高大空間鋼屋蓋多專業一體化同步提升技術

吳 彪 向 前 唐 榮 鄧正寧 廖文濤

中建三局第一建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430040

隨著會展場館等高大空間建筑的迅速發展，建筑功能及結構設計愈發復雜，需要開發出更加新穎的施工技術、安裝技術[1-2]。這類建筑屋蓋附屬的機電管線及金屬屋面通常采用高空車或滿堂架安裝，存在施工作業面受限、材料運輸困難、工人工效低、工期長、成形質量無保障、高空作業風險大等問題，措施費、勞動力等施工成本增加。為了解決高大空間多專業施工組織不清晰、工序穿插不及時及平面布置協調難等問題，本文依托珠海國際會展中心二期項目進行了高大空間鋼屋蓋多專業一體化同步提升技術研究。

1 項目概況

珠海國際會展中心二期項目二標段地處澳門與珠海交界的十字門CBD，集高端會展、會議及宴會功能為一體，是珠三角功能最完善、配套最齊全、設施最先進的專業場館。展廳采用國內首創的上下2層72 m大跨鋼箱梁疊加布置，為典型的大跨重載結構。

1.1 鋼結構概況

項目展廳鋼結構采用全球罕見的72 m大跨度薄腹板加勁大跨鋼箱梁上下2層疊加布置，鋼屋蓋面積7 776 m2，屋蓋共11榀鋼箱梁，最大梁截面3 800 mm×2 350 mm，單榀約270 t，總重約3 466 t。

1.2 機電安裝概況

鋼屋蓋全部采用鋼箱梁加小梁的形式。通風及空調系統主要包括空調水系統、空調風系統、通風系統；消防系統主要包括消防水系統、火災自動報警系統、氣體滅火系統、防排煙系統。鋼屋蓋下方共有風管系統管線35條，共計1 750 m2，消防水管系統主管8條，共計545 m，機電管線位于鋼箱梁下弦次梁下方，最高安裝高度達37 m。

1.3 金屬屋面概況

金屬屋面位于鋼梁上方，為鋁錳鎂金屬屋面，主要提升內容包括基層龍骨、壓型鋼板。鋼結構在地面逐根拼裝完成后，進行型鋼支架、金屬屋面基層龍骨及壓型鋼板的施工。金屬屋面隨鋼結構同步提升的總面積約為5 186 m2。

2 高大空間鋼屋蓋多專業一體化同步提升技術

2.1 主要技術方法及工藝

鋼結構在地面逐根拼裝完成后，進行防火涂料、機電安裝消防管、型鋼支架、金屬屋面基層龍骨及壓型鋼板的施工。全部內容完成后，鋼屋面整體離地脫模100 mm，靜置12 h進行全面檢查，待正常無誤后，繼續提升至離地面3.5 m標高，懸停8 h，插入風管安裝施工。各工序進行分項工程驗收并通過后，整體同步提升至設計標高。經準確定位后與柱頂鋼箱梁預留段進行焊接，焊縫探傷檢測合格后，最終完成分級卸載工作，并完成管線軟連接安裝，如圖 1所示。

圖1 “兩懸停一就位”施工流程

2.2 鋼屋蓋體系智能化提升

為解決高大空間鋼屋蓋同步提升的難題，項目采用超大型液壓同步提升技術。通過利用提升設備以及計算機控制（圖2），結合液壓同步原理，將大型構件提升到預定安裝位置，實現大噸位、大跨度、大面積的超大型構件高空整體同步提升[3-4]。

圖2 計算機控制原理

提升前采用SAP2000和Midas軟件對結構進行提升全階段分析，對施工全過程的不同階段進行模擬分析驗算；提升中結合TLJK-01型計算機變形監控系統數據進行對比，通過高頻調理模塊不斷采集綜合測量點的應變信息，在計算機端定期比較多點測量值誤差和安全值的偏差，并給出結構件屬于正常、警告或報警的工作狀態提示，對全時段全過程鋼屋蓋、提升架及結構柱進行監測，從而確保提升過程安全可視化，實現安全快捷的整體提升。

3 鋼屋蓋＋機電＋金屬屋面多專業平面施工組織

大跨空間鋼結構整體提升施工技術集合了機、電、液、計算機控制論等多學科高新技術于一體，結合現代施工工藝，實現超大、超重型構件的大跨度、超高空整體提升[2]。本項目多專業一體化同步提升涉及鋼結構、機電、金屬屋面三大專業同時在展廳區域施工，需對平面組織重點策劃及管理，合理規劃鋼構件運輸通道、吊車站位，各專業堆場，待提升區為鋼構拼裝場地，剩余區為鋼構、金屬屋面材料堆放場地及吊車作業區。

現場平面組織分為鋼梁拼裝階段平面布置及懸停階段平面布置：

1）拼裝階段平面布置：鋼梁拼裝、液壓提升裝置安裝、涂裝施工、機電后臺深化設計、支架及管線預制、消防管穿插施工、金屬屋面底板穿插施工等。此階段主展區主要用于鋼結構作業，其他堆場或加工區布置在展廳兩側。

