超大懸臂鋼結構飄雨篷系統施工技術改進研究

陳倩倩，徐瑞卿

大懸挑鋼結構具有建筑造型獨特、通透性好、視覺效果合理、結構受力均勻的優點，在候機大廳、會展中心、體育場館等大跨度公共建筑得到廣泛的應用.但大懸挑鋼結構也存在組合結構節點構造復雜、深化設計工作量大、構件尺寸大、現場焊接質量不易控制、高空作業不安全、安裝精度低、金屬屋面易風揭和漏水等缺點，這些缺點在一定程度上制約了其在建筑市場推廣應用.本文以某高校體育場看臺雨篷為例，對超大懸臂鋼結構飄雨篷系統進行深入研究.

1 三維實體BIM模型

某高校體育場看臺由混凝土看臺和鋼結構懸挑雨篷組成，承重構件主要有勁性混凝土鋼柱、懸挑鋼梁和框架梁，鋼柱總高度20.1 m，懸挑鋼梁長度20.45 m，屬于超大懸挑結構，鋼柱、鋼梁翼緣及腹板厚度分別為60 mm、50 mm，屬于超厚板.采用BIM軟件對超大懸臂鋼結構飄雨篷系統建立三維模型，如圖1、圖2、圖3所示，可以從以下三方面對工程進行全過程管理：（1）三維實體BIM模型輔助審圖，使審圖效率得到極大提高，可以提前發現一些隱藏的問題，減少返工，提高施工效率［2］；（2）三維實體BIM模型可以輔助項目管理人員對工人進行施工方案、施工工藝等方面的三維可視化交底，使工人對施工流程有更直觀的印象；（3）三維實體BIM模型，可以統計出各種構件或材料的用量，為現場訂料、備料、供料、組織運輸等提供依據，減少繁雜的人工操作和潛在的誤差［3］.

圖1 鋼結構懸挑飄雨篷整體BIM模型

圖2 看臺鋼結構BIM模型

圖3 勁性混凝土柱鋼筋BIM模型

2 超大懸臂鋼結構飄雨篷系統技術的改進

2.1 勁性混凝土柱中型鋼和懸挑鋼梁整體加工、整體吊裝技術的改進

由于體育場看臺主體結構采用的是超高勁性混凝土鋼柱、超長懸挑鋼梁，若采用分段加工、運輸、吊裝，高空作業量大、安全隱患多、焊接質量難以控制，故本工程采用型鋼工廠整體加工、現場整體吊裝的施工方法，如圖4、圖5所示.

圖4 勁性混凝土柱整體吊裝

圖5 懸挑鋼梁整體吊裝

勁性混凝土鋼柱吊裝方法：起吊時，汽車起重機將綁扎好的柱子緩緩吊起，離地20 cm后暫停，檢查吊索是否牢固、汽車起重機是否穩定，同時打開回轉剎車，將鋼柱下放到離安裝面40～100 mm處，對準基準線，指揮汽車起重機下降，將柱子插入錨固螺栓內臨時固定；隨后，用手動葫蘆安裝至少三個方向的纜風繩，調整纜風繩，使鋼柱豎直，鋼柱中心線與基礎上所畫定位軸線重合，垂直度偏差控制在20 mm以內；最后，固定纜風繩，汽車起重機松鉤，完成吊裝［4］.同樣的方法安裝其余鋼柱.

懸挑鋼梁吊裝方法：采用1臺160噸汽車起重機進行吊裝，在鋼梁懸挑端設置胎架，從左到右整跨推進，并隨時穿插安裝相應的次梁、支撐、系桿等附件.試吊完成后，即開始正常吊裝.首先，將鋼梁向上提升到設置的高度附近，螺栓孔對齊，先用試孔器穿入螺栓孔，再穿入高強度螺栓，對螺栓進行初擰；然后，安裝纜風繩，通過調整纜風繩角度，校正鋼梁位置；最后，完成螺栓的終擰，固定纜風繩，汽車起重機方可松鉤，完成吊裝.同樣的方法安裝其余橫向鋼梁.

