错层积木外形的装配式钢结构施工技术

时间：2024-08-31

郑信荣陈建福王业祯

上海新长宁集团建筑装饰实业有限公司上海 200050

1 工程概况

上海长宁区威宁路办公楼项目为错层积木外形的装配式钢结构建筑工程，由1栋地上10层商务办公楼、1栋地上3层文化中心和地下2层停车库组成。

本工程建筑设计理念——“魔都、魔方、魔力无限”，采用BIM技术进行设计。通过在设计阶段中引入Autodesk Revit、Autodesk Navisworks Manager软件，建立了可视化建筑三维模型，使工程师和设计师可以更加精确地设计和建造高效能的建筑结构，提高图纸设计的精确度和效率。该建筑外形采用错层积木设计，增加建筑的灵动性，整个建筑外立面层次变化多样丰富（图1）。

图1 上海威宁路办公楼外观

2 钢结构设计概况

本工程地下2层为钢筋混凝土框架结构，上部主体结构为装配式钢框架结构，钢柱按设计要求嵌固于地下室，并伸入至地下1层结构楼板面。结构总高度43.4 m，总用钢量2 600 t。

钢柱均为箱形框架柱，材质为Q345B，规格为□400 mm×400 mm×20 mm×20 mm～□700 mm×700 mm×50 mm×50 mm不等。

钢梁材质为Q345B，部分钢梁采用热轧H型钢，规格为H200 mm×200 mm×8 mm×12 mm～H800 mm×350 mm×14 mm×30 mm不等，部分钢梁采用焊接H型钢，规格为H600 mm×300 mm×12 mm×20 mm～H900 mm×300 mm×16 mm×28 mm不等。

平面柱距东西向分别为12.0、12.2、8.8、12.0 m，南北分别为13.2、11.6、13.2 m，外立面积木式错层均为悬挑结构，悬挑长度2.3～4.0 m，即从钢柱上悬挑出钢梁，再设连系梁形成整个悬挑构件。

框架梁与框架柱之间连接采用刚性连接，次梁与主梁之间的连接采用铰接，主体钢结构楼板采用压型钢板复合楼板结构。钢结构耐火等级为一级，采用防火涂料。

该结构具有施工工艺要求高、制作成品精确度要求高、安装安全性要求高及绿色环保等特点。

3 钢结构施工图深化设计

钢结构施工图深化设计直接影响到钢结构制作和安装[1-4]，所以我们对这项工作十分重视，组织相关专家和技术骨干对多家钢结构制作单位进行实地考察，最后经过综合考评，选择了一家实力比较强的钢结构制作企业。

钢结构深化设计图纸是厂家制作钢结构的主要依据。我们通过钢结构深化设计比较原设计使用的截面，适当调整截面尺寸，同时使杆件和节点在实际的加工制作和安装过程中能够更加合理和精确，并且对杆件进行编号，形成流水制作，提高加工效率，并对螺栓拼接缝处连接板进行优化、归类、统一，减少品种和规格。

深化设计图纸的节点图纸包括钢柱与基础、钢梁与钢柱、钢柱与混凝土梁、主次梁节点等连接详图。整个深化设计采用Xsteel制图软件出图，按以下步骤进行：结构整体定位轴线的确立→结构整体初步建模→节点参数化自动生成→构件编号→出构件深化图纸→图纸更新、调整。

4 钢结构吊装设备的选择及现场平面布置

本工程所有钢结构的安装任务基本由设在建筑物内的1台C7030塔吊进行吊装，塔吊吊装回转半径60 m，根据塔吊回转半径将其设置在一个比较合理的位置，四面兼顾，利于吊装施工（图2）。经过钢结构深化设计，单个构件质量均在8 t以下，塔吊均能满足所有构件吊装的需要。

图2 施工现场平面布置

塔吊基础承台厚1 350 mm，其底标高位于地下室顶板上1 000 mm处，承台下设4根480 mm×480 mm钢格构柱，并采用型钢支撑进行焊接连接，将4根钢格构柱形成整体。钢格构柱下端伸入基坑底与其轴线重合的4根φ800 mm、长35 m的钻孔灌注桩内，要求至少插入3 m，钢格构柱上端则伸入承台基础内600 mm以上。

在基坑及地下室施工阶段前，塔吊基础全部完成并达到混凝土设计强度，塔吊立即安装到位投入使用，直到钢结构完成后再在建筑物北侧采用100 t的汽车吊将塔吊分段拆卸至地面运输出场。

5 钢结构主体结构施工

5.1 钢结构施工流程

钢结构施工流程为：塔吊安装、基坑开挖→基础底板、地下2层结构施工完成、首节钢柱吊装→地下1层结构施工完成、第2节柱吊装→3～4层钢柱和钢梁安装、1～2层楼板压型板安装→5～6层钢柱和钢梁安装、1～2层开始压型板上混凝土楼板浇筑→7～8层钢柱和钢梁安装、3～4层混凝土楼板浇筑→9层～屋面层钢柱和钢梁安装、逐层完成5层～屋面层混凝土楼板浇筑→结构封顶。

在施工地下室部分时，主要是劲性混凝土结构和一般框架结构，上部主体才是钢结构施工，主要包括钢柱吊装、柱间钢梁吊装、次梁吊装、悬挑结构的吊装等工序。

钢结构施工的楼层先于土建（压型板上混凝土楼板浇筑）施工的楼层，一般相差5～6层，即上面2层在进行钢结构安装，中部2层在进行压型钢板的铺设，最下面2层在绑扎钢筋、浇筑混凝土。钢结构的吊装施工应与土建（混凝土浇筑）密切配合，既有利于结构整体刚度和稳定性，又有利于施工作业。

