谈型钢混凝土组合结构施工图优化设计

程 伟

(中铁二局集团有限公司，四川 成都 610081)

1 概述

型钢混凝土组合结构是钢—混凝土组合结构的一种主要形式，又称劲性混凝土结构、包钢混凝土结构、钢骨混凝土结构，是结合了钢筋混凝土结构和钢结构的优点后发展起来的一种结构形式，由于其具有承载能力高、刚度大、耐火性好及抗震性能好等优点，已越来越多的运用在各种大型建筑、高层、超高层建筑及抗震要求高的建筑中。

型钢混凝土组合结构在具有突出优点的同时，也给施工提出了新要求，由于型钢的存在，特别是在结构的纵横向节点，由于型钢的影响导致钢筋安装密度较高，既有钢筋与型钢的冲突，也有钢筋与钢筋的冲突，既加大了钢筋安装的难度，也最终影响到混凝土的浇筑。保证钢结构工程、钢筋工程的顺利施工，保证施工质量是型钢混凝土组合结构施工的难点。因此，在施工前需要对钢结构进行优化设计，主要以工厂加工可行、吊装方便、施工时间短、现场焊接量少、施工质量可控为原则，同时优化钢结构、钢筋工程施工顺序，为保证现场有序施工打下基础。优化需要做到：

1)优化过程中，提前考虑结构部位的施工方法、施工难度，以及各专业之间的冲突，制定相应措施。2)钢结构连接节点做到构造合理、安全可靠、易加工、方便安装。3)保证钢结构与钢筋及钢筋之间定位排布的正确性和施工顺序的合理性，确保现场施工顺利。

2 详解优化设计要点

2.1 优化流程

优化流程：审图→建模→深化设计→BIM模拟施工→优化→审核→出图。

优化顺序：节点设计→柱筋优化→竖向连接板、加强板设计→梁筋优化→横向连接板、加强板设计，穿孔设计→吊装耳板、连接耳板等设计。

2.2 优化工作主要内容

施工图优化是型钢混凝土组合结构施工的重要基础工作之一，是在符合设计要求的前提下，结合现场实际和工厂加工能力、运输能力，详细计划钢构件分区分段拼装方式和安装顺序、焊接顺序以及钢筋穿筋顺序的基础上进行。由于柱、梁钢筋穿过型钢梁是相互交错的，在施工前应全面考虑梁、柱钢筋穿过型钢梁时的方式和先后顺序，特别是梁柱节点部位，应利用BIM技术进行施工模拟验证，便于有序组织，提高工效。

优化工作包括：

1)绘制梁柱节点大样图。绘制柱拼接、梁拼接节点大样图。2)利用BIM技术，优化柱钢筋和型钢、梁钢筋与型钢柱的定位排布，同时合理编排焊接顺序和穿筋顺序。3)绘制柱或梁纵向钢筋穿过型钢梁翼缘或腹板穿孔及补强的节点大样图。4)绘制钢梁内肢箍及次梁箍筋与型钢梁相交时需穿孔的布置图和大样图。5)绘制牛腿、加劲板、连接板、耳板、栓钉定位及大样图。6)绘制机电管线穿型钢梁预留孔洞大样图。绘制混凝土浇筑时需要的灌浆孔、排气孔、排水孔布置图和大样图。

2.3 优化要点

2.3.1梁柱节点优化

型钢柱、梁在满足设计受力要求下，根据吊装能力和运输能力，结合工厂制造加工能力，优化梁柱节点设计，优化型钢柱、梁拼接方式、拼接位置。

首先需要先确定型钢框架的安装单元。应综合考虑加工、运输和现场起重设备能力，本着方便实施、减少现场作业量的原则进行。柱安装单元宜为三层一根，考虑现场吊装能力以及作业环境等因素也可为一层、两层或四层一根。梁的安装单元为每跨一根。

其次确定拼接方式。框架柱与梁的连接宜采用柱贯通型，梁柱节点连接一般采用焊接或栓焊混合连接。梁的上、下翼缘用坡口全熔透焊缝与柱翼缘连接,腹板用摩擦型高强度螺栓与柱翼缘上的剪力板连接,在梁翼缘板对应的柱的位置，应设置水平加劲肋，如图1所示。柱在工地拼接时，宜采用全熔透焊缝连接。柱接头应位于框架节点塑性区以外,考虑焊接作业方便，一般宜在框架梁上方1.0 m～1.3 m。梁接头应位于框架节点塑性区以外。

