(yè)裙房步行街走廊屋頂局部開(kāi)洞，通過(guò)環(huán)形長(zhǎng)廊連接4個(gè)殼體結(jié)構(gòu)玻璃采光頂進(jìn)行采光和通風(fēng)。建筑造型新穎美觀，風(fēng)格簡(jiǎn)潔明快，顯著提升和美化了整個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)外部商業(yè)環(huán)境，見(jiàn)圖1。

商業(yè)裙房所包含的殼體結(jié)構(gòu)采光頂投影面積約2 979.00 m2，為圓形或橢圓形，跨度在20.20～25.20 m之間。采用輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件與透明玻璃材質(zhì)，所有構(gòu)件均采用矩形截面鋼管，構(gòu)件間采用對(duì)接焊接的方式連接。采光頂結(jié)構(gòu)高度26.50 m，底部為貫通裙房1～4層的空洞。

圖1 蘭州新區(qū)瑞玲國(guó)際商業(yè)廣場(chǎng)效果圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)條件

(1)本工程4層裙房為框架結(jié)構(gòu)，屋頂在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮采光頂施工時(shí)的機(jī)械荷載，故無(wú)法使用大型吊車在裙房頂部進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)吊裝作業(yè)。

(2)因前期塔樓與裙樓的土建工程施工需要，現(xiàn)場(chǎng)已設(shè)置有3臺(tái)ST70/30塔吊，臂長(zhǎng)70.00 m，可供此次吊裝使用。經(jīng)測(cè)算，現(xiàn)有塔吊距擬施工的采光頂距離為33.13～67.39 m。現(xiàn)場(chǎng)塔吊布置情況見(jiàn)圖2。

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)塔吊布置平面(單位：m)

(3)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地極為狹窄，無(wú)條件布置鋼構(gòu)件加工場(chǎng)和拼裝場(chǎng)。

2.3 施工難點(diǎn)

(1)為增加采光頂下部樓層的采光效果，設(shè)計(jì)部門對(duì)采光頂下部的樓板進(jìn)行了開(kāi)洞設(shè)計(jì)，這為采光頂施工時(shí)內(nèi)部搭設(shè)支撐體系帶來(lái)較大難度。

(2)采光頂跨度大、建筑高度高，大型構(gòu)件吊裝時(shí)容易出現(xiàn)撓度變形。有效解決吊裝過(guò)程中的構(gòu)件變形問(wèn)題，也是本工程施工的一個(gè)難點(diǎn)。

(3)構(gòu)件數(shù)量較多、配件品種多樣，安裝時(shí)容易因位置混淆而導(dǎo)致安裝出錯(cuò)，給現(xiàn)場(chǎng)組織和技術(shù)管理帶來(lái)一定的難度[2]。

3 施工方案比選

大跨度空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)常用的安裝方法隨拼接方式和安裝機(jī)具的不同，主要有高空散裝法、分塊安裝法、滑移法、整體吊裝法和整體頂升法等[3]。

本工程通過(guò)對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采光頂?shù)慕ㄖY(jié)構(gòu)特性、現(xiàn)場(chǎng)施工條件、起重設(shè)備性能、場(chǎng)地綜合布置及工期質(zhì)量要求等情況進(jìn)行分析，可采用的施工方法有高空散裝法和分塊安裝法。對(duì)兩種方法從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表1)，分塊安裝法具有安裝誤差小、速度快、質(zhì)量高、費(fèi)用適中的優(yōu)勢(shì)，因此最終安裝方案采用分塊安裝法[4]。

表1 高空散裝法與分塊安裝法方案對(duì)比

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

為更好地闡述網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采光頂?shù)姆謮K安裝過(guò)程，選擇現(xiàn)場(chǎng)吊裝條件最不利的4號(hào)采光頂為例，進(jìn)行施工方案及工藝的重點(diǎn)說(shuō)明。4號(hào)采光頂為橢圓形，長(zhǎng)軸直徑23.20 m、短軸直徑16.40 m，矢高6.00 m，其建筑剖面見(jiàn)圖3，三維模型見(jiàn)圖4。

圖3 建筑剖面(高程單位：m；長(zhǎng)度單位：mm)

4.1 結(jié)構(gòu)分塊

現(xiàn)場(chǎng)3號(hào)塔吊型號(hào)為ST70/30，臂長(zhǎng)70.00 m，距4號(hào)采光頂最遠(yuǎn)起吊半徑為67.39 m。根據(jù)塔吊性能參數(shù)，ST70/30塔吊在起吊半徑70.00 m處起重能力為3.00 t。

