江 筠,方真剛,羅先林,李 遙,高 塽

(武漢建工集團股份有限責任公司,湖北 武漢 430056)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和城鎮(zhèn)化率的不斷提高,我國城市建設突飛猛進,辦公、展示、科研及文教公共建筑等大型工程日益增多,同時建筑設計水平也飛速發(fā)展,因此公共建筑呈現(xiàn)出形態(tài)復雜、跨度大、懸挑大、多重結構混合的特征。目前大跨度鋼框架混凝土筒中筒結構體系的建筑在國內(nèi)已較為常見,該結構能實現(xiàn)較大跨度的建筑形式和更高的結構穩(wěn)定性,且這種結構設計相較于單純的鋼結構或混凝土結構在承重和抗扭上有較突出的優(yōu)勢[1-2]。然而這種大跨度鋼框組合結構呈扁平狀造型、結構復雜、鋼結構安裝精度要求高,空間定位難,同時合同條款與場區(qū)內(nèi)外環(huán)境約束大,對施工技術要求高,施工難度非常大。因此,針對這種大跨度鋼框組合結構,采用何種施工技術和項目管理方式成為當下亟待解決的課題之一。

針對上述難題,通過深入研究信息綜合樓的設計概念,發(fā)現(xiàn)其建筑形態(tài)和結構形式與分形理論的門格海綿模型極為相似[3-4],因此創(chuàng)新性地提出和探討,將分形理論應用于大跨度鋼框組合結構的施工組織及建造方式。將信息綜合樓的鋼結構、混凝土結構和外皮幕墻從材料和分部分項工程類別的角度拆解成若干契合分形的自相似幾何塊,分部進行安裝,各分部塊體間具有高度相似性,因此現(xiàn)場采用統(tǒng)一標準化的施工安裝工藝,有效提高了施工效率,減小了施工誤差,降低了施工成本,達到了預期目標。

1 工程概況

國家網(wǎng)絡安全人才培訓中心工程項目的信息綜合樓結構形式為大跨度鋼框架-剪力墻組合結構(見圖1),內(nèi)部以4個12.5m×12.5m的核心筒和16根1.5m×1.5m的勁性鋼骨柱為主要豎向結構,支撐整個結構和1萬多t鋼結構;建筑外立面和屋面分別采用風鈴幕墻柔性鋼片與太陽能遮陽板。地下1層,地上5層,建筑高度23.90m,建筑長、寬均為112.5m,總建筑面積,地上36 667.08m2,地下 12 656.25m2, 屬多層民用建筑,集會議、實驗、辦公、展示等功能于一體。信息綜合樓地上結構為大跨懸挑體系,具有體量大、建筑形態(tài)復雜、扁平等特點,這種設計與分形理論的門格海綿模型相吻合。

圖1 信息綜合樓架構

2 施工難點

2.1 信息綜合樓建筑形態(tài)特殊

信息綜合樓基于分形的設計理念,在平面上與分形理論的謝爾賓斯基地毯相契合,利用對稱及嵌套的手法將整個結構進行空間布局,使其在空間上又呈現(xiàn)門格海綿的立體視覺效果(見圖2)[5]。信息綜合樓的主體結構采用了分形的承重布局方式,其中在平面上,由幕墻龍骨構成外輪廓為一個較大尺寸的正方形,中庭及四角核心筒均為外輪廓縮小至不同比例的相似正方形;豎向上,核心筒為剪力墻和鋼骨柱共同組成的內(nèi)外筒形式,支撐起1萬多t鋼結構;在立面上,建筑外立面幕墻柔性鋼片與自身形成了不同比例的相似正方形。整個建筑物形態(tài)復雜,但各組成部分具有明顯的比例特點。在分形維數(shù)上也與門格海綿的維數(shù)相近,其分形的豪斯多夫維近似為2.726 8。

圖2 信息綜合樓模型

(1)

式中:D為自相似維數(shù);N為縮小后所形成的相似圖形數(shù)量;r為分形圖形的縮小倍數(shù)。

2.2 周邊環(huán)境對信息綜合樓施工的影響

2.2.1場外已完工程對信息綜合樓的影響

信息綜合樓西側為已完工的培訓中心一期工程,最小凈距40.3m,基坑深7.3～8.7m。地下室基坑開挖為二階放坡掛網(wǎng)噴混凝土和錨噴的支護方式,其中一階坡比為1∶0.7,放坡寬度為2.1m,中間臺階寬度為2m;二階坡比為1∶0.3,放坡寬度為1.3m?？紤]到施工過程中邊坡穩(wěn)定及對培訓中心一期建筑物的影響,坡頂距培訓中心一期結構邊間距為28.9m,并預留8m寬的臨時施工道路為信息綜合樓大型吊裝機械作業(yè)提供支持(見表1與圖3)。