2）懸停階段平面布置：風管運輸軌道鋪設、風管安裝。此階段展區內重點進行風管安裝。

根據現場場地布置“三區四通道四堆場”（2條車輛運輸通道、2條行人通道、3個加工區，4個堆場區），如圖3、圖4所示。

圖3 鋼梁拼裝階段平面布置

圖4 鋼梁懸停階段平面布置

4 多專業一體化提升變形分析

4.1 整體提升模擬分析

展廳鋼梁采用一體化同步提升方法進行安裝，在安裝過程中由于展廳鋼結構跨度較大，結構各提升點同步上升過程中存在一定程度的高度偏差。模擬計算時，以各提升點不同步位移最大誤差50 mm，同時保證不同步吊點提升荷載誤差在20%左右為標準，對結構提升模型進行不同步提升校核。提升工況下，荷載主要為構件自重（未達到設計荷載），采用Midas Gen有限元分析模擬變形情況如圖5、圖6所示。

圖5 提升工況下結構下撓

圖6 卸載工況下結構下撓

由上述工況分析結果可知，結構整體提升時，結構最大下撓為41.8 mm，機電管線等其他變形按41.8 mm進行控制。

實際提升工況分為100 mm脫模、提升2.0 m裝完風管及卸載3個階段，荷載主要為構件自重，經此3階段后，實測變形情況如圖7所示。

圖7 不同工況下鋼箱梁撓度曲線

實測提升工況下，鋼箱梁提升過程中最大下撓變形為41 mm，小于模擬變形41.1 mm；卸載時實測變形為44 mm，略大于模擬變形41.8 mm；變形均在可控范圍內。

通過計算分析，可以得出以下結論：

1）大跨度鋼箱梁在拼裝安裝完成后，提升脫模100 mm，懸停12 h提前讓鋼梁在自重下進行下撓變形。經現場實際測量，大跨度鋼箱梁最大下撓度與計算模擬變形值基本一致，滿足大跨度鋼箱梁預起拱變形下撓值要求。

2）機電管線按提升工況下模擬值41.8 mm進行控制，可滿足提升階段的實際變形要求。

4.2 機電管線變形分析

4.2.1 消防水管變形分析

采用Midas Gen有限元分析模擬計算消防水管隨鋼箱梁變形情況如圖8、圖9所示。

圖8 消防管應力云圖

圖9 消防管位移曲線

根據計算結果可知，節點間（消防管每6 m一節）最大位移相差為10.5 mm，消防管最大應力30.5 MPa，小于Q235鋼材的屈服強度205 MPa。

針對消防水管的變形，做出如下控制措施：

1）根據鋼箱梁變形曲線在跨中設置可撓性金屬軟連接件點并在主管地面安裝時預留后裝。

2）在鋼箱梁提升就位、卸載完成后進行可撓性金屬軟連接件安裝，并在金屬軟接頭的一側設置固定支架固定[3-4]，如圖10所示。

圖10 消防水管連接處安裝

4.2.2 風管變形控制

根據GB 50243—2016《通風與空調工程施工質量驗收規范》，明裝水平風管安裝時，水平度的允許偏差為3‰，

總偏差不應大于20 mm。本次吊裝的風管最長為24 m，經計算總偏差為72 mm，大于20 mm，故按照不大于20 mm偏差控制。因風管在鋼梁脫模并提升3.5 m后安裝，此時鋼梁已充分變形，風管僅考慮自身變形即可。

深化設計時，展廳風管由兩側功能房間向展廳送風。為了減少單根風管長度，讓其長度控制在24 m以內，將風管在鋼梁跨中斷開，安裝時通過調整支架間距及支架水平度控制風管變形。

4.3 金屬屋面形分析

采用Midas Gen有限元分析模擬計算金屬屋面隨鋼箱梁變形情況如圖11、圖12所示。

圖11 金屬屋面應力云圖

圖12 金屬屋面位移圖

通過上述有限元分析結果可以得出：金屬屋面最大應力6.3 MPa，小于Q250鋼材的屈服強度250 MPa，最大豎向位移發生在中間跨位置，為35.752 mm。

金屬屋面變形控制措施如下：

1）金屬屋面工序較多，短時間內無法完成施工，僅進行底層鍍鋁鋅壓型鋼板提升；隔汽層、保溫層、面層檁條、鋁鎂錳面層等工序在提升完成后施工。

2）通過計算結果為依據，提前在金屬屋面底板安裝時預起拱30 mm。

3）為適應提升過程中主體鋼結構變形，主檁條與主檁條之間采用套芯件連接，使2根檁條之間預留寬15～20 mm縫隙，自由伸縮，減少固接，降低對金屬屋面的影響，如圖13所示。

圖13 主檁條套芯件連接示意

5 結語

項目創新運用高大空間鋼屋蓋多專業一體化同步提升技術，解決了常規工程多專業深化設計不協同、專業施工難協調、資源組織滯后等問題，大大降低了機電安裝、金屬屋面施工難度，實現了鋼結構、機電工程、金屬屋面3個專業一體化提升、整體就位，達到了提高成形質量、縮短工期、減少安全風險的目的。鋼屋蓋提升累計完成3 466 t鋼結構、85 t管線、73 t金屬屋面提升，同常規施工組織相比，節省了工期約98 d，節約成本費用約339.6萬元。

通過對高大空間鋼屋蓋多專業一體化同步提升技術的研究和成功應用，提升了高大空間會展場館類項目精益建造的應用能力，填補了高大空間鋼屋蓋體系下機電管線、金屬屋面地面安裝施工的空白，為國內大型會展場館類項目建造提供參考，推動了行業內的技術水平提升，具有良好的推廣應用前景。