超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)制造和安裝技術(shù)

上海瑞博置業(yè)有限公司 上海 200120

1 工程概況

背景工程位于陸家嘴濱江金融城上海船廠（浦東）區(qū)域2E5-1地塊，總建筑面積434 106 m2。其中地下部分119 988 m2，地上部分塔樓T1約為156 235 m2，塔樓T2約為113 146 m2，裙樓T3約為44 737 m2。塔樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，其中塔樓T1為55 層（35 層以下為型鋼混凝土柱），塔樓T2為52 層（31 層以下為型鋼混凝土柱）。地下共4層，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土柱。其中的鋼骨柱有十字形柱、T形柱和H型鋼柱3 類，材質(zhì)為Q345GJC以及Q345B。

工程的結(jié)構(gòu)形式為鋼骨柱和混凝土梁組成的混合型結(jié)構(gòu)，混凝土梁鋼筋通過接駁器和鋼柱牛腿與鋼柱進(jìn)行焊接錨固，部分鋼筋采用穿越孔與鋼柱腹板正交穿越。這種連接形式是該項目的最大特點(diǎn)，圖1為用軟件模擬后的效果。

圖1 鋼柱與混凝土梁鋼筋BIM節(jié)點(diǎn)

本工程存在的難點(diǎn)如下：

（a）本工程鋼構(gòu)形式為無鋼梁勁性鋼結(jié)構(gòu)，勁性柱與混凝土框架梁的搭接節(jié)點(diǎn)工況復(fù)雜。梁柱定位精度要求高，鋼柱深化設(shè)計和工廠加工精度均要滿足現(xiàn)場梁鋼筋綁扎的施工要求。

（b）型鋼柱與梁的節(jié)點(diǎn)多且復(fù)雜，主要有“梁與型鋼柱交接處托班連接”“型鋼柱內(nèi)主筋排布”“型鋼柱上懸挑鋼筋布置與連接”等。

（c）本工程采用厚板加工型鋼柱，最厚的鋼板達(dá)到80 mm，且厚度超過40 mm的鋼板有Z15向性能要求，超過60 mm的鋼板有Z25向性能要求。在工廠加工制造和焊接中厚板的加工質(zhì)量控制也是一大難點(diǎn)。

（d）因大量鋼柱采用厚板制作，自重較大。在高層建筑施工過程中，精準(zhǔn)的吊裝就位無疑也是本工程面臨的難點(diǎn)。

2 新技術(shù)新工藝介紹[1-5]

基于上述工程難點(diǎn)，逐項分析后，針對本工程梁柱定位要求高和節(jié)點(diǎn)復(fù)雜的特點(diǎn)，運(yùn)用了BIM建模技術(shù)進(jìn)行鋼構(gòu)節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計。針對中厚板的加工要求并結(jié)合本工程的特點(diǎn)對本工程的十字柱加工闡述如下。

2.1 BIM建模技術(shù)

BIM技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計建造管理的數(shù)據(jù)化工具，通過參數(shù)模型整合各種項目的相關(guān)信息，在項目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對，為設(shè)計團(tuán)隊以及包括建筑運(yùn)營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體協(xié)同工作打好基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。本項目的結(jié)構(gòu)、給排水、電氣、暖通、裝飾等各個專業(yè)均通過BIM模型進(jìn)行整合，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，用以指導(dǎo)施工、加強(qiáng)管理工作。

BIM技術(shù)適用于工程項目的各個階段，在結(jié)構(gòu)施工階段，利用BIM模型來繪制深化圖紙，指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)柱的生產(chǎn)和加工。深化軟件本工程采用了TEKLA的專業(yè)繪圖軟件進(jìn)行鋼柱桿件圖的出圖工作，首先利用TEKLA軟件建立工程BIM模型，并通過公用接口與土建結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行無縫整合，用于確定鋼柱與混凝土梁鋼筋的相互位置關(guān)系，再利用TEKLA軟件進(jìn)行鋼柱桿件的深化出圖，這樣就確保了鋼柱牛腿、穿越孔的位置符合要求。