表1 信息綜合樓主要履帶式起重機設備

圖3 信息綜合樓與培訓一期交界處示意(單位:m)

2.2.2場內(nèi)在建建筑物對信息綜合樓的影響

場內(nèi)在建建筑物對信息綜合樓影響較大,其中在地下部分,信息綜合樓與教學實驗樓B棟、東側在建的網(wǎng)絡學院相接,與西側培訓中心一期通過管廊相接;在地上部分,信息綜合樓通過連廊與東側的網(wǎng)絡學院和西側的培訓中心一期相接,兩側凈距約40m。在平面上,學生宿舍樓B棟、C棟距信息綜合樓凈距162m,其周邊空地為信息綜合樓的鋼結構施工提供一定的資源供給堆場。教學實驗樓B棟及地下室施工對信息綜合樓形成了資源爭奪,教學實驗樓B棟臨近信息綜合樓凈距為38m,地下室面積為55 843m2。在施工過程中,塔式起重機的旋轉半徑、臨時施工道路的使用二者都形成了一定的交叉重疊,對信息綜合樓施工有較大影響(見圖4)。

圖4 場內(nèi)在建建筑物及臨時道路

2.3 PPP項目合同條款對信息綜合樓的影響

2.3.1設計標準及質(zhì)量要求

本工程設計標準和質(zhì)量高,信息綜合樓核心筒剪力墻與勁性鋼骨混凝土柱均為清水混凝土結構,外立面為風鈴幕墻,屋面為太陽能遮陽板,連梁為鋼桁架結構,公區(qū)地面為裝飾混凝土云地面。清水混凝土與1.2萬多t鋼結構交叉施工,造成施工過程中從模板鋼筋材料、加固體系選擇、加工、搭設、拆除到混凝土原材料控制、混凝土運輸、澆筑振搗、養(yǎng)護和成品保護比常規(guī)更加復雜,控制難度大。

2.3.2合同工期與成本壓力

合同工期僅350d,且本工程施工高峰期為夏季,考慮到武漢地區(qū)夏季高溫多雨,有效施工時間和施工效率影響大。在項目實施建造過程中必須充分利用各交叉作業(yè)時間,保證各工序銜接,控制關鍵線路工期時間,在施工過程中若各階段施工未能嚴格按計劃進行,施工進度必將大大嚴重滯后,工期壓力大。由于本工程簽訂合同無備料款,項目前期鋼結構部分原材料資金墊付壓力大,鋼結構工程必須安裝后才能進行產(chǎn)值審定付款,通過科學有效的施工部署,盡可能提高施工效率可減少項目的資金周轉壓力。

3 大跨度鋼框組合結構分形建造技術方案

3.1 主體結構分形協(xié)同建造技術路徑

鑒于建筑形態(tài)特殊、場內(nèi)外環(huán)境和PPP項目合同條款等因素對信息綜合樓的影響,通過深入研究后,將分形理論創(chuàng)新性地融合到施工過程中,同時也帶來混凝土結構、鋼結構和幕墻結構的分形節(jié)點如何連接難題,由此必須要對分形節(jié)點進行技術攻關。一方面,以分形理論為核心,將鋼結構、混凝土和幕墻進行有序分形,對三者交接關鍵節(jié)點進行技術攻關;另一方面,以協(xié)同管理為核心,利用信息熵對2種施工方案進行成本、進度對比,并對鋼結構與混凝土結構進行仿真模擬,預先采取有效措施保證施工過程安全性(見圖5)。

圖5 主體結構建造技術路徑

3.2 主體結構分形

基于信息綜合樓運用分形設計的特點,其結構體系也具有分形特征?，F(xiàn)將鋼筋混凝土、鋼結構及幕墻依據(jù)空間位置的不同,共劃分為5個結構穩(wěn)定的流水段,并按分形理論分形為不同尺寸的自相似塊,對各塊體進行編號,統(tǒng)計數(shù)量,通過將整個建筑結構進行分形,最終進行不同施工方式的模擬推算,優(yōu)選最佳施工方案(見圖6)[6]。

圖6 分形及層級迭代(單位:m)

