王梟萌 侯慶達(dá) 侯仰清 孔 強(qiáng) 許寶輝

中建八局第二建設(shè)有限公司 山東 濟(jì)南 250022

鋼結(jié)構(gòu)施工中難免會遇到球形節(jié)點(diǎn)的安裝，現(xiàn)有的有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)球形節(jié)點(diǎn)的文獻(xiàn)，多數(shù)在研究球形節(jié)點(diǎn)連接承載力及剛度，或在論述球形節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架的整體安裝方式，關(guān)于單獨(dú)的球形節(jié)點(diǎn)安裝研究的案例幾乎沒有，所以在遇到鋼結(jié)構(gòu)單元空間跨度大造成球形節(jié)點(diǎn)安裝難度大的問題時(shí)，基本找不到可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。為此，對實(shí)際項(xiàng)目中球形節(jié)點(diǎn)的安裝工藝進(jìn)行了總結(jié)，以期為其他項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

安徽省美術(shù)館項(xiàng)目總建筑面積約50 000 m2，其中，地上建筑5層，建筑面積約36 326 m2，地下建筑1層，建筑面積約13 674 m2，主體建筑高度24 m。建筑主體外圍四周為網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)，頂部橫梁標(biāo)高為+35.225 m，下方貫通橫梁標(biāo)高為+19.025 m，鋼柱間距為8.4 m。

本項(xiàng)目球形節(jié)點(diǎn)位置如圖1所示，每個(gè)φ500 mm的球形節(jié)點(diǎn)由8根φ152 mm×6 mm的圓管相貫，整個(gè)節(jié)點(diǎn)下部標(biāo)高為+19.025 m，上部標(biāo)高為+35.225 m，整個(gè)高度為16.2 m。

圖1 節(jié)點(diǎn)框架及尺寸示意

2 施工特點(diǎn)及難點(diǎn)分析

本建筑東南西北各立面外圍鋼結(jié)構(gòu)上部空間均設(shè)有若干球形節(jié)點(diǎn)以及與之相接的8根鋼圓管，鋼結(jié)構(gòu)東南西北各立面的球形節(jié)點(diǎn)所處高度一致，球形節(jié)點(diǎn)與鋼柱的橫向間距也一致，主要施工難點(diǎn)如下：

1）建筑外圍鋼結(jié)構(gòu)球形節(jié)點(diǎn)在北立面設(shè)有7個(gè)、南立面設(shè)有10個(gè)、東立面設(shè)有8個(gè)、西立面設(shè)有7個(gè)，總數(shù)達(dá)32個(gè)，整體數(shù)量較多且分布在建筑四周，需逐一進(jìn)行安裝。

2）建筑外圍鋼結(jié)構(gòu)總高度達(dá)到35 m，從豎向分析得出，球形節(jié)點(diǎn)接近鋼結(jié)構(gòu)頂部位置且高度較高，所以球形節(jié)點(diǎn)安裝屬于高空作業(yè)。建筑外圍鋼結(jié)構(gòu)鋼柱橫向間距為8.4 m，從橫向分析得出，球形節(jié)點(diǎn)位于外圍鋼結(jié)構(gòu)鋼柱橫向間距中點(diǎn)，其安裝也要面臨鋼結(jié)構(gòu)跨度較大的難題。

針對球形節(jié)點(diǎn)安裝難點(diǎn)，項(xiàng)目人員首先想到的方案是用曲臂式升降機(jī)來進(jìn)行高空焊接，但是一般的曲臂式升降機(jī)無法達(dá)到此高度，且受到場地的限制，所以不適合本工程的球形節(jié)點(diǎn)安裝。如用搭設(shè)架體的方式進(jìn)行安裝，則需耗費(fèi)大量成本，所以也不適合本項(xiàng)目的球形節(jié)點(diǎn)安裝。

3 主要施工技術(shù)

