钢与混凝土组合结构施工在仿生建筑中的应用

金凯　吴博　戚兴

摘 要：结合某仿生建筑结构工程的特点分析，通过钢结构节点的处理、图纸的深化，劲性柱砼浇筑振捣，体现出钢与混泥土组合结构的重要性及在专业建筑中的作用与影响。

一、 工程概况

本工程为中国港口博物馆及国家水下文化遗产保护宁波基地。本工程为空间曲面网架结构。A区、B区外形类似海螺外壳，其上方均有类似风帆类结构。所有钢结构材质均为：Q345B。钢结构工作量3300多吨。本工程钢结构主要由钢柱、钢梁、管桁架等构成；主体外壳和穹顶结构采用焊接箱型截面和圆钢管；弧形框架梁柱、水平弧梁和支撑系统采用圆管；风帆结构采用管桁架；弧形钢骨柱采用焊接H型截面；竖直钢骨柱采用圆管、十字型截面。

二 工程特点和难点

1、工程特点

本工程异形构件多，钢结构制装构件形态各异、包罗万象。

（1）、劲型柱：长度9.15m，牛腿4～5个，单件栓钉数量388個

（2）、劲型柱+圆管柱组合构件：长度10m，牛腿4个，单件栓钉数量450个

（3）、锥体柱+圆管柱组合构件：长度7m，牛腿6个，单件栓钉数量372个

（4）、弧形钢骨柱：垂直高度15.5m，水平距离6.4m，牛腿5个，钢管连接件4处，单件栓钉数量747个

（5）、箱形柱、梁组合构件：柱：弧长9.7m，隔板12块；梁：水平距离9.2m，隔板9块

（6）、弧形钢骨柱+箱形柱组合构件：长度9m，牛腿4个，栓钉数量394个，牛腿部位隔板数量10块，以上箱体隔板6块

（7）、弧形环梁：弦长9.6m，牛腿及钢管连接件4个，栓钉数量252个

（8）、外壳、风帆大量采用弧形钢管，各管件曲率均不相同，无规律可寻，圆弧曲管弯制均需数控编程进行相贯线弯制切割。

2、工程难点及亮点

（1）、该项目结构体系十分复杂，设计院所给空间节点坐标多，且坐标点均为壳体表面三维坐标→各坐标点进行全面换算→定出钢结构形状，此项换算工作量非常大→解决大批杆件无法汇交在一起，不能形成完整的结构体系的问题→建混凝土结构模型→土建模型与钢结构模型导入→解决钢结构专业、土建专业、建筑专业间的大量冲突与矛盾。截止建模完成，共解决问题122项次，由业主组织综合性答疑会4场。

（2）、本工程大量采用劲性钢结构，钢结构与钢筋之间的节点处理复杂，是本工程钢结构深化设计的一大重点。砼梁和劲性钢柱连接节点区域需设牛腿，梁-柱节点区域需注明：钢筋和柱筋的位置、柱筋穿牛腿的位置及孔的大小、梁筋锚固、穿孔、焊接情况、梁筋的上下层关系、柱箍筋的位置以及是否穿牛腿，每根钢柱四周都要有钢筋，这使得钢结构详图的深化设计工作量加大，难度大大增加。另外，钢结构详图的设计还应考虑方便土建方的施工。

（3）、异形箱体柱内设隔板，箱体和隔板各设有混凝土流动浇筑孔。

要求加工厂内对零部件加工进行精细化管理，组装、焊接次序进行深入技术交流；施工单位、监理单位及时对厂内构件隐蔽工程进行检查、验收。

（4）、异形箱体结构加工难，弧形柱外壳连接埋件设计劲板、各劲板设计有钢筋通过孔。外壳连接埋件的设计要充分考虑到：型钢混凝土柱的主筋和箍筋施工，混凝土浇筑后的流动密实性。上工序钢筋工程施工完成后顶部封闭板进行封闭处理 。

（5）、异形箱体结构加工难，穹顶结构在射线方向多牛腿定位组装。加工厂内对穹顶环梁及牛腿实地放样，分两件供现场；现场实地放样组装成整件后吊装；弧形箱体构件与牛腿各自对接时，利用测量设备精确控制定位坐标

（6）、尾翼相贯管件多，双曲异形结构，安装难度大：尾翼为双曲面异形结构，各杆件相贯组成。安装现场建立组装平台，利用吊机、叉车等机械实地放样进行拼装；拼装胎模根据坐标精准放样。B区尾翼重达18吨，高度为23米，利用300T汽车吊配合B区尾翼整体安装。安装就位前后控制各主要接触面的坐标，并监测至各连接部位安装焊接完成是安装的重中之重。

三、 配合土建施工，进行钢结构深化设计

1、 依据土建图纸，钢结构公司进行图纸深化设计。型钢柱分节时，根据现场塔吊起重参数，计算每根柱子所在位置塔吊最大起重量，将型钢柱合理分节，不同柱子分节不同，满足塔吊起重要求。

2、 深化设计中需画出每个型钢柱节点的大样，即绘制型钢柱制作详图、梁柱节点详图，分别明确穿型钢腹板、锚入型钢柱内、焊在型钢柱牛腿上梁筋规格位置，根据详图，项目部进行钢筋翻样工作。

四、 控制型钢柱制作环节，保证加工质量

型钢柱在宁波建工钢结构分公司滨海自有加工厂机械加工，所有需在型钢钢板上开的孔洞，全部在工厂采用相应的机床或专用设备钻孔，严禁现场用氧气切割开孔。构件每次出场前，项目部派质检员到厂内，根据详图要求进行验收检查，确保加工的质量与精度。

五、 劲性柱砼浇筑振捣

型钢柱翼缘板距柱外皮只有200mm，在此间隙内，设计有Ⅲ级直径25mm的主筋，Ⅱ级直径10mm的箍筋及Ⅱ级直径10mm的八字箍，钢筋净距只有165mm，另劲性柱上锚钉密集（4根19栓钉@200）且柱子呈45度至85度角弧形布置，给砼浇筑振捣带来很大难度。

为保证劲性砼浇筑质量，每次浇筑劲性砼柱，都进行重点控制，严格执行方案，加强过程控制，一方面与搅拌站协商控制好砼坍落度，另一方面，在型钢柱相互垂直两个方向架设经纬仪，监控型钢柱的垂直度，发生偏差及时调整；同时选择有施工经验的砼班长亲自拿棒，严格分层浇筑、分层振捣，振捣时尽量不碰型钢柱，确保型钢柱垂直度，收到较好的效果。

六、结语

从中国港口博物馆工程中钢骨柱的应用可以看到，型钢混凝土组合结构技术相对于现浇钢筋混凝土结构.施工程序复杂，梁柱节点焊接工作量大，工期长，需要预先放样，对于技术人员的详图设计能力，总包的现场协调能力要求很高。从施工角度出发，不是一种较为困难的结构体系。

从设计角度出发，型钢混凝土组合结构技术能够解决超高、超限、错层结构等复杂内力情况下的结构设计问题，能够满足对结构构件的抗震能力要求，减少结构构件截面尺寸，从而相对增加建筑使用面积，以较小的成本达到设计要求，是一种值得推广的结构体系，其应用会越来越广泛，特别是在建筑中的局部应用。