通過對5個結構穩(wěn)定流水段進行不同尺度層級的劃分,共形成7種類型的自相似塊(見表2)。整體分形上是基于謝爾賓斯基地毯模型,其豪斯多夫維數(shù)為1.892 8[7]。通過對建筑結構的有序拆分與統(tǒng)計,其主體結構通過分形后主要表現(xiàn)為⑤～⑦號塊的拼裝過程,并考慮項目周邊環(huán)境、工期成本影響,針對信息綜合樓主體結構形成了2種施工方案。整體吊裝方案為:⑤,⑦號塊鋼結構與⑤～⑦號塊混凝土同步逐層施工,最后施工外幕墻④,⑥號塊主龍骨。分形建造方案為:先施工鋼結構⑤,⑦號塊并形成獨立自穩(wěn)體系后,再施工混凝土結構⑤,⑥,⑦號塊,并在混凝土施工期間穿插施工外幕墻④,⑥號塊主龍骨。

表2 結構穩(wěn)定流水段分形自相似塊統(tǒng)計

3.3 基于信息熵理論的施工方案比選

3.3.1工期對比

對于鋼框組合結構的建筑,常采用鋼結構與混凝土結構逐層同步施工的傳統(tǒng)方式進行,在項目實施前,通過對項目資源的分析,對施工進度進行了工期推演,在場地空間、資源及時間有限的情況下,整體吊裝方案會導致不同專業(yè)的工種相互打攪,不利于施工組織和操作作業(yè),且安全風險高;多種材料、機械聚集,而場地堆場有限,協(xié)調(diào)難度大,總工期約512d,考慮到合同工期,采用傳統(tǒng)的鋼結構和混凝土逐層施工的方案無法滿足要求,因此,需進一步對施工方案進行優(yōu)化調(diào)整(見圖7)。

圖7 整體吊裝施工方案工期演算

為保證信息綜合樓按時交付,必須對工序進行重新調(diào)整,結合信息綜合樓自身結構特點、周邊環(huán)境和工期約束,擬采用鋼結構先獨立施工并形成自穩(wěn)框架體系,再施工混凝土結構的分形施工方案,人工、材料、機械等主要資源投入相對均衡,利于各專業(yè)人員獨立持續(xù)作業(yè),且各分形單元可模塊化吊裝,此施工方案推演總工期約為320d(見圖8)。

圖8 分形建造方案工期演算

3.3.2成本對比

采用整體吊裝方案需預先對起重機行走路線及作業(yè)位置的地下室頂板進行加固回頂(見圖9),整體加固面積5 763m2。鋼筋混凝土梁主筋數(shù)量需增加20%,板筋由C14改為C18,鋼筋平均用量增加35%,經(jīng)測算整個加固面積鋼筋用量增加203t,費用81.2萬元。在整個起重機行走路線上,地下室頂板的腳手架需一直回頂支撐,直到整個主體結構施工完成方可拆卸,預計增加腳手架周轉周期為11個月,周轉費用為141.9萬元,合計總費用增加223萬元(見表3)。

表3 2種方案對比結果

圖9 整體吊裝方案頂板加固區(qū)域

熵最初是熱力學中衡量體系混亂程度的物質(zhì)狀態(tài)參量。在系統(tǒng)科學中,熵作為測量系統(tǒng)內(nèi)部運行有序性的工具,由系統(tǒng)內(nèi)部條件與外部環(huán)境共同作用。當系統(tǒng)內(nèi)部要素間協(xié)同程度較差導致無序性增強時,信息熵值增加。熵值越小說明系統(tǒng)整體運行效率最高,最穩(wěn)定[8]。按式(2)計算出整體吊裝方案的信息熵為2.237×10-4,分形建造方案的信息熵為-4.052×10-4,分形協(xié)同方案信息熵明顯小于整體吊裝施工方案,表明分形建造方案整體施工效率高,可滿足合同工期要求,分形建造方案優(yōu)于整體吊裝方案。

(2)

式中:Ms為信息熵值。

4 大跨度鋼框組合結構分形建造關鍵技術

4.1 結構優(yōu)化及施工方案可行性計算

4.1.1結構優(yōu)化

分形協(xié)同方案充分利用了分形結構設計中的演化過程,將整個結構進行有序分形,自相似的結構塊間可采用模塊化施工方式,有效減少了現(xiàn)場高空作業(yè)風險。為配合鋼結構獨立施工,需優(yōu)化原結構設計,對⑤,⑥號塊間的核心筒部分結構做優(yōu)化,以契合分形建造方式。將原設計⑤,⑥號塊間的小梁取消,采用增加樓板厚度方式增加結構穩(wěn)定性,并對調(diào)整后的結構進行結構穩(wěn)定性驗算,確保結構安全(見圖10)。

