高层钢结构建筑的预拼装施工工艺

李斌阳

【摘要】高层钢构件之间常常具有复杂得空间关联性，因此对构件间接口的制作精度要求也比较高，有时仅靠控制单体构件精度无法满足现场安装要求，预拼装的主要目的是检验制作的精度，以便及时调整、消除误差，为现场安装乃至整个工程顺利进行起到了重大作用。预拼装还可减少现场特别是高空安装过程中对构件的安装调整时间，有力保障工程的顺利实施。本文介绍了钢构件预拼装的在实际案例的施工应用，为以后同类施工提供很好的参考作用。

【关键词】钢结构；预拼装；安装；施工

引 言

目前，高层建筑钢结构建筑的构件形式往往比较复杂，且构件之间具有空间关联性。在高层钢结构的施工过程中 ，由于施工条件的制约 ，对工期、质量的保证带来相当大的困难 ，如何提高工作质量和工作效率是高层钢结构施工中一个现实而急迫的问题。因此如何才能提高构件间接口的制作精度，有时仅靠控制单体构件精度无法满足现场安装要求，因此对于复杂的构件，通常要求在加工厂进行预拼装.由于场地、吊装设备、时间周期等方面的限制，有时不具备整体预拼装的条件，数字模拟预拼装方法的出现能够较好地解决这一问题，但这一方法并未在钢结构中普及.本文详细介绍模拟预拼装的工艺原理，并将部分构件的模拟拼装与实体拼装效果进行比较分析，在此基础上分析数字模拟预拼装的应用条件，提出对应的控制措施，并论证了有关预拼装坐标采集这一难点的应对措施及数字模拟预拼装在现场安装中应用的可行性。

1、工程概况

某建筑高度124 m，地上35层，地下3层。主楼采用钢筋混凝土核心筒体-钢框架外筒体型，外框架柱采用钢管混凝土柱。钢管混凝土柱出地面后，钢柱都呈空间三维倾斜，外围钢框柱截面从850×30变化为400×25和从椭圆截面1200×850×30变化为400×25。地上3～4层钢柱结构最为复杂，18根椭圆柱转换为圆柱部分，即为Y形转换钢柱。此部分钢柱空间变化，线形复杂，而且节点连接复杂，钢柱上带有外伸牛腿与钢梁（环向、径向梁）通过高强螺栓连接。为控制钢柱构件由于工厂制作误差、测量数据误差等导致的误差，保证构件的安装空间绝对位置正确，减小现场安装产生的累积误差，故进行钢柱及其相连构件的预拼装。

2、预拼装总体方案

由于地上3～4层钢柱结构最为复杂，且3～4层钢柱由于在水平和垂直方向的外形尺寸都比较大，预拼装过程既要确保预拼装精度，又要简洁经济、便于操作。选用合理的预拼装总体方案至关重要。若要进行整体预拼，基地一般没有如此大的场地，而且非常不经济。为此，考虑钢柱预拼装采用分区预拼的方法。结合基地的场地实际情况及构件本身的特点、预拼装面积，预拼装总体方案如下。18根椭圆柱分布在3个区域，每个区域6根，每个区域120°对称。考虑到拼装场地的需要、起吊设备的限制及结构自身特点等因素，同时又达到预拼装的目的，决定分3批，每批对1/3（6根椭圆柱和相邻的2根圆柱）进行预拼装，对水平钢梁只进行这8根钢柱之间的环向梁的预拼装（见图1）。每批预拼结束后，预拼胎架不变，先后再对另外2批进行预拼。由于径向梁一端与钢柱相连，另一端与核心筒相连，且径向梁核心筒一端是留有余量的，所以径向梁不做预拼装。为降低拼装胎架的高度，采用卧拼法进行，选择一个合理的基准面，使拼装胎架较平缓，这样胎架容易设置，预拼装较方便。预拼装时钢柱与楼层环向梁连接牛腿的面板保持垂直于大地。

