超高层结构型钢混凝土复杂节点高效施工技术

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[摘  要]：文章结合深圳市某部分框支-剪力墙超高层结构工程实例，围绕如何提高结构中型钢混凝土复杂节点部位的施工效率和质量，应用了BIM三维建模的融合设计方法，对节点部位进行二次深化设计，并进行模拟施工。基于此，采用全工厂化预制的方式，制作了节点型钢部件。现场施工中，提出了型钢焊接T形对拉螺栓的方式固定模板，混凝土分层连续浇筑等施工方案和技术。根据工程实践效果反馈，上述施工技术的综合应用既保证了施工质量，又节省了工期和成本。

[关键词]：建筑施工; 型钢混凝土; 复杂节点; BIM技术

TU974A

近年来型钢混凝土组合结构在高层、超高层以及大跨度、大空间建筑中得到了广泛应用。型钢混凝土组合结构中，型钢、钢筋、混凝土三位一体地工作，使型钢混凝土结构具备了比传统的钢筋混凝土结构承载力大、刚度大、抗震性能好的優点。型钢混凝土组合结构优点较多，但型钢混凝土组合结构的“梁-柱”“墙-梁”等复杂节点部位，存在多向杆件相交、钢筋穿越腹板、混凝土板面不宜控制标高、模板难以固定、混凝土浇筑不易密实等传统施工难点[1]。

为更加高效地解决上述技术难点，本文结合深圳某部分框支-剪力墙超限高层结构工程实例，针对某栋塔楼的地下负一层至地上转换层间，共计19个楼层中的型钢混凝土组合结构复杂梁-柱节点区域，应用了BIM三维建模技术[2]、构件工厂化制作、模板采用套箍或T形对拉螺栓加固、钢筋采用预留穿筋孔、混凝土分层连续浇筑等施工做法，并针对性的开发了专用的型钢构件吊装装置，经施工检验，取得了较好的效果。

1 工程背景与施工难点

本文工程为深圳市人才安居老坑01-21地块项目，该项目位于深圳市坪山区龙田街道规划老坑路以南，松子坑路以北，为超高层装配式住宅楼项目，结构形式为部分框支-剪力墙结构;总建筑面积250 309.92 m2，其中地上建筑面积183 516.36 m2，地下建筑面积66 793.56 m2。项目地块采用裙塔布局，由6栋塔楼及相应的裙楼（3层）地下室（3层）组成，塔楼建筑高度最高为155.80 m。

其中A栋建筑的地下室负一层至转换层间，局部采用了型钢混凝土组合结构，结构底部加强部位的型钢混凝土柱、梁及钢板混凝土剪力墙等构件相交的节点部位，存在多向构件相交，其钢筋与型钢连接、钢筋与钢筋穿插关系异常复杂。同时，部分节点位于结构的框支转换层，又属于“强节点-弱构件”的关键部位，其施工质量要求远高于普通钢筋混凝土构件。工程抗震设计要求该类构件（节点）为大震不屈服，因此保证节点的施工质量，是保障结构整体安全的关键。

大震不屈服的抗震设计使得各构件内钢筋直径大、数量多，节点区存在多向型钢、钢筋纵横交错，若采用传统的施工方法，存在模板难以固定、混凝土浇筑不易密实等技术难题[3]。

2 解决思路

为解决传统混凝土结构施工技术存在的上述技术难题，同时为了提高该类复杂节点部位的施工效率，保障施工质量，需要在传统的施工技术基础上加以专门研究。解决问题的主要思路在深化设计中应用BIM技术的可视化、协调性、模拟性、优化性的特点[4]，对型钢安装、钢筋安装进行模拟施工，提前解决节点区域现场施工中可能发生的碰撞、补开孔等问题[5]。模板的加固采用在腹板两侧焊接T型螺栓对拉，解决了腹板区域模板对拉螺栓的问题，且可平衡腹板两侧受力，保证了型钢构件的水平稳定性不受影响;混凝土浇筑中，在柱顶加劲板上设置浇筑孔与排气孔共用，使用小型振动棒、加密振捣等方式可保证柱顶加劲板下部区域混凝土浇筑饱满、振捣密实。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