圖10 調(diào)整前后結構對比

為滿足抗震設計要求,對優(yōu)化后的結構標準層樓板在大震下進行剪應力分析,由大震時標準層樓板x方向應力分析結果(對稱性高,y方向不變)可知,樓板在大震作用下應力分布較均勻,在4個核心筒周圍存在應力集中(見圖11)。大震作用下,樓板剪應力多數(shù)≤1.0MPa,在核心筒角部剪應力較大,局部達到4.4MPa

圖11 標準層樓板應力分析

為滿足重力荷載作用下樓層結構穩(wěn)定性,現(xiàn)對重力荷載作用下核心筒樓板應力進行分析,如圖12所示,在重力荷載作用下,由于核心筒與周圍框架梁縱向變形差及懸挑桁架下?lián)?導致核心筒邊緣及懸挑桁架邊緣樓板拉應力較大。結構優(yōu)化的核心筒樓板加厚到200mm,并采用φ16@200mm雙層雙向配筋,且鋼骨柱加粗至1 500mm×1 500mm,可滿足結構設計要求,表明優(yōu)化后的⑤,⑥號塊具備獨立施工的穩(wěn)定性要求。

圖12 核心筒及樓板應力分布

4.1.2分形建造方案可行性計算

建造過程中仿真應力計算如圖13所示。

圖13 施工過程仿真分析

根據(jù)施工過程模擬結果,桿件應力比均處于較低水平,建造成型后桿件最大應力比0.46,結構安全性滿足要求。在鋼結構施工完成形成自穩(wěn)體系后,混凝土結構施工過程中會產(chǎn)生荷載變化,在構件內(nèi)部產(chǎn)生附加應力,使部分構件應力比原設計狀態(tài)下大,會降低結構構件的安全余量,因此,在混凝土結構施工過程中必須保證整個荷載對稱線性施加。

分形建造方案雖整體上可行,但在施工過程中須嚴控混凝土澆筑過程安全,須預先設置臨時支撐,結構角部懸挑梁GL9a-1～4采用φ299×10圓管作臨時支撐,臨時支撐位于4.800m標高柱頂,分別于9.600,19.200m標高樓層設置臨時聯(lián)系桿,以保證鋼結構⑤,⑦號塊的應力均勻線性增加,確保結構安全。鋼結構臨時支撐也為幕墻④號塊施工提供支撐,保證在整個主體結構施工完成前其可獨立施工并保證穩(wěn)定性(見圖14)。

圖14 節(jié)點C-臨時支撐三維示意

4.2 建筑結構新體系分形建造關鍵節(jié)點技術

4.2.1分形建造關鍵節(jié)點豎向連接技術

4.2.1.1鋼骨混凝土核心筒嵌合式基礎一體化成型技術

鋼骨混凝土核心筒結構嵌合式基礎一體化成型技術能有效增大核心筒的豎向承載力,提高結構體系的安全性和可靠性,加大抗拔力、減小位移,使結構整體剛度加大,具有更大穩(wěn)定性和更高效能[7]。土方開挖成型后,澆筑墊層并鋪貼防水卷材,現(xiàn)場制作坡底鋼筋籠并吊裝;再使用水準儀、全站儀對鋼筋籠進行精準定位和標高控制,通過水平花籃螺栓對預埋件進行上下調(diào)節(jié),待預埋件定位安裝完成后,澆筑C40無收縮細石混凝土作為鋼骨柱(⑦自相似塊)柱腳灌漿漿料。焊接鋼骨柱及承臺鋼筋,并預埋纜風繩預埋件、澆筑筏板墊層后安裝纜風繩。下一步校正鋼骨柱位置后,吊裝型鋼梁,型鋼梁以鋼骨柱為支點構成⑤自相似塊;筏板鋼筋綁扎完成并驗收后,澆筑承臺底部至筏板底混凝土,卸掉纜風繩并澆筑筏板混凝土。下一步進行架體搭設、鋼骨柱與型鋼梁模板鋪設及鋼筋綁扎,最后澆筑梁柱混凝土(見圖15)。

4.2.1.2鋼結構與混凝土結構鋼骨一體化制作與安裝技術

勁性鋼骨柱采用工廠預加工模式制作標準節(jié),在工廠對鋼筋主筋與鋼骨柱上的套筒進行機械連接,在鋼骨柱上焊接下部箱形鋼梁的牛腿,再將預制好的八邊形箍筋從上部套入鋼骨柱,然后焊接上部的箱形鋼梁牛腿,并在鋼骨柱兩頭各焊接2個耳板用于吊裝,有效減少了現(xiàn)場安裝工作量,提高了安裝進度,并相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場主筋搭接方式,減少了大量措施鋼筋,減少了鋼材用量。