根據(jù)球形節(jié)點(diǎn)安裝的特點(diǎn)及難點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了主要由鋼構(gòu)件焊接而成的安裝架。球形節(jié)點(diǎn)安裝架的設(shè)計(jì)巧妙地解決了上述難點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用且安全便捷。因此，最終選用安裝架進(jìn)行球形節(jié)點(diǎn)安裝工作[1-4]。

3.1 球形節(jié)點(diǎn)安裝架設(shè)計(jì)與制作

3.1.1 球形節(jié)點(diǎn)安裝架設(shè)計(jì)

在形成一定構(gòu)思的基礎(chǔ)上，通過繪制球形節(jié)點(diǎn)安裝架草圖來確立設(shè)計(jì)構(gòu)思及安裝架所需材料，進(jìn)而在AutoCAD軟件中繪制安裝架各平、立面圖，并標(biāo)注尺寸和材質(zhì)材料。安裝架的立體形態(tài)展現(xiàn)需要計(jì)算機(jī)建模軟件來配合實(shí)現(xiàn)。BIM模型具有可視化、參數(shù)化等特點(diǎn)。為確保安裝架設(shè)計(jì)的合理性及實(shí)用性，故選用BIM建模軟件來優(yōu)化安裝架的立體形態(tài)、各構(gòu)件尺寸與間距等實(shí)際問題。BIM建模要點(diǎn)步驟為：首先將球形節(jié)點(diǎn)單元框架按照平、立面圖所示尺寸建立成形，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行安裝架的模型建立；安裝架模型的建立同樣參照平、立面圖所示尺寸以及材質(zhì)材料，在建模過程中需重點(diǎn)關(guān)注安裝架下平臺可拆卸桿件與節(jié)點(diǎn)下部圓管的位置及間距（圖2）。最后從軟件中提取安裝架優(yōu)化后的各部位尺寸及材質(zhì)參數(shù)信息。

圖2 球形節(jié)點(diǎn)安裝架

3.1.2 球形節(jié)點(diǎn)安裝架制作

1）整體材料和連接方式：安裝架整體所需材料有14#工字鋼、10#工字鋼、4#角鋼、M12螺栓、φ12 mm鍍鋅鋼絲繩。上部向外延長的2根橫梁鋼材為14#工字鋼，整體框架輪廓為10#工字鋼，桁架內(nèi)部支撐和下平臺為4#角鋼。安裝架主要連接方式為焊接和螺栓2種。

2）主體支撐框架焊接：安裝架整體形狀呈矩形，除下平臺外，主體支撐框架采用焊接方式連接。2根14#工字鋼各長5.9 m，平行設(shè)在安裝架頂部，是安裝架懸吊于鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的主要受力結(jié)構(gòu)，14#工字鋼下部距離端點(diǎn)50 cm處各焊接一小塊鐵板以起到吊裝定位及固定作用。2根14#工字鋼分別與2根垂直的長4 m的10#工字鋼以螺栓連接，隨后在10#工字鋼的中點(diǎn)橫向焊接長3 m的10#工字鋼，使得豎向4根10#工字鋼整體性增強(qiáng)。最后在上半部分增加焊接4#角鋼，構(gòu)成桁架結(jié)構(gòu)，使得安裝架整體更加穩(wěn)定牢固。

3）下平臺安裝：可拆卸下平臺是該球形節(jié)點(diǎn)安裝架的亮點(diǎn)及重點(diǎn)，是根據(jù)施工實(shí)際情況需要而設(shè)計(jì)的。下平臺外部輪廓選用10#工字鋼，與主體垂直。4根10#工字鋼焊接，長邊為3 m，短邊為2 m。長邊的2根10#工字鋼在距離兩邊端點(diǎn)0.3 m處采用螺栓連接，具有可拆卸的特點(diǎn)。可拆卸的2根10#工字鋼長度為2.4 m，與5根等間距的4#角鋼垂直連接，構(gòu)成安裝架可拆卸下平臺（圖3）。在球形節(jié)點(diǎn)施工前，將下平臺與安裝架主體框架連接；在球形節(jié)點(diǎn)施工完成后，將下平臺拆除即可移走。