基于上述解决思路，设计了针对性的施工工艺流程，如图1所示。

3.2 施工操作要点

以型钢梁-柱节点的施工为例，来说明上述施工工艺流程的相应施工操作要点。

3.2.1 深化设计

通过应用BIM三维建模技术，将土建配筋模型与型钢模型进行融合（图2），按规范及施工要求进行检查，优化钢筋排布，明确型钢穿筋孔、浇筑孔、排气孔等孔洞的尺寸及位置，生成下料图，指导钢构件加工和现场施工[6]。

在节点深化时，钢筋应尽量避开型钢，当无法避开时可在型钢上预留穿筋孔，且应避开翼缘板，在腹板截面损失率小于25%的前提下穿过腹板[7]。根据优化后配筋图，钢构件加工时预先开孔;为保证钢筋顺利穿过，穿筋孔直径要比实际钢筋直径大6～10 mm。钢梁与柱牛腿间的连接，通过BIM技术进行模拟拼装，使连接板与牛腿腹板、钢梁腹板开孔吻合，避免现场安装时孔位错乱导致无法正常连接。

3.2.2 型钢加工

型钢构件采用工厂内集中制作，根据设计图纸及二次深化图纸，按1∶1比例翻样后下料。钢柱必须根据深化图纸画出准确的钢筋穿孔定位，钢梁、柱牛腿准确加工螺栓孔位。需要注意的是，施工深化设计应符合国家现行有关标准的规定，并在施工图的基础上进行，深化设计图完成后，还需要会同设计单位进行二次复核，保证不削弱原有的设计。

3.2.3 地脚螺栓预埋

节点部位的地脚螺栓安装精度直接关系到整个型钢构件安装的精度，是型钢构件安装的关键一步;为保证安装精度，根据相关研究和工程经验，一般应根据轴线控制点及标高控制点测放出每一个埋件的中心十字交叉线和至少2个标高控制点[8]。同时，还应将每一根柱下的地脚螺栓用定位钢板制作成一个整体框架（锚入下层部分选用设置箍筋）;在下层柱筋绑扎完、梁面主筋绑扎前将定位框架进行整体就位并临时固定，然后绑扎梁面主筋。在梁钢筋绑扎完毕后，对预埋螺栓进行第二次校正定位，然后与梁柱钢筋进行焊接牢固，如图3所示。

3.2.4 型钢柱的安装

型钢柱安装步骤及操作要点可总结为6步：

（1）钢柱吊装前对地脚螺栓复核定位、及时纠偏，合格后方可吊装。

（2）吊点采用工厂制作时设置的专用钢板制吊耳，每根钢柱设置2个吊耳，直接焊在钢柱的顶部两侧，吊耳顶部距离顶面10 cm[9] 。

（3）柱子起吊前为保证柱子稳定性，采用2根Ф14 mm钢丝绳作为缆风绳，分别拴在柱子顶部，作为找正、临时固定使用。

（4）型钢柱吊装方法采用直吊法，钢柱起吊时钢丝绳固定在起重机吊钩上，起重机收钩，直到柱身呈直立状态，然后将柱身吊离地面50 cm时停机检查吊索吊具是否安全可靠，确认无误后移到柱上方就位，缓慢下降，对正位置后，安装螺栓进行固定，并进行垂直度复核，然后取掉钢丝绳。

