葉 翔，鄭銳恒，管世林，朱小華

(1.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團有限公司，浙江 紹興 312030；2.紹興市柯橋區(qū)政府投資項目建設(shè)管理中心，浙江 紹興 312030)

1 工程概況

紹興國際會展中心一期B區(qū)工程為浙江省重點工程，是紹興市在建投資最大、體量最大的公建項目，占地12.38萬m2，總建筑面積約17.35萬m2，共設(shè)展位2 500個，主要由1號展廳、2號多功能展廳、會展廊、會議中心等構(gòu)成。其中1號展廳不設(shè)地下室，地上總建筑面積4.8萬m2，建筑高度27m，平面投影尺寸380m×112m，由南、北側(cè)多層輔房、2.6萬m2單層無柱超大展廳、北側(cè)巨型飄帶組成，其中超大展廳無柱跨度72m，凈高16m，并在⑧軸、軸、軸處設(shè)置3道活動隔斷，滿足超大展廳可分可合的靈活運營要求。展廳建筑方案融入紹興水鄉(xiāng)建筑連綿錯落的屋面元素，6個相似單元屋面由東向西傾斜并呈韻律錯臺，屋面斜率9.5%，垂直錯臺高度為6m(見圖1)。

圖1 1號展廳

2 鋼結(jié)構(gòu)及金屬屋面概況

1號展廳主體采用全鋼結(jié)構(gòu)，輔房為多層鋼框架，輔房、展廳上空為大跨鋼屋蓋，飄帶為倒錐形空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，主體總用鋼量約1.5萬t，采用TPO+直立鎖邊鋁鎂錳板雙層防水金屬屋面，總面積約4.2萬m2(見圖2)。

圖2 1號展廳縱向剖面

大跨鋼屋蓋采用平面桁架結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)屋面起伏分6個單元，并與飄帶結(jié)構(gòu)連為整體。屋蓋主桁架沿跨度方向布置，與兩端框架柱剛接，跨度72m，其中錯臺部位布置10m高三弦主桁架，各單元內(nèi)再布置2道4m高兩弦平面桁架，垂直主桁架方向布置4m高空腹次桁架，間距9m，次桁架間布置加密次梁，將屋蓋劃分為4.5m×9m分格(見圖3，4)。

圖3 1號展廳鋼結(jié)構(gòu)總體效果

圖4 1號展廳屋蓋鋼結(jié)構(gòu)布置

金屬屋面系統(tǒng)采用底板-檁條分離承重構(gòu)造，底板采用1.2mm厚鋼承板，穿孔率25%，跨度4.5m，正打于鋼屋蓋次梁上表面。吸聲、保溫、隔汽、TPO卷材等構(gòu)造層鋪設(shè)于底板上，由底板進行支承，屋面檁條通過檁托架空于構(gòu)造層上方，僅支承直立鎖邊金屬屋面板。1號展廳金屬屋面標準構(gòu)造如圖5所示。

圖5 1號展廳金屬屋面標準構(gòu)造

3 工程實施特點

1)1號展廳為韻律錯臺屋面造型，無柱跨度72m，造型不規(guī)則，鋼結(jié)構(gòu)及屋面系統(tǒng)施工難度大。

2)項目采用EPC模式，總工期720d，且要求1號展廳當年開工、當年投用，工程量包括1.5萬t鋼結(jié)構(gòu)、4.2萬m2金屬屋面、3 180m長機電管溝、數(shù)十套機電系統(tǒng)、4萬m2幕墻系統(tǒng)等，施工工期異常緊張。

3)傳統(tǒng)模式下，鋼結(jié)構(gòu)、金屬屋面專業(yè)一體化施工水平較低，存在如下問題：①大跨鋼結(jié)構(gòu)施工完成后，金屬屋面系統(tǒng)仍有大量支承部件需高空散裝，重復吊裝量大、高空定位、焊接作業(yè)密集，工效低下；②專業(yè)間信息不暢，錯漏碰缺問題頻繁，現(xiàn)場返工、拆改工作量大；③需大跨鋼結(jié)構(gòu)施工完成、整體卸載后再系統(tǒng)施工金屬屋面，專業(yè)間等待周期長、閉水時間晚，影響管溝、地坪、機電、內(nèi)裝工序及時鋪開，不利于整體工期控制。