5.2 钢柱施工工艺

5.2.1 第一段钢柱的吊装

本工程上部主体钢柱嵌固于地下室，并要求钢柱（箱型柱）伸入地下1层钢筋混凝土柱内，即－5.25 m标高处，在施工地下2层顶板结构时埋入钢柱脚螺栓，在进行地下1层结构施工前首先进行第一段钢柱的吊装，主要采用从中间向东西两侧吊装的施工顺序。箱形柱采用分段对接安装，第一段钢柱分段位置在超过地下室顶板面1.2 m处。

施工时，先放出每个钢柱柱脚基础的纵横轴线，确定钢柱安装位置，将所测轴线弹墨线后，复核相邻柱间尺寸。在轴线复核无误后，做三角标记，作为第一节钢柱吊装就位时的对中依据。与此同时，要将柱的中心线和标高基准线标记在柱的两端，标记要醒目。每根柱在地面以柱顶为基准标记安装用的标高控制线，标高控制线应至少投设和标记于两个面上。吊装前将安装爬梯安装在钢柱的一侧，同时在柱与钢梁的连接位置下1.2 m处焊接固定装配式安装操作平台的临时槽钢，钢爬梯和临时槽钢应安全牢靠，以便于作业人员上下和安装钢梁时操作（图3）。钢柱吊点设置在预先焊好的连接耳板处，为防止吊耳起吊时的变形，采用专用吊具装卡，采用单机回转法起吊。起吊前，钢柱应垫上枕木以避免起吊时柱底与地面的硬接触，起吊时，不得使柱端在地面上拖拉。待钢柱吊到就位上方200 mm时，应停机稳定，对准螺栓孔和十字线后，再缓慢下落，使钢柱四边中心线与基础十字轴线对准。在钢柱吊装至安装位置后，即应拉设缆风绳进行固定，并采用全站仪进行垂直度、水平度测量控制。柱底就位应尽可能在钢柱安装时一步到位，若有少量的校正可用千斤顶和调整螺母法校正，精度要求在1 mm以内。

5.2.2 地下室劲性柱（钢柱）与钢筋混凝土框架梁的连接施工

设计方案采用在钢柱上开孔，钢筋混凝土框架梁钢筋穿入相应的孔位的方案，此种做法的缺点是在钢结构柱制作时需在钢结构柱上开孔，钢柱存在局部截面损失率较大的问题。我们在图纸会审中提出了此问题。设计单位做了修改，采用与焊接在钢柱上的套筒机械连接的方式，混凝土梁内钢筋密集多为两排设置，现场钢筋绑扎的精度与钢结构制作精度存在不匹配，可能造成混凝土梁上下两排主筋无法顺利穿入相应的机械连接套筒的情况。最终我们与设计单位沟通采用梁上、下外排钢筋焊接钢板，内侧第二排钢筋与焊接在钢柱上的套筒机械连接方案，采用此方案有效地解决了地下1层钢柱与钢筋混凝土框架梁的连接节点的施工难题，具有可靠的操作性，我们采用样板引路，先制作了一个节点，设计、监理单位到现场进行确认复核，然后再把样板推广应用到相同的节点。

5.2.3 地下劲性柱混凝土浇筑

地下1层柱内钢筋配筋密集，箱形柱每侧的竖向柱筋为HRB400级φ22～φ25 mm钢筋7～9根，柱子箍筋间距100～150 mm。劲性柱梁节点复杂，处理难度较大，由于劲性柱内钢筋密集，加上栓钉，混凝土浇筑极为困难，振捣质量如不到位，容易出现蜂窝、孔洞等质量缺陷。因此劲性柱混凝土采用20～30 mm粒径的石子，坍落度控制在180～220 mm，采用φ30 mm的振动棒进行振捣，确保施工质量。

5.2.4 上部钢柱的吊装

临时装配式操作平台，我们采用脚手架搭设＋木板，设简易操作平台，方便又节省材料（图4）。

图3 钢柱及钢爬梯

图4 钢柱上操作平台

上部钢柱的安装与首段钢柱的安装不同点在于柱脚的连接固定方式不同。上部钢柱2层一节，钢柱吊点设置在钢柱的上部，利用4个临时连接耳板作为吊点。吊装前，下节钢柱顶面和本节钢柱底面的渣土和浮锈要清除干净，保证上下节钢柱对接面接触顶紧。

下节钢柱的顶面标高和轴线偏差、钢柱扭曲值一定要控制在规范以内，在上节钢柱吊装时要考虑进行反向偏移回归原位的处理，逐节进行纠偏，避免造成累积误差过大。柱身的扭转调整通过上下的耳板在不同侧夹入垫板（垫板的厚度一般在0.5～1.0 mm），在上连接板拧紧大六角头螺栓来调整。每次调整扭转在3 mm以内，可分成2～3次调整。钢柱吊装到位后，钢柱的中心线应与下面一段钢柱的中心线吻合，并四面兼顾，待校正完毕，采用全熔透坡口焊接全部焊接完毕后，将连接板割掉，打磨光滑，并涂上防锈漆。割除时不要伤害母材。