（5）采用H60型高强灌浆料对柱脚空隙部分进行灌浆，该灌浆料为自密实浆料可自行流淌密实，施工完成后须做好成品保护。如图4所示。

（6）型钢柱每次加节时，上、下柱连接采用吊耳加连接板先做临时连接，待调整好垂直度，对柱对接处进行焊接，待焊缝养护完成、探伤检测合格后割掉连接吊耳。如图5所示。

3.2.5 梁底模安装

在钢梁吊装前，进行模板支撑系统及底模安装，同时梁底模也可作为型钢梁吊装时的操作平台。模板支撑体系应进行强度、刚度、变形等验算，并严格按照方案设计要求进行搭设。

3.2.6 型钢梁的安装

型钢梁吊装时为保证吊装安全及提高吊装速度，由加工厂制作钢梁时设置吊装孔，作为吊点;钢梁吊装前，应清理钢梁表面污物，有浮锈的连接板和摩擦面在吊装前进行除锈;吊装前对型钢梁的安放点（柱牛腿）进行校正。用塔吊将钢梁吊运至钢柱的牛腿间，使钢梁翼缘中心线应对正牛腿中心线，以保证钢梁轴线位置[10]。将腹板的连接板用临时螺栓进行临时固定，待调校完毕后，更换为高强度螺栓并按设计和规范要求进行高强度螺栓的初拧及终拧以及钢梁焊接。如图6、图7所示。

3.2.7 钢筋绑扎

由于柱、梁钢筋在节点处是相互交错的，可根据BIM三维建模分析结果，确定各种钢筋穿插先后顺序及安装标高，以便更好快速施工。

型钢梁钢筋在绑扎前须做好梁底模板的搭设，然后再按图纸要求画好箍筋的间距，绑扎梁钢筋并入模就位。主筋穿好箍筋，按已画好的间距逐个分开，固定弯起筋和主筋并套好箍筋，然后隔固定间距将梁底主筋与箍筋绑住。弯起筋和负弯矩钢筋位置要准确，梁与柱交接处，梁钢筋锚入柱内长度应符合设计要求，梁内主筋要按设计要求布置。

型钢混凝土框架节点处，柱箍筋由于受到型钢梁腹板的影响只能加工成U形开口箍，柱箍筋穿过型钢梁上预留的孔洞，然后采用焊接形成闭合箍，焊接需满足规范要求（单面焊10d，双面焊5d）。

3.2.8 模板安装

柱中型钢会影响对拉螺栓的贯通，为解决上述问题采取了两种特殊的处理方式：

（1）当柱截面长度小于1 200 mm时，采取槽钢+普通对拉螺栓的方式进行模板加固，如图8所示。

（2）当柱截面长度不小于1 200 mm时，采取在型钢上焊接T形对拉螺栓的方式固定模板，如图9所示。

由于梁模板受型钢影响，对拉螺栓同样不能贯通，也采取在型钢上焊接T形对拉螺栓的方式固定模板，如图10所示。

梁模支柱的设置，应经模板设计计算确定;模板支柱纵横方向的水平杆、剪刀撑等，均应按设计要求布置。模板安装完毕后，应使用海绵条对模板与型钢接触部位密封，防止混凝土浇筑过程中漏浆。

3.2.9 钢筋绑扎

钢筋绑扎过程中提前做好浇筑点标记，避免漏振;节点区域采用型钢上预留的浇筑孔进行浇筑，浇筑孔同时起到排气的作用，如图11所示。浇筑过程应使用小振动棒进行振捣、加密振捣点，确保混凝土浇筑质量。

混凝土采用分层振捣，振动棒前端插入前一层混凝土中，出入深度不应小于500 mm;振动棒应垂直于混凝土表面并快插慢拔均匀振捣;当混凝土表面无明显缺陷、有水泥浆出现、不再冒气泡时，应结束该部位振捣。振捣棒不得触及模板钢筋，浇筑时应设专人看护，观察模板钢筋有无位移、变形，发现问题及时处理。

浇筑型钢梁混凝土时，工字钢梁下翼缘板以下混凝土应从钢梁一侧下料;待混凝土高度超过钢梁下翼缘板100 mm以上时，改为从梁的两侧同时下料、振捣，待浇至距上翼缘100 mm时再从梁跨中开始下料浇筑，从梁的中部开始振捣，逐渐向两端延伸浇筑。

3.2.10 模板拆除

梁底、板底模板根据同条件试块混凝土强度报告，强度达到规定要求后方可拆模;梁板支撑属高支模区域，需强度达到100%后才能拆除。T形对拉螺杆采用角磨机割除，待柱面、梁侧打磨后，采用专用砂漿抹平及防锈。

