“水-冰”轉(zhuǎn)換鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)改進方案試驗研究*

姚博強，呂雪源，李 浩，陳 蕾，王 祥

(1.中建一局集團建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100102； 2.中國建筑一局(集團)有限公司，北京 100161；3.同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院，上海 200092)

0 引言

為滿足2022年北京冬奧會國際冰壺比賽的賽事要求，需要將國家游泳中心場館“水立方”原有的游泳場地改造成可以敷設(shè)冰面進行冰壺比賽的場地，實現(xiàn)“水-冰”轉(zhuǎn)換。場館在兩種運營模式中進行靈活切換，主要面臨兩個問題：一是場地標高差異較大，冰上運動對場地標高平整度要求嚴苛，局部2m范圍高差小于3mm，整體高差控制在6mm以內(nèi)；二是轉(zhuǎn)換工期短，且受場館內(nèi)場地的制約，轉(zhuǎn)換改造過程不能投入大型機械設(shè)備。為此，項目團隊通過多方案比選和試驗驗證，提出了裝配式鋼支撐+預(yù)制混凝土面板組合的改造方案，為冰壺比賽項目順利完賽奠定堅實可靠的基礎(chǔ)。

項目實踐表明，由于鋼結(jié)構(gòu)架體在標高調(diào)節(jié)過程中存在架體間聯(lián)動問題，架體需要進行多次反復(fù)調(diào)節(jié)才能達到場地標高差的精度要求。為進一步提升架體的安拆效率和調(diào)平精度，本文在原方案基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，增設(shè)了精調(diào)裝置，并對架體連接構(gòu)造進行細部改進，最后通過架體試驗檢驗了方案優(yōu)化效果。

1 架體設(shè)計方案

1.1 原架體設(shè)計方案

為滿足場館功能靈活轉(zhuǎn)換的需求，原設(shè)計方案采用了高頻焊接鋼結(jié)構(gòu)架體+預(yù)制混凝土面板(以下簡稱面板)的體系。該方案中，架體的鋼立柱、鋼主梁與次梁均為高頻焊接工字型鋼加工而成；鋼立柱與鋼主次梁之間通過高強螺栓連接形成架體的主要受力單元；鋼立柱間借助鋼斜撐與鋼掃地桿通過高強螺栓連接增強架體的整體受壓穩(wěn)定性；最后，面板在鋼次梁上滿鋪，與鋼次梁采用螺栓連接為整體，為上部保溫層鋪設(shè)和后續(xù)制冰工藝提供平整堅實的基礎(chǔ)平面，原方案架體單元結(jié)構(gòu)連接如圖1～4所示。

圖1 原方案架體立面1

圖2 原方案架體立面2

圖3 原方案架體平面

圖4 架體頂部預(yù)制面板布置

原方案每根鋼立柱的底部設(shè)置1個調(diào)節(jié)裝置，用以調(diào)節(jié)架體標高。調(diào)節(jié)裝置為頂面為凹球面的鋼底座和底部具有凸球面的六邊形套絲套筒組成的球鉸，套絲筒與鋼立柱底部的螺桿配套使用，如圖5所示。架體和預(yù)制面板安裝完成后，通過正反方向旋轉(zhuǎn)套筒實現(xiàn)對應(yīng)位置鋼立柱的標高升降，從而達到預(yù)制面板的調(diào)平目標。

圖5 柱底調(diào)節(jié)裝置構(gòu)造

原方案架體及面板所有單元間均通過高強螺栓連接，保證了架體安拆過程可周轉(zhuǎn)；架體頂部的預(yù)制面板采用密度1 900kg/m3的LC40輕集料混凝土制作，面板尺寸為995mm×995mm×100mm，單塊構(gòu)件自重僅為190kg，是體系中最重的構(gòu)件單元，利用小型吊裝機械即可完成吊運安裝作業(yè)。

1.2 優(yōu)化后設(shè)計方案

在原架體設(shè)計方案中部分鋼立柱間設(shè)置有鋼斜撐，當對這部分鋼立柱底的調(diào)節(jié)裝置進行調(diào)整時，會聯(lián)動影響到周邊區(qū)域鋼立柱的標高位置。為滿足頂部預(yù)制面板標高差的精度要求，需要對柱底調(diào)節(jié)裝置和鋼立柱之間的連接進行反復(fù)調(diào)整，該階段調(diào)節(jié)過程很大程度上影響了架體的安裝效率。

針對架體安拆操作過程中存在的問題，在原方案基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化。保留原方案中所有構(gòu)件單元，進行以下優(yōu)化：①在面板與鋼次梁之間增設(shè)精調(diào)裝置，精調(diào)裝置位于面板的4個角部，通過高強螺栓分別與面板和鋼次梁連接，如圖6～8所示；②將原方案中各部位螺栓連接的圓孔調(diào)整為長圓孔，以增加各桿件之間連接時的誤差調(diào)整空間，降低鋼斜撐和鋼掃地桿對鋼立柱的聯(lián)動約束。

