高大中庭组合桁架钢屋盖的预留洞分段安装技术

中国建筑第五工程局有限公司安徽分公司 合肥 230051

近年来，一些场馆建筑里较多的设计形式为组合钢桁架钢屋盖结构。在屋盖的吊装方法中，有高空散装法、整体吊装法、屋面整体滑移法等。三种方法各有利弊，选择一种合理的吊装方法是施工的难点[1]。

1 工程概况

蚌埠三馆工程由规划馆、档案馆、博物馆组成，建筑面积68 325.98 m2，其中博物馆单体地下局部1 层，地上5 层，总高34.4 m；规划馆、档案馆单体地下局部1 层，地上6 层，总高30.45 m，三馆均为框架结构。其中博物馆中庭1～5层部分内空，四周设有劲性混凝土斜交网格柱，中庭顶部为36 m×36 m大跨度钢桁架屋盖。

2 施工工艺流程

高大中庭组合桁架钢屋盖预留洞分段安装施工工艺流程为：施工准备→工厂预拼装→预留吊装洞口→分段吊装→洞口处理。

3 施工准备

对于中庭组合桁架钢屋盖钢结构，项目部采用Sketchup、X-steel软件建立了相应模型，如图1、图2所示。

BIM模型的建立对于优化钢结构设计、二维CAD出施工图纸，以及对钢构件进行三维数控加工起到了非常大的指导作用，同时为现场精确定位、安装提供了三维坐标，为安装带来便利。

图1 博物馆中庭Sketchup模型

图2 中庭组合桁架钢屋盖X-steel模型

4 工厂预拼装

钢结构预拼装是将分段制造的大跨度柱、梁、桁架、支撑等钢构件和多层钢框架结构，特别是用高强度螺栓连接的大型钢结构、分块制造和供货的钢壳体结构等，在出厂前进行整体或分段、分层临时性组装的作业过程。预拼装是控制质量、保证构件在现场顺利安装的有效措施[2,3]。

预拼装方法分为整体预拼装、分段预拼装和分层预拼装。本工程中庭钢结构采用分段预拼装方法。

1）工厂预拼装流程为：拼装胎架搭设→地样线的画制→拼装构件组对及局部调整→尺寸检验→连接处焊接联接耳板并画出安装定位线→构件编号确认→构件下胎架→包装、发运。

2）具体拼装示意。从整体上分析，工厂拼装有2 种方案，一种是先次梁→定位主梁→定位铸钢件节点；另一种是先定位铸钢件节点→主梁→定位次梁。由于采用的是单元拼装，在尺寸的准确度上，采用第1种方案比较好一些，能够较准确判断铸钢件和主梁牛腿的准确度。现场安装第1榀的工厂预拼装示意如图3～图5所示。

图3 从一侧依次拼装次梁、主梁

图4 从一侧依次拼装铸钢件

图5 利用三维坐标测量系统，对构件进行扫描

3）钢结构分段运输到现场。钢构件预拼装完成后，与BIM模型进行尺寸复核，确认合格后，分段运输到现场进行安装。

5 预留吊装洞口

1）预留吊装洞口。本工程采用预留吊装洞口的方法，中庭地下室顶板施工时，在中庭地下室顶板适当区域留置28 m×28 m的预留吊装洞口，在地下室相应位置的外墙上预留宽4.5 m的吊车进出洞口（图6）。

图6 预留洞口处理

2）吊车进场线路。外墙洞口东侧留置进出坡道，吊车从坡道进入，经外墙预留洞口到达地下室中庭。

6 分段吊装

钢桁架组合屋盖为36 m×36 m方钢组合框架斜交矩形结构，根据实际运输和吊装要求进行分片或分段。桁架分为HJ1（3 片）、HJ2（3 片）、HJ3（3 片）、HJ4（1 片），及HJ5、HJ6、HJ7各2 片，各单件梁288 件。主桁架最大长度为33.6 m，最大单件长度为32.6 m、质量31 t，安装高度39.9 m，其中地下室总高度5 m。