2.2 勁性混凝土構件復雜鋼筋節點深化技術的改進

勁性混凝土結構弊端就是型鋼與鋼筋連接節點復雜，尤其是梁柱核心區域及柱箍、拉鉤連接區域，施工難度大，施工質量難以保證.梁柱核心區域的施工方法往往采用交叉節點，項目現場采用焊接搭筋板、翼緣焊接套筒相結合，部分采用鋼筋彎錨方式進行施工，如圖6所示.在翼緣方向框架梁與型鋼立柱交接處，設有焊接鋼牛腿（厚度30 mm）、焊接螺紋套筒，框架梁主筋頂層一排筋、底層一排筋與鋼牛腿雙面焊接，搭接長度應滿足5d（d為主筋直徑）長度要求，頂層二排筋、底層二排筋與焊接螺紋套筒連接；在腹板方向框架梁與型鋼立柱交接處，設置有加勁板（厚度為30 mm）、焊接螺紋套筒，腹板方向混凝土梁主筋頂層與底層一排筋與加勁板雙面焊接，搭接長度應滿足5d長度要求，頂層與底層二排筋與焊接螺紋套筒連接.考慮到本工程勁性柱拉鉤數量較多，常規的拉鉤連接多采用腹板穿孔，但腹板穿孔一定程度上容易產生應力集中，截面強度、剛度減弱，現場安裝精度要求高，且腹板穿孔時經過高溫切割，易造成鋼材脆化，影響鋼材材料性能［5］，故本項目摒棄傳統穿孔工藝，將拉鉤在腹板兩邊分別設置，并以“T”型彎鉤的方式處理，與腹板進行焊接，并且焊接長度應滿足規范要求，以提高效果，如圖7所示.型鋼外圍“八邊形”箍筋由于栓釘的影響，施工操作不便，項目創新對箍筋進行改進，一分為二，形成兩個“U”形箍，先行放置，然后對其進行焊接，形成一個完整的箍筋，焊接長度應滿足5d（d為箍筋直徑）長度要求，如圖8所示.該復雜鋼筋節點連接方式較傳統連接方式，操作性更強，質量更容易保證，適用性更廣.

圖6 勁性混凝土柱與框架梁連接節點

圖7 “T”型彎鉤現場實施圖

圖8 “八邊形”箍筋

2.3 大截面勁性混凝土柱模板支撐體系施工技術的改進

本工程勁性混凝土柱截面尺寸為1 000 mm×1 500 mm，內置型鋼立柱截面尺寸為1 100 mm×600 mm×60 mm×60 mm，屬于大截面型鋼，模板支撐體系的施工方式和施工質量直接影響混凝土柱的質量.由于勁性混凝土柱內設有H型鋼，常規的對拉螺桿較難貫穿型鋼，不便施工，若將對拉螺桿焊接在型鋼上，容易對型鋼材料造成破壞.為了規避這些不足，本項目創新采用一種新型柱模板抱箍支撐體系，由于模板支撐體系剛度大，抑制了柱脹模現象發生，混凝土成型質量易得到保證，具體包括方圓扣、背楞方鋼管、背楞方木、清水模板、封堵角鋼等，其中方圓扣由U型卡槽部、通孔及固定銷組成，模板支撐加固平面圖、立面圖如圖9、圖10所示.

圖9 模板支撐加固平面圖

圖10 模板支撐加固立面圖

具體加固方法為：（1）勁性混凝土柱根部采用規格為40 mm×40 mm×3 mm的角鋼進行封堵，有效避免水泥砂漿封堵造成的封堵不實，后期出現爛根的現象；（2）勁性混凝土柱身模板拼裝及臨時固定，保證了模板穩固、密封、平整，使其具有足夠強度、剛度及穩定性；（3）勁性混凝土柱四個角模板拼縫處采用50 mm×70 mm的背楞方木進行臨時固定模板，中間采用30 mm×50 mm×1.5 mm背楞方鋼管加固模板；（4）勁性混凝土柱柱身采用方圓扣（型號10號25 mm厚柱箍）加固，第一道加固離地150 mm位置，最上部3 m為非加密區，卡箍間距400 mm，其余部位為加密區，卡箍間距350 mm；（5）一邊調整勁性混凝土柱模板垂直度，一邊做最終的固定.該大截面勁性混凝土柱模板支撐體系施工技術結構簡單、可操作性強，不僅安全可靠，成型美觀，還能提升勁性混凝土柱成型質量，減少了后期修補打鑿工作.