圖6 改進后方案架體立面1

圖7 改進后方案架體立面2

圖8 頂部精調(diào)裝置布置

優(yōu)化后新增的精調(diào)裝置由3部分組成，分別為上頂托、雙向螺桿與下底托(見圖9)。上頂托端板預(yù)留4個螺栓孔，孔徑較M16螺栓直徑大6mm，套管四周增設(shè)4個加勁肋以提高上托板的剛度。雙向螺桿中部為六邊形螺母，上下部分設(shè)置正反向螺紋；根據(jù)設(shè)計荷載計算，螺桿外徑為32mm。下底托端板預(yù)留4個螺栓孔，孔徑較M16螺栓直徑大2mm。上頂托和下底托螺栓孔中心定位參照原方案的預(yù)制面板角部和鋼次梁上翼緣的螺栓孔位置進行定位；螺桿和套筒的長度根據(jù)微調(diào)裝置的調(diào)節(jié)幅度和初始旋入深度確定。本方案中，螺桿的初始旋入深度為80mm，標高可調(diào)節(jié)幅度為20mm，因此套筒長度和上下側(cè)螺桿長度均按照90mm設(shè)計考慮。

圖9 精調(diào)裝置構(gòu)造

實際操作過程中，通過正反向旋轉(zhuǎn)雙向螺桿實現(xiàn)上頂托和下底托的相對位置變化，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)面板標高的目的。按此方案，每塊預(yù)制面板角部由4個精調(diào)裝置支撐，當各精調(diào)裝置上部支承面的標高準確時，可使各預(yù)制面板頂標高滿足設(shè)計要求。

2 架體方案對比試驗

從設(shè)計理論分析來看，新增的精調(diào)裝置對鋼架體頂部的預(yù)制面板標高調(diào)節(jié)效率會有較大的提升作用；但由于改進后的方案較原方案在實際操作過程中增加了精調(diào)裝置的安裝與拆除工序，則會增加安拆時間。由上可知，精調(diào)裝置的增加對于效率提升和總體安拆時間的影響僅有單一角度定性的分析，但實際情況如何無法通過分析獲得。為進一步明確改進后方案的實際應(yīng)用效果，本文結(jié)合兩種方案進行了鋼結(jié)構(gòu)架體的安拆試驗，通過分別記錄兩種方案下各環(huán)節(jié)的時間損耗，對安拆效率進行定量分析。

2.1 架體材料加工

本文依據(jù)前面架體設(shè)計方案，分別加工了鋼結(jié)構(gòu)架體和預(yù)制面板，鋼結(jié)構(gòu)采用Q235B鋼材，預(yù)制面板采用LC40混凝土材料，如表1所示。

表1 架體材料清單

2.2 架體安裝試驗

試驗地點為天津市武清區(qū)某預(yù)制構(gòu)件加工廠廠區(qū)內(nèi)，整個試驗場地劃分2個區(qū)域：材料堆放區(qū)和試驗安裝區(qū)。材料堆放區(qū)用于存放試驗所需的全部材料，試驗安裝區(qū)用于2種方案的對比安裝作業(yè)。兩區(qū)間隔50m，用于模擬架體材料從堆場到安裝區(qū)域的運輸過程。

由于架體頂面安裝了12塊預(yù)制面板，為快速精準地獲取各面板局部和整體的標高平整度情況來指導(dǎo)精調(diào)位置和方向，試驗中采用了紅外線動態(tài)監(jiān)測技術(shù)+BIM模型渲染顯示的方案。該技術(shù)基于雙目視覺基本原理，通過多臺紅外相機對特征點位進行空間定位的采集標定，借助計算機程序?qū)Ω鼽c位數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換，進而獲取各點位豎向相對坐標差值；根據(jù)差值與限值之間的大小關(guān)系，確定超限的位置點位，并將這種超限位置關(guān)系與BIM模型進行關(guān)聯(lián)，按照超限情況不同對模型采用不同顏色渲染顯示；之后通過調(diào)整對應(yīng)點位精調(diào)裝置，當差值降低至限值范圍之內(nèi)，對應(yīng)BIM模型中的渲染顏色與周邊一致時，即實現(xiàn)了平整度的動態(tài)調(diào)平監(jiān)測。

2.2.1試驗準備階段

由于預(yù)制面板的標高為3.000m，為滿足紅外線監(jiān)測相機測量距離和角度要求，安裝區(qū)域架體周邊范圍布置了雷亞架，平面尺寸6m×7m，高度5m。雷亞架頂部四周橫梁頂部均勻分布12臺紅外線監(jiān)測相機，用于動態(tài)監(jiān)控預(yù)制面板的標高調(diào)節(jié)情況，如圖10所示。