2.3.2钢筋优化

型钢柱需根据与之相连的型钢梁截面尺寸、配筋及柱主筋位置情况进行优化，确定型钢穿孔位置，以及牛腿、加劲板、连接板位置，排布钢筋穿筋顺序，考虑混凝土浇筑需要设置灌浆孔、排气孔。确保型钢现场安装中柱、梁钢筋能够顺利施工，不开孔、不扩孔、不返工，如图2所示。

钢筋与钢构件节点部位处理，一般采用钢筋绕开法、穿孔法、连接件法及其组合法。当采用钢筋绕开法时，钢筋应按不小于1∶6角度折弯绕过型钢。当采用连接件法时，钢筋下端宜采用套筒与型钢连接，上端宜采用连接板连接，如图3所示。焊接于型钢上的钢筋连接套筒，应在对应于钢筋接头位置的型钢内设置加劲肋，加劲肋应正对连接套筒。

当钢筋与型钢采用连接板焊接时，宜采用双面焊。当不能采用双面焊时，方可采用单面焊。双面焊搭接长度不应小于5d，单面焊搭接长度不应小于10d，见图4。

2.4 优化注意点

1)合理排布型钢混凝土柱中纵向主筋的位置，避开钢梁的翼缘板，并在施工过程中对钢筋和型钢进行精准的定位。如无法避开型钢翼缘，则应对预留孔进行承载力验算，若不满足，则应补强。柱内竖向钢筋净距不宜小于50 mm，且不宜大于200 mm；竖向钢筋与型钢的最小净距不应小于30 mm。

2)根据梁筋的位置，确定型钢腹板打孔位置。梁主筋与型钢柱相交时，应有不小于50%的主筋通长设置。当必须在柱内型钢腹板上预留贯穿孔时，型钢腹板截面损失率宜小于腹板面积的25%，见图5。

3)根据梁柱节点处柱箍筋的间距、直径，在钢梁腹板上留置节点箍筋穿筋孔。也可考虑腹板上预焊胡子筋，在现场箍筋与之焊接。

2.5 BIM模拟施工技术

BIM模拟施工技术，一是快速、准确地检验优化设计中钢结构与钢筋、钢筋与钢筋是否冲突，间距是否满足规范要求，钢结构加强部分是否影响钢筋施工；二是检验施工顺序是否合理，避免相互干扰降低工效，甚至影响施工质量；三是实现三维动画可视化技术交底，提高交底效果。

1)检验方法：利用BIM技术中的软碰撞方法检查钢筋间距、钢筋与钢构件间距是否满足设计要求、规范要求。

2)检验流程：确定钢构件、钢筋、预留孔洞的规格尺寸、位置、空间关系等各项参数→预设施工顺序→利用Tekla钢结构建模软件建立三维模型→模拟施工→碰撞检查→输出报告→修改调整→重复前述步骤，得出最优方案。

3 工程实例

贵阳花果园R1区7号楼(逸林酒店)位于贵阳市南明区，该建筑总建筑面积12.566万m2，地下室4层，地上50层，结构高度226.05 m，采用框架—核心筒结构体系。外围框支柱采用钢管叠合柱和H型钢混凝土柱(至F11)，核心筒采用十字型钢混凝土暗柱和H型钢混凝土暗柱(至F7)。转换层四角为斜交转换柱，柱截面尺寸为1.4 m×1.6 m，内置600×800 H型钢，翼缘及腹板厚35 mm，材质为Q390GJ-B钢材。

本工程的施工难点之一，即斜交转换柱的加工制作、现场施工以及与钢筋、模板、混凝土施工的协调配合。通过对钢结构部分进行深化设计，同时运用BIM模拟施工技术对施工进行模拟，按照钢筋大小、定位、间距对斜交转换柱钢筋放样，在模型中根据碰撞情况对受到钢柱、钢梁、加腋钢结构等影响的钢筋进行优化。通过模拟发现，斜交转换柱起始位置与钢管叠合柱相交，其配筋按照各自纵筋及箍筋配筋，箍筋相互影响，焊接量大，且质量难以控制，混凝土浇捣过程中不易浇筑密实，容易产生蜂窝、麻面、露筋。经与设计单位沟通，更改为水平大箍筋，包裹斜柱和立柱型钢。通过优化，确保了钢筋安装和混凝土浇筑质量，同时理顺了施工顺序，提高了工效，顺利的完成了施工任务。

转换层斜交转换柱角柱大样见图6，箱型柱与斜交柱三维放大图见图7。

4 结语

型钢优化设计阶段是型钢混凝土组合结构施工的重要阶段，其工作质量直接影响到结构安全、施工质量和施工组织的有序性，对工程施工质量、安全、成本、工期影响深远，需要高度重视，采用BIM技术模拟施工能够有效提高优化设计质量，促进现场有序施工，提高工效，保证质量。