4號(hào)采光頂結(jié)構(gòu)重量17.60 t，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)塔吊的布置條件和起吊能力，將采光頂環(huán)向斷開(kāi)，沿徑向分為8塊(見(jiàn)圖5)，單塊構(gòu)件平均重量2.20 t，其中最大單塊構(gòu)件重量為2.40 t，最小單塊構(gòu)件重量為2.10 t，均小于3.00 t，滿足正常的起吊條件。

圖4 三維模型

圖5 采光頂結(jié)構(gòu)分塊示意

通過(guò)對(duì)采光頂進(jìn)行合理分塊，使每塊結(jié)構(gòu)的面積及重量減少，可以減少吊裝過(guò)程產(chǎn)生的扭曲變形，大幅降低安裝難度，從而提高安裝效率[5]。

為保證安裝的空間精度，建立4號(hào)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采光頂?shù)腂IM模型，取得各節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。根據(jù)坐標(biāo)定位分塊起吊各構(gòu)件，完成采光頂?shù)恼w拼裝[6]。

4.2 臨時(shí)支撐體系設(shè)計(jì)

分塊結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)，一端承重支點(diǎn)在采光頂四周的反梁結(jié)構(gòu)上，另一端承重支點(diǎn)在中間設(shè)置的臨時(shí)支撐體系上。

(1)臨時(shí)支撐體系組成

臨時(shí)支撐體系由三部分組成，即基礎(chǔ)底座、中心格構(gòu)柱、頂部操作平臺(tái)。其中中心格構(gòu)柱采用塔吊塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，通過(guò)改造塔吊塔身爬升節(jié)，利用塔身自行升降的方式進(jìn)行搭設(shè)[7]，周邊用纜風(fēng)繩加固，使其滿足采光頂分塊吊裝需要。臨時(shí)支撐體系設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

(2)基礎(chǔ)底座處理

根據(jù)支撐體系的承重荷載及自身荷載，結(jié)合下部結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，臨時(shí)支撐體系基礎(chǔ)底座采用630型工字鋼交叉布置，其頂端通過(guò)預(yù)埋件與下部結(jié)構(gòu)主梁或柱連接，將力充分傳遞到下層結(jié)構(gòu)的柱頭上。

臨時(shí)支撐搭設(shè)前，需對(duì)基礎(chǔ)底座及下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度、承載力及穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，確保能完全承受上部采光頂施工過(guò)程中的所有荷載。

圖6 臨時(shí)支撐體系布置

4.3 構(gòu)件分塊吊裝

采光頂分塊構(gòu)件采用塔吊安裝，安裝順序?yàn)殚g隔對(duì)稱安裝。第一步，先對(duì)稱安裝一組分塊構(gòu)件，進(jìn)行初步連接。第二步，在垂直方向再對(duì)稱安裝一組分塊構(gòu)件。對(duì)安裝好的4片分塊構(gòu)件進(jìn)行整體連接，由此與中間圓環(huán)形成一個(gè)未閉合的殼體結(jié)構(gòu)，有利于協(xié)同受力(見(jiàn)圖7)。第三步，將剩余4片分塊構(gòu)件依次進(jìn)行間隔對(duì)稱安裝，全部安裝焊接完成后，即可拆除臨時(shí)支撐體系。

圖7 采光頂分塊吊裝示意

在吊裝過(guò)程中，為解決大型構(gòu)件在安裝過(guò)程中產(chǎn)生的變形問(wèn)題，利用Midas有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)吊裝過(guò)程受力進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。分析構(gòu)件在起吊后的剛度是否滿足變形要求，如不滿足，則需對(duì)吊裝受力點(diǎn)進(jìn)行加固處理[8]，確保施工完成后結(jié)構(gòu)變形控制在設(shè)計(jì)和規(guī)范允許范圍內(nèi)。

4.4 施工平臺(tái)搭建

采光頂在吊裝焊接過(guò)程以及后續(xù)的防腐防火噴涂、玻璃安裝等工藝環(huán)節(jié)均需為工人提供作業(yè)平臺(tái)。為節(jié)約施工空間、縮短施工周期、提高施工效率，本工程采光頂?shù)氖┕ぷ鳂I(yè)平臺(tái)采用索網(wǎng)軟平臺(tái)，僅利用頂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行平臺(tái)搭設(shè)，便于該區(qū)域下部空間各專業(yè)施工穿插進(jìn)行[9]。

利用采光頂周邊反梁結(jié)構(gòu)的螺栓孔，縱向設(shè)置φ12@600 mm鋼絲繩，橫向設(shè)置φ12@1 200 mm鋼絲繩，并用手拉葫蘆張拉固定，使縱橫交錯(cuò)的鋼絲繩形成牢固穩(wěn)定的網(wǎng)格狀軟平臺(tái)；在軟平臺(tái)上滿鋪40 mm厚木板＋15 mm厚木模板，有效固定后，在木模板上設(shè)置活動(dòng)腳手架作為采光頂焊接的施工平臺(tái)，見(jiàn)圖8。