圖10 雷亞架與監(jiān)測相機布置示意

試驗正式開始前，完成紅外線監(jiān)測相機的初始標定，并對安裝架體對應(yīng)的6個鋼立柱點位進行定位放樣。

2.2.2兩次安拆試驗流程

為了完整對比兩種方案整個過程的效率數(shù)據(jù)，本文試驗按照以下兩個安拆流程開展。

1)第1次安拆流程 材料運輸?shù)綀觥惭b鋼結(jié)構(gòu)架體→鋼結(jié)構(gòu)架體初步調(diào)平→安裝預(yù)制面板→依據(jù)動態(tài)監(jiān)控設(shè)備，通過底部粗調(diào)裝置調(diào)平面板→拆卸預(yù)制面板→拆卸鋼結(jié)構(gòu)架體→材料裝車、退場。

2)第2次安拆流程 材料運輸?shù)綀觥惭b鋼結(jié)構(gòu)架體→鋼結(jié)構(gòu)架體初步調(diào)平→安裝頂部精調(diào)裝置→安裝預(yù)制面板→依據(jù)動態(tài)監(jiān)控設(shè)備，通過頂部精調(diào)裝置調(diào)平面板→拆卸預(yù)制面板→拆卸頂部精調(diào)裝置→拆卸鋼結(jié)構(gòu)架體→材料裝車、退場。

2.2.3試驗安裝重點過程

1)組建架體初始單元

由于鋼立柱底部為球鉸設(shè)計，單根鋼立柱無法實現(xiàn)自主站立，因此架體安裝時首先應(yīng)完成架體初始單元的組建，該階段需要4～5名安裝工人(初始單元即架體可以實現(xiàn)自主站立時的最小組成單元)，之后可以根據(jù)實際安裝進度需求，在初始單元基礎(chǔ)上安裝其他鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件實現(xiàn)架體拓展。

2)精調(diào)裝置安裝與調(diào)整

在第2次安裝過程中，鋼次梁安裝完畢后，通過柱底粗調(diào)裝置初步調(diào)平至鋼次梁無明顯視線高低差即可，同時將所有的精調(diào)裝置調(diào)整到初始旋入深度，之后安裝到鋼次梁上，復(fù)核精調(diào)裝置的上下端板間距不超過3mm，并保證上下端板的邊線投影對正，即可安裝預(yù)制面板。待預(yù)制面板安裝完畢后，通過專用的螺栓扳手，對精調(diào)裝置中部的螺母進行左右旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)面板標高的精細化升降。

3)標高調(diào)控設(shè)置

預(yù)制面板安裝完畢后，在每個面板頂面的角部位置粘貼1個等直徑的紅外線反射小球，通過試驗架體四周12臺紅外監(jiān)控相機實時計算獲取小球位置的標高信息，借助計算機三維模型的渲染顏色判斷板的標高差信息，以此來指導(dǎo)對應(yīng)位置精調(diào)裝置的旋轉(zhuǎn)方向。本次試驗標高調(diào)控目標為每2m范圍局部標高差介于±1mm。

3 試驗結(jié)果與分析

基于上述兩種方案下的安裝和拆除流程，本文對各個子環(huán)節(jié)的安拆耗時進行了記錄、統(tǒng)計和分析，如表2所示。

表2 安拆過程各環(huán)節(jié)耗時統(tǒng)計 min

從安裝工效數(shù)據(jù)來看，因增加安裝精調(diào)裝置工序，優(yōu)化后時長增加5min；調(diào)平階段，優(yōu)化前預(yù)制面板標高僅能通過底部粗調(diào)裝置進行調(diào)整，由于鋼立柱間存在桿系約束，單一立柱的標高調(diào)整會對周邊產(chǎn)生聯(lián)動效應(yīng)，導(dǎo)致各鋼立柱需要進行多次反復(fù)調(diào)整才能達到調(diào)平效果，而優(yōu)化后精調(diào)裝置具有獨立快速調(diào)節(jié)面板標高的功能，不會對周邊造成影響，數(shù)據(jù)表明該環(huán)節(jié)時長大幅縮短了35min；綜合來看，優(yōu)化后總時長較優(yōu)化前減少27.4%，安裝提效顯著。

從拆卸工效數(shù)據(jù)來看，由于存在精調(diào)裝置拆卸的工序，優(yōu)化后時長增加約3min，占總拆卸時間的7%。

最后，從整個安拆試驗過程工效對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的方案整體耗時較優(yōu)化前縮短了31min，占優(yōu)化前方案對應(yīng)的總時長為18.9%。可以看出，優(yōu)化后的架體方案可以有效降低架體安拆時間，提升效率。

4 結(jié)語

1)優(yōu)化前后兩種方案都能實現(xiàn)預(yù)制面板標高平整度<2mm/m的要求。

2)精調(diào)裝置安裝和標高調(diào)節(jié)簡便、快捷，占架體安、拆總時間的4%～5%。

3)改進后的架體系統(tǒng)可實現(xiàn)面板標高的獨立調(diào)整，減少了反復(fù)調(diào)整的時間，架體安拆效率較原方案提升18.9%；試驗結(jié)果證明改進后的架體系統(tǒng)具有更好的可操作性。