2.4 勁性混凝土柱混凝土澆筑施工技術的改進

本工程勁性混凝土柱混凝土強度等級為C35，因勁性混凝土柱內置H型鋼，型鋼上又設置有加勁板、錨栓等，縱向鋼筋、橫向箍筋、拉鉤密集，致使柱內空間小，混凝土澆筑不便，施工難度大，混凝土澆筑難以密實，質量無法得到保證，鑒于此，本項目從材料入手，控制混凝土的骨料粒徑（一般不超過25 mm），優化混凝土配合比，采用C35微膨脹自密實混凝土，混凝土坍落度控制在200±20 mm，保證混凝土的流動性及和易性.混凝土澆筑時應分層澆筑，加密混凝土振搗點，振搗點設置均勻，采用細直徑振搗棒分層振搗，防止多振或漏振，確保混凝土澆筑密實、無離析，以此類推，直至澆筑到梁底下口，然后再同梁內混凝土一起澆筑梁高范圍內柱混凝土.勁性柱混凝土澆筑完畢，待混凝土達到一定強度后，及時拆除外部模板體系，并對混凝土柱纏繞塑料薄膜進行包裹養護，確保混凝土強度達到設計要求.

2.5 直立鎖邊金屬屋面系統抗風防漏關鍵技術的改進

本工程采用鋁鎂錳合金直立鎖邊屋面系統，直立鎖邊施工原理如圖11所示.與傳統屋面板的連接方式不同，直立鎖邊屋面不存在裸露螺釘，也沒有螺釘在屋面板上打孔的現象，可以杜絕漏水隱患；在溫度變形方面，直立鎖邊屋面板可以通過固定支座自由伸縮，不限制屋面板沿板長方向的移動，因此不會產生溫度應力的變形［6］；更重要的是，還可以很好地抗風揭.此外，項目還從深化設計、增加關鍵節點構造措施等方面對直立鎖邊金屬屋面系統抗風防漏技術進行改進，如設計合理的屋面排版、增加屋面板端部防水構造、增加局部防風構造措施等，現場的屋面施工圖如圖12所示.

圖11 直立鎖邊施工原理

圖12 飄雨篷金屬屋面施工圖

2.6 超大懸臂結構施工安全技術的改進

超大懸挑鋼結構在施工過程中安全隱患大，安全管理難點多，傳統的施工安全管理模式難以適應大型異型鋼結構管理要求，因此鋼結構實施階段的安全風險管控和施工技術攻關必不可少.本項目除了常規的建立健全安全保證體系、執行方案先行、安全技術交底等方式外，還對鋼結構施工過程中安全風險分析研究，提出相對應的安全措施，比如鋼梁焊接接火盆、焊接高空作業裝置、高空作業安全網滿掛等，如圖13、圖14、圖15所示.

圖13 鋼梁焊接接火盆

圖14 鋼梁焊接高空作業裝置

圖15 高空作業安全網滿掛

3 結語

施工前，建立三維BIM模型，可對結構圖紙深化設計、可視化展示、施工過程模擬、優化施工方案，提前發現不易發現的圖紙問題，避免施工中返工現象的發生，減少施工過程中的資源浪費，使審圖效率和質量極大提高；并通過BIM三維模型進行工程量統計，對模型進行標準化編號，出具材料、構件清單，實現了階段性材料采購管理，節省了材料成本，節約了人工成本，經濟效益顯著.

施工過程中，對勁性混凝土柱中的型鋼及懸挑鋼梁整體加工和整體吊裝技術、勁性混凝土構件復雜鋼筋節點深化技術等進行改進，形成一套簡潔高效的施工工藝，可以有效地確保工程質量，加快工程建設進度，提高工程效率，縮短項目工期，減少項目成本，推進智慧工地創建，使傳統施工與高新技術接軌，具有較好的社會效益.