圖3 安裝架下平臺示意

4）生命線布置：安裝架焊接完成后，最后在距離下平臺50、100 cm處用φ12 mm鍍鋅鋼絲繩各拉結(jié)一條生命線，可防止施工人員墜落，起到防護(hù)作用。

3.2 安裝架受力計(jì)算

3.2.1 計(jì)算條件

安裝架桿件用梁單元模擬，安裝架上部與結(jié)構(gòu)梁連接處采用鉸接約束模擬，平臺可拆卸部分采用鉸接連接，其余采用剛接連接。荷載取值：自重由程序自動計(jì)算，考慮1.2倍自重系數(shù)，活載按操作平臺上取3 kN/m2施工荷載，掛球形節(jié)點(diǎn)位置取3 kN節(jié)點(diǎn)荷載。荷載組合：承載能力極限狀態(tài)取1.2倍自重+1.4倍活載，正常使用極限狀態(tài)取1倍自重+1倍活載。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

1）變形情況。計(jì)算得出安裝架在正常使用極限狀態(tài)作用下x、y、z向最大位移為11.099 mm，滿足施工要求。

2）應(yīng)力情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.803，出現(xiàn)在立桿位置，大部分桿件應(yīng)力比都小于0.5，滿足規(guī)范要求，說明該支撐結(jié)構(gòu)是安全的。

經(jīng)過變形、應(yīng)力計(jì)算，證明安裝架完全可承載自身架體、施工人員、設(shè)備及施工活動等荷載，可用于本項(xiàng)目的實(shí)際施工操作。

3.3 安裝架運(yùn)用操作流程

3.3.1 安裝球形節(jié)點(diǎn)下部4根支撐圓管

下部4根支撐圓管需要塔吊及施工人員配合安裝，用塔吊將圓管吊至合適高度，由施工人員對圓管根部進(jìn)行固定。圓管根部采用鉸接連接方式，具有可活動性，故每根圓管根部連接完成后需在離根部不遠(yuǎn)處以臨時(shí)焊接的方式固定圓管的位置。下部4根圓管逐一安裝完成，并使4根圓管的上部端點(diǎn)聚集于球形節(jié)點(diǎn)安裝位置（圖4）。

3.3.2 將球形節(jié)點(diǎn)安裝架放置于施工位置

首先確保安裝架主體與下平臺連接完整，其次將安裝架下平臺中間一根螺栓連接的4#角鋼預(yù)先拆除，以保證在施工位置放置安裝架時(shí)，圓管端點(diǎn)能夠穿入安裝架。隨后采用塔吊將安裝架懸掛于鋼結(jié)構(gòu)框架橫梁處，并調(diào)節(jié)其位置，使得安裝架結(jié)構(gòu)橫梁14#工字鋼下方兩側(cè)小擋板位于2根鋼結(jié)構(gòu)框架橫梁內(nèi)側(cè)，同時(shí)使4根圓管端點(diǎn)順利穿過安裝架下部平臺的中央，即可使施工人員在安裝架下平臺上進(jìn)行操作（圖5）。

圖4 下部圓管安裝

圖5 安裝架吊裝

3.3.3 球形節(jié)點(diǎn)與下部4根圓管的焊接

出于安全考慮，施工人員應(yīng)先將預(yù)先拆除的下平臺中的4#角鋼用螺栓連接好，再進(jìn)行球形節(jié)點(diǎn)的焊接。施工人員操作時(shí)可在安裝架下平臺上圍繞球形節(jié)點(diǎn)360°移動，使焊接工作更加容易，從而確保球形節(jié)點(diǎn)與下部4根圓管全部焊接牢固（圖6）。