圖8 采光頂施工索網(wǎng)軟平臺(tái)

4.5 構(gòu)件整體焊接

(1)實(shí)施焊接前，根據(jù)構(gòu)件接頭形式、坡口形狀、尺寸及其允許偏差等相關(guān)要求，進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并制定焊接工藝文件用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)焊接施工[10]。

(2)焊接作業(yè)人員進(jìn)場(chǎng)后先進(jìn)行持證查驗(yàn)，并做崗前專業(yè)安全技術(shù)培訓(xùn)，經(jīng)考核通過(guò)后，再安排上崗進(jìn)行焊接作業(yè)。

(3)本工程采光頂采用輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，材質(zhì)為Q345B。焊接采用CO2氣體保護(hù)焊，使用與材質(zhì)配套的藥芯焊絲，以保證焊接質(zhì)量和減少焊縫清根。

(4)為保證焊接應(yīng)力能得到有效控制，本工程采光頂焊接順序由中間向四周進(jìn)行，使得焊接殘余應(yīng)力能在自由端釋放[11-12]。

(5)焊接過(guò)程中，從焊接的材質(zhì)、環(huán)境、設(shè)備、參數(shù)、工藝、順序、速度等方面嚴(yán)格把控，確保最終的焊縫質(zhì)量和外觀質(zhì)量。

5 質(zhì)量及安全控制要點(diǎn)

5.1 質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1)施工技術(shù)人員進(jìn)場(chǎng)后，先進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)并接受技術(shù)交底，焊工等特種作業(yè)人員必須持證上崗。

(2)所有材料和設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后必須進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后方可在工程中使用。

(3)加工構(gòu)件運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，要對(duì)構(gòu)件的材質(zhì)、型號(hào)、編號(hào)、尺寸、外觀及質(zhì)量證明文件進(jìn)行重點(diǎn)檢查及確認(rèn)。

(4)嚴(yán)格構(gòu)件安裝過(guò)程中的工序管理，做到檢查上工序、保證本工序、服務(wù)下工序。

(5)加強(qiáng)構(gòu)件安裝過(guò)程中的監(jiān)控測(cè)量，尤其對(duì)于構(gòu)件的角度偏差、高程偏差以及平面位置偏差和撓度變形進(jìn)行重點(diǎn)控制，確保偏差在設(shè)計(jì)和規(guī)范允許范圍內(nèi)。

5.2 安全控制要點(diǎn)

(1)施工前，全面檢查現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、起重設(shè)備、支撐體系、操作平臺(tái)及高空安全防護(hù)措施等，在確認(rèn)滿足安全施工需要后，再進(jìn)行具體施工作業(yè)。

(2)吊裝作業(yè)前，預(yù)先在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置安全警戒標(biāo)示，并由專人防護(hù)，非施工人員嚴(yán)禁入內(nèi)。

(3)如遇大雨、大霧及六級(jí)(含六級(jí))以上大風(fēng)時(shí)，立即停止現(xiàn)場(chǎng)一切吊裝作業(yè)。

(4)在吊裝過(guò)程中，由專人進(jìn)行統(tǒng)一指揮，現(xiàn)場(chǎng)參建人員根據(jù)分工職責(zé)，做到信號(hào)傳遞迅速、準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)井然有序，操作協(xié)調(diào)高效。

(5)構(gòu)件吊裝固定且確定連接安全可靠后，才可拆除臨時(shí)固定工具并進(jìn)行下一步作業(yè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

蘭州新區(qū)瑞玲國(guó)際商業(yè)廣場(chǎng)殼體結(jié)構(gòu)采光頂縱橫跨度大，且下方無(wú)主體結(jié)構(gòu)，如何選擇合適的施工方法直接決定了項(xiàng)目管理目標(biāo)能否順利實(shí)現(xiàn)。在方案制定過(guò)程中，結(jié)合以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)反復(fù)比選和論證，最終確定采用“地面分塊拼裝＋高空精確吊裝”的分塊安裝技術(shù)，解決了采光頂?shù)氖┕ぜ夹g(shù)難題，并在施工條件受限的情況下，通過(guò)搭設(shè)臨時(shí)支撐體系及空中索網(wǎng)軟平臺(tái)，節(jié)約了施工空間，節(jié)省了大量臨時(shí)性措施和人工投入，降低了施工成本，最終圓滿完成任務(wù)。