大跨度屋顶大梁安装模拟分析技术

纪超超

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

随着我国城市建设的不断发展，大空间的设计需求也越来越多，高空露台的设计也促使屋面吊柱倒挂系统的诞生，因此研究大跨度屋面与两侧悬挑倒挂柱的安装工艺具有十分重要的意义。本文重点研究大跨度桁架施工安装模拟分析[1-3]。

1 工程概况

新开发银行项目于世博园A区A11-01地块。屋顶采用大跨度钢梁，钢梁为带有悬臂端的单跨简支梁，两侧悬臂梁长11.4 m，中间屋顶大梁跨度40 m，裙房北侧为滑移铰支座，南侧为固定铰支座，悬臂梁下方为倒挂吊柱，长11 m（图1、图2）。

图1 新开发银行裙房效果图

图2 新开发银行裙房模型

2 临时支撑形式

由于现场空间狭小，没有预拼装的空间，因此裙房屋顶钢结构安装采用大梁在工厂分段制作，现场设置临时支撑，高空原位拼装的安装方法。根据受力情况，临时支撑设置在下方有立柱的位置，根据现场临时支撑对裙房屋顶大梁进行分段，核算塔吊的性能表，确保每个分段都在起吊半径内且有一定安全系数，并保证每个分段有可靠的支撑点位[4-7]。

采用φ426 mm的临时支撑圆管柱，下方用十字劲板作连接，上方圆管柱在相应位置开槽，与原结构钢柱空开20 cm的距离，方便土建在压型板上绑扎钢筋及浇筑混凝土（图3）。

支撑点位上方预留30 cm余量，采用H500 mm× 250 mm×14 mm×20 mm作为卸载段，由于屋顶大梁跨度很大，高达40 m，因此在屋顶大梁设计阶段对构件采取了预起拱，中心起拱高度最大达到11 cm。考虑到现场操作困难，通过与加工厂密切沟通，在加工厂出厂前已预起拱，并在加工厂进行预拼装。现场根据加工厂预拼装的图纸，与现场支撑点位的图纸叠加复核，测算出每个支撑点位的距离，并根据预起拱后的高度安装卸载段，确保了现场的安装精度（图4）。

图3 临时支撑下部节点

图4 临时支撑上部节点

3 Midas施工分析

布置完临时支撑位置后，采用Midas软件建立现场的钢结构实体模型，把临时支撑的点位、尺寸、材质加进模型内进行施工受力验算。计算了整个裙房钢结构的整体安装流程，在此重点介绍裙房屋顶的受力验算。

在屋顶大梁跨中有钢柱的位置设立临时支撑，φ426 mm×12 mm，材质为Q345B；在两侧吊柱下方同样也加设临时支撑，φ245 mm×10 mm，材质同样为Q345B。

裙楼钢结构施工分为两个阶段，第一阶段完成至第5层，拆除下方临时支撑后进行楼层的混凝土浇筑，确保现场钢梁在卸载完成后形变趋于稳定，混凝土浇筑完成后不产生裂缝；第二阶段完成至屋顶层，各层楼板混凝土在拆除支撑后方可浇筑。按本施工流程完成结构安装后，就结构总体力学性能而言，与一次加载分析的结果基本一致，因此本施工流程是合理的。

4层以上区域的临时支撑截面校核结果见图5。计算结果表明，临时支撑最大应力为89 N/mm2，临时支撑最大应力比为0.43，小于1.0，故满足承载力要求。

当屋顶层钢结构安装完成后，裙楼钢结构的杆件校核结果见图6。计算结果表明，裙楼杆件最大应力为 175 N/mm2，裙楼杆件最大应力比为0.55，小于1.0，故满足承载力要求。

图5 临时支撑应力比验算

图6 裙楼钢结构杆件校核

4 Revit施工模拟

项目开始前，对现场的塔吊布置图、现场运输路线及材料堆场进行了合理的安排。由于裙房屋顶大梁质量最大的单根构件为30 t，起吊机械ZSL650最大起重质量为32 t，起吊半径19.6 m，因此对材料进场的堆放位置要求十分 苛刻。

由于现场的空间十分狭小，因此一开始先确定了材料堆场位置和汽车运输通道，并用Revit软件进行了视频模拟，保证了现实实施的可行性。

同时对堆放位置的区域进行计算，在地下室顶板的混凝土主梁上放置临时措施型钢，保证裙房屋顶大梁的质量能有效地传至地下室混凝土柱上，确保地下室顶板的 安全。

屋顶大梁高2.7 m，属于高中心构件，现场为了防止其侧翻，专门用角钢制作了一个防倾覆胎架，在周围加上安全护栏，以确保其不会被进出车辆碰撞或者发生自身 倾覆。

在临时支撑设计阶段，考虑到单根钢柱在裙房屋顶大梁安装过程中可能会因受到外力影响而导致平面失稳，在一侧增加了柱间支撑，采用槽钢及斜撑对此进行加固。槽钢由地面现场组装好后整体安装到位，减少了高空焊接工作量。

槽钢除了用于柱间支撑的稳定性外，在安装和割除卸载段时，也用于现场挂操作平台的钢龙骨；另外一侧采用缆风绳加固，把所有的支撑连成一体，形成了简易的四方架，双重保障其临时支撑柱的稳定。

临时支撑柱总高8 m，为了方便现场施工，在每个临时支撑柱上安装了爬梯，并在爬梯上配备了防坠器，保证了现场的施工安全。

在裙房屋顶大梁上方采用双道生命绳，用定型化的操作平台及脚手立杆，以便于现场移动、搬运，且可循环 利用。

在裙房安装过程中，现场有1台ZSL750塔吊和1台ZSL650塔吊可同时施工。综合考虑塔吊性能和工期原因，施工中存在1台塔吊安装裙房屋顶大梁，1台塔吊补屋顶中间次梁的情况，因此采用Revit建模，分析模拟了2台塔吊的现场安装模拟情况，确保了现场屋顶钢结构安装的顺利进行，也保证群塔作业时的安全性。

该项目是第一个信息化交付项目，因此在建模的过程中，每根构件的尺寸、截面信息、深化图纸、防腐防火涂料材质及厚度、安装位置等都有特定的二维码，在施工现场方便施工管理人员查看，使现场管理更为有效便捷。

另外，每周的进度计划情况、技术交底记录、安全及质量例会情况、进场材料等一系列的数据信息都将上传至项目平台上，确保现场管理更加及时、便捷。

5 结语

本工程以新开发银行项目裙房大跨度屋顶钢结构安装施工为对象，研究了针对市区狭小范围内大跨度钢结构安装的技术措施及其对应的施工模拟技术。另外，作为上海目前第一个信息化管理平台，工程施工中BIM现场信息化管理技术的应用，为以后施工现场的信息化管理奠定了基础，同时也提供了宝贵的经验。