3.3.4 安裝球形節(jié)點(diǎn)上部4根圓管

上部4根圓管亦需要塔吊與施工人員配合安裝。首先將圓管上部端點(diǎn)鉸接位置連接完成，進(jìn)而施工人員站于下平臺上對下部端點(diǎn)與球形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行焊接。4根圓管采用同樣的方式進(jìn)行安裝連接。全部安裝完成后則表示該節(jié)點(diǎn)全部安裝完成，即可進(jìn)行下一節(jié)點(diǎn)安裝（圖7）。

圖6 現(xiàn)場焊接操作

圖7 上部圓管安裝

3.3.5 將球形節(jié)點(diǎn)安裝架移至下一節(jié)點(diǎn)

首先需要將安裝架下平臺中由螺栓連接的構(gòu)件拆除，并用塔吊移走下平臺。只有當(dāng)安裝架下部無任何阻攔時(shí)，才可用塔吊將安裝架移走，至此，單個(gè)球形節(jié)點(diǎn)安裝完成，接著進(jìn)入下一節(jié)點(diǎn)安裝工作，按照本操作流程重復(fù)即可。本建筑外圍32個(gè)球形節(jié)點(diǎn)采用同樣的操作流程完成安裝，符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

3.4 安裝架運(yùn)用優(yōu)勢分析

3.4.1 節(jié)約工程成本

安裝架自身所用材料均為項(xiàng)目場地內(nèi)常見鋼材，材料用量少，所占成本不到1 000元。安裝架運(yùn)用于本項(xiàng)目只需最少的成本即可解決鋼結(jié)構(gòu)球形節(jié)點(diǎn)安裝的難題，為項(xiàng)目極大地節(jié)約了成本。

3.4.2 靈活性高

安裝架因自身構(gòu)件少、質(zhì)量相對較輕、體積小，所以移動較為方便。結(jié)合本工程球形節(jié)點(diǎn)安裝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出可拆卸的下平臺，使得安裝架在實(shí)際運(yùn)用中能適應(yīng)球形節(jié)點(diǎn)安裝前和安裝后的移動問題，因此靈活性高。

3.4.3 可循環(huán)利用

本安裝架不僅靈活性高，而且可循環(huán)利用。本項(xiàng)目球形節(jié)點(diǎn)需要用同樣的安裝方式進(jìn)行逐個(gè)焊接安裝，所以全部球形節(jié)點(diǎn)的安裝過程也是安裝架重復(fù)利用的過程。安裝架自身堅(jiān)固耐用，若本項(xiàng)目其他地方適用該安裝架，則也可進(jìn)行利用，從而實(shí)現(xiàn)了安裝架價(jià)值的最大化。

3.4.4 安全性較高

安裝架具有穩(wěn)固的下平臺，施工人員在下平臺上移動方便，下平臺上方后拉2條生命線，可防止施工人員不慎墜落，且安裝架在懸吊狀態(tài)下不易晃動，較穩(wěn)定。以上因素結(jié)合，共同為施工人員提供了一個(gè)安全的高空作業(yè)平臺。

4 結(jié)語

在安徽省美術(shù)館鋼結(jié)構(gòu)球形節(jié)點(diǎn)施工過程中，安裝架的設(shè)計(jì)制作和使用，很好地解決了該項(xiàng)目高空大跨度焊接難題。球形節(jié)點(diǎn)安裝架制作工藝簡單、成本低廉、材料易得、適用性強(qiáng)，且具有可移動性和循環(huán)利用性，充分體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、降耗、靈活等特點(diǎn)，在高空操作平臺的設(shè)計(jì)與制作方面是一個(gè)較大的創(chuàng)新。在未來，當(dāng)其他鋼結(jié)構(gòu)工程遇到類似大跨度球形節(jié)點(diǎn)安裝難題，或者其他工程需要操作平臺來解決施工難題時(shí)，可在此球形節(jié)點(diǎn)安裝架的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此來尋找更好的解決辦法。