大跨度屋頂大梁安裝模擬分析技術

紀超超

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

隨著我國城市建設的不斷發展，大空間的設計需求也越來越多，高空露臺的設計也促使屋面吊柱倒掛系統的誕生，因此研究大跨度屋面與兩側懸挑倒掛柱的安裝工藝具有十分重要的意義。本文重點研究大跨度桁架施工安裝模擬分析[1-3]。

1 工程概況

新開發銀行項目于世博園A區A11-01地塊。屋頂采用大跨度鋼梁，鋼梁為帶有懸臂端的單跨簡支梁，兩側懸臂梁長11.4 m，中間屋頂大梁跨度40 m，裙房北側為滑移鉸支座，南側為固定鉸支座，懸臂梁下方為倒掛吊柱，長11 m（圖1、圖2）。

圖1 新開發銀行裙房效果圖

圖2 新開發銀行裙房模型

2 臨時支撐形式

由于現場空間狹小，沒有預拼裝的空間，因此裙房屋頂鋼結構安裝采用大梁在工廠分段制作，現場設置臨時支撐，高空原位拼裝的安裝方法。根據受力情況，臨時支撐設置在下方有立柱的位置，根據現場臨時支撐對裙房屋頂大梁進行分段，核算塔吊的性能表，確保每個分段都在起吊半徑內且有一定安全系數，并保證每個分段有可靠的支撐點位[4-7]。

采用φ426 mm的臨時支撐圓管柱，下方用十字勁板作連接，上方圓管柱在相應位置開槽，與原結構鋼柱空開20 cm的距離，方便土建在壓型板上綁扎鋼筋及澆筑混凝土（圖3）。

支撐點位上方預留30 cm余量，采用H500 mm× 250 mm×14 mm×20 mm作為卸載段，由于屋頂大梁跨度很大，高達40 m，因此在屋頂大梁設計階段對構件采取了預起拱，中心起拱高度最大達到11 cm。考慮到現場操作困難，通過與加工廠密切溝通，在加工廠出廠前已預起拱，并在加工廠進行預拼裝。現場根據加工廠預拼裝的圖紙，與現場支撐點位的圖紙疊加復核，測算出每個支撐點位的距離，并根據預起拱后的高度安裝卸載段，確保了現場的安裝精度（圖4）。

圖3 臨時支撐下部節點

圖4 臨時支撐上部節點

3 Midas施工分析

布置完臨時支撐位置后，采用Midas軟件建立現場的鋼結構實體模型，把臨時支撐的點位、尺寸、材質加進模型內進行施工受力驗算。計算了整個裙房鋼結構的整體安裝流程，在此重點介紹裙房屋頂的受力驗算。

在屋頂大梁跨中有鋼柱的位置設立臨時支撐，φ426 mm×12 mm，材質為Q345B；在兩側吊柱下方同樣也加設臨時支撐，φ245 mm×10 mm，材質同樣為Q345B。

裙樓鋼結構施工分為兩個階段，第一階段完成至第5層，拆除下方臨時支撐后進行樓層的混凝土澆筑，確保現場鋼梁在卸載完成后形變趨于穩定，混凝土澆筑完成后不產生裂縫；第二階段完成至屋頂層，各層樓板混凝土在拆除支撐后方可澆筑。按本施工流程完成結構安裝后，就結構總體力學性能而言，與一次加載分析的結果基本一致，因此本施工流程是合理的。

4層以上區域的臨時支撐截面校核結果見圖5。計算結果表明，臨時支撐最大應力為89 N/mm2，臨時支撐最大應力比為0.43，小于1.0，故滿足承載力要求。

當屋頂層鋼結構安裝完成后，裙樓鋼結構的桿件校核結果見圖6。計算結果表明，裙樓桿件最大應力為 175 N/mm2，裙樓桿件最大應力比為0.55，小于1.0，故滿足承載力要求。

圖5 臨時支撐應力比驗算

圖6 裙樓鋼結構桿件校核

4 Revit施工模擬

項目開始前，對現場的塔吊布置圖、現場運輸路線及材料堆場進行了合理的安排。由于裙房屋頂大梁質量最大的單根構件為30 t，起吊機械ZSL650最大起重質量為32 t，起吊半徑19.6 m，因此對材料進場的堆放位置要求十分 苛刻。

由于現場的空間十分狹小，因此一開始先確定了材料堆場位置和汽車運輸通道，并用Revit軟件進行了視頻模擬，保證了現實實施的可行性。

同時對堆放位置的區域進行計算，在地下室頂板的混凝土主梁上放置臨時措施型鋼，保證裙房屋頂大梁的質量能有效地傳至地下室混凝土柱上，確保地下室頂板的 安全。

屋頂大梁高2.7 m，屬于高中心構件，現場為了防止其側翻，專門用角鋼制作了一個防傾覆胎架，在周圍加上安全護欄，以確保其不會被進出車輛碰撞或者發生自身 傾覆。

在臨時支撐設計階段，考慮到單根鋼柱在裙房屋頂大梁安裝過程中可能會因受到外力影響而導致平面失穩，在一側增加了柱間支撐，采用槽鋼及斜撐對此進行加固。槽鋼由地面現場組裝好后整體安裝到位，減少了高空焊接工作量。

槽鋼除了用于柱間支撐的穩定性外，在安裝和割除卸載段時，也用于現場掛操作平臺的鋼龍骨；另外一側采用纜風繩加固，把所有的支撐連成一體，形成了簡易的四方架，雙重保障其臨時支撐柱的穩定。

臨時支撐柱總高8 m，為了方便現場施工，在每個臨時支撐柱上安裝了爬梯，并在爬梯上配備了防墜器，保證了現場的施工安全。

在裙房屋頂大梁上方采用雙道生命繩，用定型化的操作平臺及腳手立桿，以便于現場移動、搬運，且可循環 利用。

在裙房安裝過程中，現場有1臺ZSL750塔吊和1臺ZSL650塔吊可同時施工。綜合考慮塔吊性能和工期原因，施工中存在1臺塔吊安裝裙房屋頂大梁，1臺塔吊補屋頂中間次梁的情況，因此采用Revit建模，分析模擬了2臺塔吊的現場安裝模擬情況，確保了現場屋頂鋼結構安裝的順利進行，也保證群塔作業時的安全性。

該項目是第一個信息化交付項目，因此在建模的過程中，每根構件的尺寸、截面信息、深化圖紙、防腐防火涂料材質及厚度、安裝位置等都有特定的二維碼，在施工現場方便施工管理人員查看，使現場管理更為有效便捷。

另外，每周的進度計劃情況、技術交底記錄、安全及質量例會情況、進場材料等一系列的數據信息都將上傳至項目平臺上，確保現場管理更加及時、便捷。

5 結語

本工程以新開發銀行項目裙房大跨度屋頂鋼結構安裝施工為對象，研究了針對市區狹小范圍內大跨度鋼結構安裝的技術措施及其對應的施工模擬技術。另外，作為上海目前第一個信息化管理平臺，工程施工中BIM現場信息化管理技術的應用，為以后施工現場的信息化管理奠定了基礎，同時也提供了寶貴的經驗。