3.2.11 混凝土养护

板面及墙柱混凝土采用洒水养护，底部加强区域型钢混凝土结构混凝土养护时间不应小于14天。

4 施工质量保证措施

4.1 钢构件加工及安装

（1）施工所用的型钢、钢板、钢管、钢筋、钢筋连接套筒、焊接填充材料、连接与紧固标准件等材料的选用应符合设计文件的要求和国家现行有关标准的规定，并应具有厂家出具的质量证明书、中文标志及检验报告、抽样复检试验报告。

（2）钢构件需经钢结构制作工厂验收合格，并应出具出厂合格证、构件清单后方可进场。

（3）钢构件运输到安装工地后，安装单位应组织进行构件变形、损伤等观感质量及构件标识、主要尺寸等复核验收。当有变形和损伤，应矫正和修复合格后方可进行安装。

4.2 钢筋加工及安装

（1）施工用原材料必须严格按规范标准全数检查验收，包括检查材料外观、质量证明文件、合格证及检验报告等。

（2）钢筋加工质量，应检查受力钢筋的弯钩和弯折，箍筋末端弯钩等弯弧内直径、弯折角度、弯后平直部分长度、形状和尺寸。

（3）钢筋安装质量，应检查受力钢筋的数量和直径，钢筋间距、搭接长度等。

（4）U形箍、异形箍在下料时应根据深化图按照每套箍筋设置两套对应的U形箍、异形箍，安装时此类箍筋应进行对穿焊接，焊缝长度应满足单面焊≥10d，双面焊≥5d。

4.3 模板安装、混凝土浇筑

（1）模板安装质量，应检查模板支撑、立柱位置和垫板，避免隔离剂玷污，表面平整度，模板体系稳定性等。

（2）混凝土浇筑质量，应重点检查混凝土强度、拆模强度、表面平整度、有无蜂窝、麻面等质量缺陷。

（3）混凝土浇筑质量控制，混凝土浇筑应加强过程控制，对混凝土原材料均匀性，混凝土浇筑时间、振捣等加强控制。

5 工程实践效果

与常规型钢混凝土结构施工相比，通过综合应用上述施工工法，进行综合分析对比后，本文涉及的项目，在型钢混凝土结构施工的经济效益方面，存在长处和优点：

（1）由于在设计、施工全过程应用了BIM技术进行三维建模，优化节点部位钢筋排布问题，避免钢筋与钢板碰撞打架，各种穿孔精确定位，减小施工难度，减少施工时间，节约工期。

（2）型钢梁柱等构件在工厂实现了数控精确加工，确保了构件的几何尺寸精确度和开孔位置的精度。确保梁柱节点部位钢筋能够准确快速的穿过，缩短节点部位钢筋施工时间，节约工期。

（3）通过采取T型对拉螺杆、套箍两种方式进行模板加固，确保了模板支架的稳固，梁柱节点部位采用分层连续浇筑，设置浇筑孔和排气孔，有效保证了混凝土的浇筑质量和浇筑速度，减少浇筑时间，节约工期。

（4）经过该项目的实施，综合对比类似项目型钢混凝土结构施工，在应用了本施工工法之后，单层结构施工时间缩短了约1.5天，项目累计缩短总工期约15天。

6 结束语

本文详细介绍了型钢混凝土复杂节点的高效施工技术，通过工程实践表明，该施工技术可保证加强部位复杂节点型钢混凝土组合结构质量，最大化地提高施工效率，切实保证了超高层建筑整体结构安全，为以后的超高层建筑加强部位复杂节点施工提供了可参考意见。

目前，深圳市乃至全国高层及超高层建筑正在高速发展，本文提出的施工方法，适用于高层、超高层以及大跨度、大空间建筑型钢混凝土组合结构加强部位复杂节点施工，为超高层建筑加强部位复杂节点施工提供了可参考的意见。

参考文献

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