4 1號展廳施工總體思路

根據(jù)工程特點，1號展廳采用大小流水結(jié)合、專業(yè)分組穿插的思路，由東向西組織流水穿插施工(見圖6)。大流水即鋼結(jié)構(gòu)與金屬屋面施工形成流水，金屬屋面與管溝、地坪施工形成流水，管溝、地坪施工與內(nèi)裝、機電施工形成流水；小流水即多層輔房鋼結(jié)構(gòu)與屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工形成流水，金屬屋面底板與構(gòu)造層施工形成流水，從而最大限度減少專業(yè)間、工序間等待時間，節(jié)約工期。專業(yè)分組穿插即在流水施工的前提下，控制同一區(qū)域內(nèi)穿插施工專業(yè)隊伍數(shù)量，減少工作面沖突與前后工序不合理現(xiàn)象，確保施工組織有序與施工一次成優(yōu)。

圖6 1號展廳各專業(yè)流水穿插施工

5 大跨鋼結(jié)構(gòu)-金屬屋面系統(tǒng)協(xié)同深化

鋼結(jié)構(gòu)-金屬屋面系統(tǒng)協(xié)同深化由鋼結(jié)構(gòu)-金屬屋面系統(tǒng)深化設(shè)計團隊在BIM軟件中進行建模深化，實現(xiàn)2個專業(yè)LOD400精度BIM模型的實時融合，統(tǒng)一2個專業(yè)接口界面，提高深化設(shè)計效率，前置解決專業(yè)間錯漏碰缺問題，同時為金屬屋面系統(tǒng)支承部件集成至鋼結(jié)構(gòu)一體化加工創(chuàng)造條件，操作步驟及要點如下：①鋼結(jié)構(gòu)-金屬屋面專業(yè)聯(lián)合組建深化設(shè)計團隊，應用Tekla Structures多工模式進行協(xié)同建模；②協(xié)同建模過程中，應用BIM軟件可視化及碰撞檢查功能排查系統(tǒng)間的錯漏碰缺，前置解決該問題。當屋面錯臺部位立面龍骨支托存在懸空時，通過主鋼結(jié)構(gòu)側(cè)面增加轉(zhuǎn)換支托予以解決。屋面天溝縱向龍骨與主鋼結(jié)構(gòu)存在碰撞時，需斷開處理，影響施工效率，經(jīng)與設(shè)計溝通，在不影響排水性能的前提下，略上抬天溝與縱向龍骨，保持縱向龍骨貫通，為天溝系統(tǒng)單元化加工創(chuàng)造條件。

6 大跨鋼結(jié)構(gòu)-金屬屋面系統(tǒng)協(xié)同加工

本工程金屬屋面系統(tǒng)包含6 468件檁托與底板支托，若按傳統(tǒng)方式，上述部件在主體鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后，屋面底板鋪裝前，現(xiàn)場逐件吊裝、焊接至主鋼結(jié)構(gòu)，其高空定位、焊接作業(yè)量大且工效低，同時浪費吊裝資源。為提高工效，在協(xié)同深化基礎(chǔ)上，利用BIM軟件按需組合部件功能，將金屬屋面系統(tǒng)支承部件虛擬焊接至屋面大跨鋼結(jié)構(gòu)，生成屋面系統(tǒng)支承部件與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件集成一體的加工詳圖，在鋼結(jié)構(gòu)制造工廠內(nèi)完成一體化加工后運至現(xiàn)場進行一體化吊裝，大幅減少屋面系統(tǒng)支承部件現(xiàn)場重復吊裝及高空安裝作業(yè)(見圖7)。