通過BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)施工繪圖中的應(yīng)用，可以看出這種出圖方式可視性好，可以直接觀察到鋼柱與混凝土梁的最終位置關(guān)系。協(xié)調(diào)性好，可以協(xié)調(diào)土建專業(yè)和鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)的加工要求，例如采用多粗直徑的鋼筋，在相應(yīng)的鋼柱穿越位置應(yīng)開設(shè)多大的穿孔。模擬性和優(yōu)化性強(qiáng)，例如多向混凝土梁與鋼柱相交形成復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，通過軟件模擬可以確定最終的穿筋方案，并進(jìn)行優(yōu)化。在工程施工中，利用BIM模型來繪制深化圖準(zhǔn)確率高、返修少，極大提高了鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)效率，節(jié)約了管理成本，縮短了施工周期。

2.2 十字鋼柱加工制作

十字鋼柱作為本項目中主要受力構(gòu)件，其加工制作的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到施工安全和質(zhì)量。由于十字鋼柱板厚大，焊接、加工精度要求高，本工程采取了許多工藝措施來保證鋼柱的加工要求。

在加工順序上，本工程將十字鋼柱分為3 個步驟，即H型鋼的制作、T型鋼的制作及十字柱的組立。H型鋼在拼裝流水線上進(jìn)行，為防止在焊接時產(chǎn)生的角變形過大，拼裝時可適當(dāng)用斜撐進(jìn)行加強(qiáng)處理，斜撐間隔距離視H 型鋼翼腹板的厚度進(jìn)行設(shè)置。圖5為H型鋼的拼焊過程為：零件下料（坡口）→H型鋼拼裝機(jī)自動組立→自動埋弧焊接→火焰（機(jī)械）校正→鋸頭、制孔、鎖口→焊接栓釘。

T型鋼的組焊、矯正等工序與H型鋼制作方法相同。為減少T型鋼焊接變形，采用2 個T型鋼背靠背固定后再進(jìn)行焊接。圖2為T排的拼焊過程。

十字柱的組立時在其端頭腹板上確立裝配基準(zhǔn)線，然后，以該裝配基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)加工穿筋孔（圖3、圖4）。焊縫采用CO2打底，小車式埋弧焊機(jī)蓋面的焊接工藝，焊接參數(shù)嚴(yán)格按照合格的焊接工藝評定進(jìn)行。為合理控制焊接過程中產(chǎn)生的變形，焊接順序按圖3、圖4所示進(jìn)行，并在焊接過程中加強(qiáng)檢查，以便隨時作出相應(yīng)調(diào)整。

圖2 T排的拼焊

圖3 十字柱焊接順序

圖4 十字柱的組立

為了控制好十字柱長度尺寸和端部加工，本工程在柱翼緣板和腹板放樣時，各加放了30 mm加工余量，一端為端面刨銑留出余量，另一端為現(xiàn)場焊接坡口，在十字柱焊接、矯正完成后加工。這樣通過端面加工，確保了十字柱的長度公差。另外，柱端面通過刨銑加工，便于安裝控制和焊縫質(zhì)量，為吊裝精度的控制提供了良好的保證。

2.3 中厚板焊接工藝

本項目鋼柱的翼緣板和腹板厚度都特別厚，主要焊縫均要求熔透焊接，坡口角度大、鈍邊小、熔敷金屬量大，容易造成焊接變形大、焊接裂紋和焊接殘余應(yīng)力情況。這些焊接缺陷會嚴(yán)重影響鋼柱的制作質(zhì)量，甚至造成報廢。因此必須從生產(chǎn)工藝上加以避免，確保鋼柱質(zhì)量。

在焊接方法和焊接參數(shù)上，本工程依據(jù)國家鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范，根據(jù)本項目焊接需求，列出了所需的全部焊接工況，并進(jìn)行了焊接工藝評定。本項目主要采用了CO2氣保焊和埋弧自動焊2 種高效焊接方法，確保滿足項目施工焊接的需要。