將帶有部分層間打斷主筋、箍筋、鋼骨柱的標準節(jié)運輸?shù)浆F(xiàn)場進行拼裝,位于鋼骨柱四角的貫穿主筋采用機械套筒連接。最外側箍筋直徑過大,現(xiàn)場施工實際操作時完整閉合箍筋操作難度大,因此采用2根巨型開口箍代替。在貫穿主筋完成安裝后,根據(jù)箍筋間距進行最外側巨型開口箍焊接,連接位置采用一級焊縫對接雙面焊,在保證滿足規(guī)范要求的條件下,減小了現(xiàn)場施工難度,縮短了施工工期(見圖16)。

圖16 鋼骨柱平面布置及標準節(jié)

4.2.1.3自相似幕墻結構體系的整體插槽裝置

對于自相似幕墻結構體系的插槽裝置[9],側板相互圍合形成上端具有開口的插槽體,插槽體的底部固定有底板,插槽體內(nèi)部設置有彈簧板,彈簧板相互圍合形成插槽。在平面上,幕墻外框架可看作①號自相似塊,在立面上,整體幕墻④號自相似塊由多個⑥號自相似塊組成,幕墻整體與局部成比例關系,便于批量化生產(chǎn)制作,安裝的裝配程度高,施工效率成倍提升,安全風險大大降低,有效降低了人工成本。插槽裝置有效控制了幕墻鋼框架柱變形難點,用有限的工廠加工構件按幕墻結構不同設計要求設置插槽,合理改變插槽位置,可適用于不同結構形式的幕墻。這在一定程度上減少了現(xiàn)場焊接作業(yè)量,控制了結構變形導致幕墻平面變形的問題,幕墻成型感觀效果更好,實現(xiàn)了幕墻鋼框架標準化設計、標準化制造、標準化連接技術(見圖17)。

圖17 節(jié)點B-幕墻龍骨插槽裝置

4.2.2分形建造關鍵節(jié)點水平連接技術

1)鋼結構與混凝土結構位移變形調(diào)節(jié)裝置 分形協(xié)同建造方案與傳統(tǒng)的型鋼混凝土結構施工方式不同,主體鋼結構采用預先整體拼裝后澆筑混凝土模式。采用將工字鋼梁嵌入剪力墻方式,連接⑤,⑥號自相似塊,增強結構整體性。預先將埋板與工字鋼梁通過螺栓進行臨時固定連接,考慮到鋼結構與混凝土2種不同結構變形差異大,埋板水平定位會有一定偏差,同時為防止后期剪力墻施工定位時由于誤差原因?qū)е侣癜逋怀黾袅γ?因此,在埋板上設置水平螺栓孔,保證埋板和工字鋼梁在最后焊接前可在水平方向上自由調(diào)節(jié),從而消解施工和變形誤差。在埋板的腹板上設置若干穿筋孔用于穿入剪力墻水平鋼筋,待剪力墻模板安裝完成后,對埋板的水平位置進行微調(diào),調(diào)整到位后,將鋼梁和埋板進行對接焊接,在驗收滿足焊接要求后,可將用于臨時固定連接的普通螺栓拆除(見圖18)。

2)鋼結構與混凝土結構接縫控制技術 鋼結構和混凝土2種不同的材料屬性差異較大,尤其在夏冬兩季,鋼結構與混凝土交接處由于熱脹冷縮效應,兩種材料變形程度不一致,導致混凝土變形開裂,因此,在實際施工中必須采取有效措施緩解裂縫問題。為減小此問題造成的不利影響,在箱形鋼梁與混凝土樓承板間加裝柔性橡膠條,橡膠條采取一頭大一頭小設計,大頭嵌入夾縫內(nèi)側起抗拔作用,防止橡膠條被拔出,對①,③自相似塊形成有效連接。柔性橡膠條有效緩沖了鋼結構和混凝土2種結構材料差異導致的溫差變形(見圖19)。

圖19 節(jié)點A-鋼梁與樓承板接縫處理

5 結語

大跨度鋼框組合結構分形建造關鍵技術,按謝爾賓斯基地毯模型將信息綜合樓的鋼結構、混凝土結構和外立面幕墻分形成若干自相似幾何平面塊,再通過模型計算論證這些獨立單元塊在施工過程中的穩(wěn)定性。施工次序按先將若干鋼結構單元組合完成再逐步施工混凝土分割單元塊,最后進行建筑外皮大板塊單元式風鈴幕墻組合吊裝,達到類似于門格海綿模型的施工效果。