圖7 鋼結(jié)構(gòu)-屋面系統(tǒng)支承部件集成加工示意

7 大跨鋼結(jié)構(gòu)-金屬屋面同步穿插一體化施工

7.1 概述

大跨鋼結(jié)構(gòu)分段吊裝成形過程是時變結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形隨安裝過程不斷變化，直到臨時支撐系統(tǒng)卸載后結(jié)構(gòu)變形才趨向穩(wěn)定，作為依附于主體鋼結(jié)構(gòu)的金屬屋面系統(tǒng)，由于金屬屋面專業(yè)并不掌握鋼結(jié)構(gòu)施工過程的變形規(guī)律，主體鋼結(jié)構(gòu)也很少主動從技術(shù)、施工組織上采取措施為金屬屋面專業(yè)提前提供工作面，因而在多數(shù)大型公建項目中，大跨鋼結(jié)構(gòu)與金屬屋面系統(tǒng)只能偏保守地采用傳統(tǒng)順序施工，在大跨鋼結(jié)構(gòu)整體安裝、焊接成形并卸載后再施工金屬屋面系統(tǒng)。從質(zhì)量安全控制角度出發(fā)，順序施工時交叉作業(yè)少，安全性相對更高，且能在一定程度上降低金屬屋面系統(tǒng)變形、受損風險，但從項目全局角度考慮，順序施工時存在專業(yè)間等待周期長、屋面閉水時間晚的特點，不利于及時鋪開內(nèi)裝工序，推進整體進度及控制工期，在體量大、南方陰雨氣候地區(qū)的項目中劣勢更明顯。

7.2 技術(shù)實施步驟

大跨鋼結(jié)構(gòu)-金屬屋面同步穿插施工是以鋼結(jié)構(gòu)-屋面體系穿插施工仿真分析為手段，以變形控制為指導，運用大跨鋼結(jié)構(gòu)半成形狀態(tài)階梯卸載技術(shù)，為金屬屋面系統(tǒng)提前插入創(chuàng)造條件，并結(jié)合大跨鋼結(jié)構(gòu)施工過程變形特征，指導金屬屋面系統(tǒng)分步、有序完成各構(gòu)造層次施工，與鋼結(jié)構(gòu)施工形成流水穿插，大幅節(jié)約施工工期。

1)將展廳屋蓋劃分為6個單元，采用分段吊裝方式由東向西順序施工，鋼結(jié)構(gòu)分段部位采用臨時支撐系統(tǒng)。當1單元大跨鋼結(jié)構(gòu)滿焊后，保留2單元及1，2單元分界部位臨時支撐不變，卸載1單元內(nèi)部臨時支撐，卸載后1～2單元鋼結(jié)構(gòu)與保留的臨時支撐構(gòu)成新的平衡體系，1單元屋蓋在自重作用下產(chǎn)生變形Δ11，此時1單元金屬屋面底板開始插入施工(見圖8)。

圖8 大跨鋼結(jié)構(gòu)半成形狀態(tài)階梯卸載1

2)2單元大跨鋼結(jié)構(gòu)滿焊后，保留3單元及2，3單元分界部位臨時支撐不變，卸載2單元內(nèi)部臨時支撐，卸載后1～3單元鋼結(jié)構(gòu)與保留的臨時支撐構(gòu)成新的平衡體系，2單元屋蓋在自重作用下產(chǎn)生變形Δ21。此時2單元金屬屋面底板開始插入施工，1單元金屬屋面開始鋪裝構(gòu)造層，1單元屋蓋在2單元變形帶動作用及金屬屋面系統(tǒng)附加荷載作用下產(chǎn)生變形Δ12(見圖9)。

圖9 大跨鋼結(jié)構(gòu)半成形狀態(tài)梯卸載2

3)3～6單元鋼結(jié)構(gòu)按上述步驟完成本單元滿焊后，保留本單元與下一單元分界部位臨時支撐，逐步逐區(qū)階梯卸載各單元，卸載后金屬屋面系統(tǒng)即插入施工，與大跨鋼結(jié)構(gòu)施工形成流水穿插。