為防止焊接裂紋的產(chǎn)生，根據(jù)工藝評定，確定了準(zhǔn)確的預(yù)熱溫度、層間溫度、焊后保溫及時間這3 個防止裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。

在焊接工藝上本工程采用了多層多道接頭錯位焊接工藝，在鋼板的焊接中，多層焊的焊縫質(zhì)量比單層焊好，多層多道焊的焊縫質(zhì)量比多層焊好，特別是板厚超過25 mm時效果最明顯，因此，在厚板焊接時，首選多層多道焊技術(shù)來確保焊接質(zhì)量。

控制接頭的拘束應(yīng)力是防止裂紋產(chǎn)生的主要因素，因此采用了各種措施，消除或緩解焊接應(yīng)力。例如采用合適的焊接坡口，構(gòu)件安裝時不得強(qiáng)行裝配，采用合理的焊接順序，對稱焊、分段焊以降低整體焊縫的應(yīng)力，先焊收縮量大的接頭，后焊收縮量小的接頭，應(yīng)在盡可能小的拘束下焊接等等方式。

通過采取上述的焊接工藝，厚板構(gòu)件的焊接質(zhì)量得到了良好的控制，經(jīng)超聲波檢測一次合格率達(dá)到98%，構(gòu)件一次交驗(yàn)合格率達(dá)到96%，取得了良好的效果。

2.4 高層安裝技術(shù)

高層鋼結(jié)構(gòu)的吊裝，采用塔吊是最為理想的安裝工具。隨著塔吊的不斷提升，鋼結(jié)構(gòu)可以像搭積木一樣，快速向上拓展，從而形成鋼結(jié)構(gòu)建筑。本項目有T1、T2兩棟塔樓，利用每棟塔樓的動臂式塔吊來完成吊裝任務(wù)。

項目安裝的關(guān)鍵點(diǎn)首先在于確定合理的鋼柱長度，既要滿足塔吊的吊重能力，又要考慮分節(jié)位置便于焊接施工。考慮總體吊裝思路，鋼柱的質(zhì)量要充分利用塔吊的吊重能力，并且將分節(jié)位置確定在每層樓面以上1 m，這樣便于焊接和檢驗(yàn)。通過查閱塔吊的參數(shù)表，進(jìn)行工況分析，確定了塔吊半徑和起重質(zhì)量，計算了鋼柱的質(zhì)量和吊索具質(zhì)量，最終制定了鋼柱的分節(jié)表。

項目安裝的第二關(guān)鍵是鋼柱吊裝和混凝土梁施工的交叉作業(yè)順序（圖5）。由于本項目鋼柱和混凝土梁結(jié)構(gòu)是交織在一起的，因此先后的施工順序就尤其重要。如果只考慮一方的施工，另一方就無法施工或無法提供施工平臺，勢必造成工期延誤。因此，在交叉作業(yè)上必須做好充足的方案準(zhǔn)備。對此，本工程提出了分階段施工法，通過該方法的實(shí)施，滿足了安裝需要，確保了整個工程進(jìn)度。

圖5 鋼柱吊裝和混凝土梁施工的交叉作業(yè)順序

階段一為鋼柱吊裝階段，本階段施工在前一節(jié)鋼柱所在各樓層混凝土完成模板及鋼筋施工后，開始吊裝。鋼柱吊裝并焊接完成后交由土建進(jìn)行混凝土樓層施工，直至后一節(jié)鋼柱所在混凝土各樓層基本完成施工，最后一層完成模板及鋼筋施工，再重復(fù)階段一施工。

3 結(jié)語

本文介紹了通過建筑施工模型技術(shù)（BIM）的應(yīng)用和厚板加工新工藝的運(yùn)用為陸家嘴濱江金融城2E5-1地塊超高層雙塔樓鋼結(jié)構(gòu)的制作和安裝解決了施工過程中所遇到的一些難題，為將來類似工程的施工提供借鑒。