吊装采用1 600 kN和2 000 kN吊车。2 000 kN吊车伸出臂长50 m，回转半径10 m，75%力矩可安装33 t，85%力矩可完全满足施工要求。

6.1 桁架吊装流程

利用1 500 kN汽车吊先吊边跨4 榀主桁架→吊装5～L轴3 榀斜向短桁架（分段为8.5 m的桁架）→将桁架之间的支撑全部连接并焊接完成（便于后续大跨度桁架安装的安全性）→安装斜向大跨度桁架，并在大跨度桁架中间用临时支撑进行固定，以防止变形→安装剩余主桁架→安装所有次桁架（从大跨度桁架中间开始安装，以控制变形）。次桁架的吊装方法如图7所示（在每榀次桁架的上平面均设置安全生命绳）。

图7 次桁架吊装顺序

6.2 桁架吊装

吊装采用临时固定，采用自制圆管φ133 mm×8 mm螺栓连接，根据现场安装要求，工厂内组合成片状运至现场，安装前对预埋件尺寸进行复核无误、对构件尺寸进行验收合格后，方可组织吊装。首先从西南角开始安装，考虑构件质量、跨度，其中HJ4最长、最重，最长为25.452 m，最大质量为25 t，采用1 600 kN吊车，臂长50 m，吊装半径8 m，起重负荷360 kN，完全满足先前吊装。

安装HJ1、HJ2、HJ3、HJ4后，用塔吊进行杆件安装并焊接，然后进行下一步安装（图8）。

安装西北角HJ1、HJ2、HJ3、HJ5与西南角形式相同，HJ6、HJ7采用2 000 kN汽车吊，最大质量为31 t，最大长度为33.6 m。2 000 kN吊车伸出臂长50 m的起重最大负荷为330 kN，旋转半径9 m，能够满足安装要求（HJ7）。按顺序安装后，采用临时支撑固定，并用6515型塔吊安装连接杆件（图9）。

图8 安装桁架HJ1、HJ2、HJ3、HJ4

7 洞口处理

7.1 预留洞口安全防护

由于地下室预留洞口为无梁楼盖，安全围护高度需大于1 100 mm，挂设安全网，并设置警示标语（图10）。

图9 钢屋盖吊装过程

图10 预留洞口安全防护措施

7.2 预留洞口处理

根据规范要求，预留方洞的四周施工缝应作加强处理，包括结构、防水、后封板等几个方面。

1）施工缝结构处理。地下室顶板厚度为100 mm，在预留洞口范围内，需要断开预留施工缝。根据施工规范要求，洞口四周板需增加与原设计顶板相同直径及间距的加强筋，钢筋锚入顶板、梁混凝土长度Ld，伸出顶板、梁外长度500 mm。本工程中，在洞口四周将φ12 mm@400 mm的附加分布钢筋加密为φ12 mm@200 mm，伸入洞口内500～1 000 mm。顶板原设计面筋和底筋伸入预留洞内500～1 000 mm，且相邻2 根相互错开，待补浇预留洞口混凝土时，再用相同直径、间距的钢筋与之焊接。

2）施工缝防水处理。地下室顶板、梁预留洞四周，采用快易收口网，其高度与梁高及板厚相等，用以增加新老混凝土的连接，同时在补浇预留洞口混凝土时，在板厚的中部沿预留洞口四周满布一圈300 mm×3 mm止水钢板。

3）后封板施工。补浇预留洞口混凝土，采用比原设计混凝土强度高一级的混凝土补浇，本工程中采用强度等级为C35、抗渗等级为P8的微膨胀混凝土补浇地下室顶板预留洞口。

8 经济效益分析

常见吊装方法与本安装技术分析对比如表1所示。

表1 常见吊装方法与本安装技术分析对比表

对高大中庭组合桁架钢屋盖预留洞口分段安装技术的研究，利用BIM技术对钢构和复杂节点进行充分优化，不但节省了钢材，而且减少了操作难度，节约了工期。

高大中庭组合桁架钢屋盖不采用常见的高空散装法、整体吊装法、屋面整体滑移法等，而采用预留吊装洞口的方法，吊车进入地下室中庭直接进行吊装，吊装易操作、施工简便、工期短、成本低廉，技术创效显著[4,5]。

9 结语

项目通过应用BIM技术、创新吊装方法等手段，高质量地完成了本工程施工，取得了一系列社会和经济效益，对于具有地下室、高大中庭和钢屋盖的博物馆、展览馆等场馆类，且中庭结构跨度大、高度高、地下室顶板承载力小、钢屋盖质量较大的建筑，具有很好的工程参考价值，为今后类似工程的施工提供了可借鉴的方法。