圖1 预拼装区域划分

3、胎架设计及布置

每个构件的空间坐标都不相同，导致胎架布置非常复杂、重要。为了保证预拼装胎架平缓，使胎架基准面与大地平行，通过画图比较，将原点设置在中间一根构件圆管中心向下600mm的位置，在CAD三维模型中对每根钢柱进行胎架布置，为方便高度调整，钢柱与胎架之间利用模板连接，在CAD三维模型中，将用户当前坐标xy平面定义在基准面上，这样根据胎架控制点z坐标就可以确定胎架的高度。根据胎架模板的位置做一个垂直大地平面和钢柱相切，这样就可以得到模板的准确形状（见图2）。采用数控切割对模板进行下料，并在模板上做好标志，供模板定位用。在地面上划出构件的定位检验线以及胎架的检验线，基准线划线公差要求如下：长度±1mm，宽度±1mm，对角线±1mm。胎架布置时，利用全站仪对模板进行三维坐标测量，精准定位模板后，将模板与胎架焊接牢固。

图2 胎架布置示意

4、预拼装细则

将参与预拼装构件吊装至胎架上，通过吊锤线与地面上基准线的吻合度来确保钢柱端口和牛腿控制点的坐标，构件全部吊装到位后，利用全站仪测量每个钢柱检测点的三维坐标（见图3），有偏差则使用垫片进行微调，确保钢柱端口和牛腿的坐标值符合要求。另外，钢柱牛腿翼缘垂直度必须保证，定位正确后与胎架点焊牢固。将3～4层环向梁吊上胎架进行定位，环梁定位时要轻放，不要对柱牛腿产生撞击，以防止牛腿移动。环向梁定位时将其中心线对准地面定位中心线，严格控制各构件的中心线及外形线与地面线形间的吻合度，另外还需注意环梁端部与钢柱牛腿间的焊缝间隙及接口错边。钢梁定位时，采用工装螺栓将钢梁的腹板与钢柱牛腿的腹板通过连接板进行临时连接。同时为了检验螺栓孔的穿孔率，再采用比高强度螺栓公称直径大0.3mm的试孔器进行每个螺栓孔的试孔，以确保高强度螺栓的穿孔率达到100%，定位正确后与胎架点焊牢固。每个构件连接环梁的牛腿腹板为点焊状态，当试孔器无法穿越螺栓孔时，适当调整牛腿腹板的位置，保证螺栓的穿孔率达到100%后，根据图纸要求焊接牛腿腹板。预拼装时构件或结构处于自由状态，不得强行固定。预拼装完成后，在构件上进行标记。环梁在两端标明各自对应的轴线号，明确现场安装方向；同时在连接处打上对合标记线，作为现场安装的依据。预拼装完成后进行拆卸时不得损坏构件，对点焊的位置应进行打磨，保证各接口光滑整洁。

图3 构件三维坐标测量

结 语

本文结合某工程项目，通过对钢结构构件进行预拼装，及时掌握构件的制作装配精度，对某些超标项目进行调整，并分析产生原因，在后续的加工过程中及时加以控制。通过介绍预拼装技术在某钢柱钢结构工程中的应用，阐述其技术原理及操作方法。通过全站仪打点测量控制点的三维坐标，更好地控制了构件的尺寸精度。工程实践通过对预拼装过程中问题的分析，为后续构件的加工提供了参考。该预拼装工艺能够为后续类似的钢结构制作安装提供类似的参考。

参考文献

[1]戚豹.钢结构工程施工[M].重庆：重庆大学出版社，2010.

[2]冶金工业部建筑研究总院.GB50205—2001钢结构工程施工质量验收规范[S].北京：中国计划出版社，2001.

[3]中建股份公司，中建钢结构有限公司.GB50755—2012钢结构工程施工规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4]孙关富，杨文柱，陈志江. 国家图书馆二期钢结构工程现场拼装技术[J].钢结构制作安装，2006，（11）：20-23.

[5]沈祖炎，陈扬骥，陈以一.钢结构基本原理[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.