鋼結(jié)構(gòu)-金屬屋面完成整體施工后，1單元屋蓋產(chǎn)生的總變形如下：

Δ1=Δ11+Δ12+Δ13+Δ14+Δ15+Δ16

(1)

變形趨勢如圖10所示。

圖11 大跨鋼結(jié)構(gòu)階梯卸載過程變形趨勢

1單元鋼結(jié)構(gòu)卸載后，變形值Δ11達到總變形Δ1的60%～65%，由于屋面底板為分段鋪裝，板長僅9m(可視間隔9m為1鉸支座)，且構(gòu)造層均為柔性、塊狀材料，該階段變形釋放后鋪裝屋面底板及構(gòu)造層，后續(xù)變形處于底板及構(gòu)造層自適應范圍內(nèi)，受損風險極小。2單元鋼結(jié)構(gòu)卸載后，在2單元鋼結(jié)構(gòu)變形及金屬屋面附加荷載作用下，1單元變形值Δ11+Δ12達到總變形Δ1的80%～85%。3單元鋼結(jié)構(gòu)卸載后，在金屬屋面系統(tǒng)附加荷載作用下，1單元變形值Δ11+Δ12+Δ13達到總變形Δ1的95%左右，且接近大跨鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計自重狀態(tài)下的變形值，此后開始安裝1單元金屬屋面檁條系統(tǒng)，調(diào)平及安裝屋面板，與順序施工狀態(tài)幾乎沒有差異，后續(xù)變形發(fā)展對屋面整體性及排水坡度影響降到最低，且由于1單元底板、構(gòu)造層已提前完成鋪裝，大幅提前1單元屋面閉水時間，從而為1單元下部內(nèi)裝工序及時鋪開贏得時間，其余單元金屬屋面同理。

8 結(jié)語

1)本工程通過大跨鋼結(jié)構(gòu)-金屬屋面系統(tǒng)協(xié)同深化，在深化設(shè)計階段前置解決專業(yè)間的錯漏碰缺問題，按平均每300m2金屬屋面出現(xiàn)1處錯漏碰缺計算，大幅節(jié)約拆改時間及成本，且相關(guān)成果進一步豐富BIM技術(shù)應用場景。

2)本工程將屋面系統(tǒng)支承部件集成至主鋼結(jié)構(gòu)一體化加工、一體化吊裝中，主鋼結(jié)構(gòu)線質(zhì)量上浮≤15kg/m，可忽略對吊裝機械選型的影響，相比支承部件逐件高空散裝，每件施工效率提高70%以上，節(jié)約施工成本，故應加強策劃金屬屋面深化設(shè)計階段，充分利用鋼結(jié)構(gòu)工廠化加工與大型化機械吊裝的優(yōu)勢，實現(xiàn)提效降本。

3)大跨鋼結(jié)構(gòu)半成形狀態(tài)階梯卸載技術(shù)為金屬屋面提前插入創(chuàng)造條件，經(jīng)分析，該技術(shù)幫助屋面閉水時間提前47%，整體施工工期縮短25%，最終僅用112d完成1.5萬t鋼結(jié)構(gòu)、4.2萬m2金屬屋面系統(tǒng)施工(其中屋面開始閉水僅45d)，為內(nèi)裝工程及時鋪開、按時交付做出貢獻，社會效益顯著。該技術(shù)還實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)施工臨時支撐循環(huán)利用，大幅節(jié)約施工成本。

4)鋼結(jié)構(gòu)-金屬屋面一體化施工能有效提高施工效率、提升質(zhì)量、縮短施工工期、節(jié)約造價，選擇具有相關(guān)施工經(jīng)驗與技術(shù)儲備的承包商進行鋼結(jié)構(gòu)-金屬屋面一體化發(fā)包，是大型公建項目招采優(yōu)先選擇的方向。