大体量嵌套环形钢结构快速建造施工技术

董传艺 祝 超 李炳轩

中建八局第二建设有限公司 山东 济南 250024

1 工程概况

济南超算中心科技园项目位于历城区彩石片区，北至经十东路、南至港源六路、东至春喧路、西至蟠龙路。超算中心主楼引入天圆地方的设计概念，整体结构形式为167.4 m×167.4 m方形底托（地下2层）、平面直径131 m的环形主体（地上8层）、环形内套直径83 m的圆形主体（地上4层）钢框架结构体系（图1）。结构高度为42.5 m，钢柱为箱形柱与圆管柱，钢梁为H型钢梁与矩形钢梁，圆形主体顶部为管桁架，钢结构总量为2.6万 t，钢构件数量逾13 000根。北侧为在建工地，不能形成通道，南侧仅有1条与在建项目共用的临时道路，东西侧作为主要施工通道及材料堆场，本项目采用“东西向对称，内外环同步，网格形分区，多点位布局，放射状吊运，拉链式收口”的施工方法进行施工[1-4]。

图1 项目整体效果图

2 工期难点分析

1）项目整体俯视造型为内圆外方，核心区下凹，圆环区高耸，外围为方形地下室，超算中心共划分为3个标段，由3家单位同时施工，主楼位于中间部位，南北2个标段均同时进行施工，无法形成向四周发散的顺畅放射状施工流水组织，只能通过东西两侧进行材料倒运以及构件堆放，南北侧施工场地狭小，无法通过投入大量机械设备、作业人员的方式来进行快速建造。

2）主楼结构形式为纯钢框架结构体系，钢结构体量大，共计2.6万 t钢结构，合计逾13 000根钢构件，钢结构加工制作及安装工期紧、任务重，从备料加工到现场安装完成仅40 d工期，构件加工可以通过增加加工车间的数量来加快构件制造速度，但在极其有限的时空条件下组织施工需要更加高效、完美的施工方案。

3）项目主体结构施工跨越春节，人员的组织、材料的采购、机械的调配难度均数倍增大，钢构件从安徽运至济南施工现场路途遥远，面临春运运输压力较大，施工阶段在冬季严寒阶段进行，从构件吊装到焊接难度都指数式增大。

3 方案对比分析

材料的垂直运输作为本项目能否如期完工的决定性因素，根据本工程工期短、任务重、体量大、不确定因素多等施工特点，首先确定了不用塔吊而选用大型履带吊及汽车吊吊装的整体施工思路，为后续各项工作的展开奠定了决策性基础。在拟定选用大型履带吊及汽车吊的施工方案后，综合分析本项目主体结构形式为钢框架结构，钢结构的吊装数量多、质量大，同时考虑现场场地东西开阔、南北闭塞的客观因素，对主体钢结构施工机械布置设计了如下3种方案：

1）8台500 t履带吊塔式工况，布置于筏板外侧，从内到外逐层吊装。该方法的优点为履带吊不用上筏板，钢构件逐层逐区吊装，从内到外吊装精度易于控制；该方法的缺点为500 t履带吊臂长度长，数量无法增加，功效较低，工期无法满足，且成本较高，影响其他专业机械施工。

2）8台500 t汽车吊站筏板外安装环形区，4台100 t履带吊上筏板退装内部圆形区，8台50 t汽车吊上筏板吊装外围区。该方法的优点为3个区可同时施工；该方法的缺点为内部圆形区和外围区退装，设备投入数量及型号成倍增加，环形区构件全部依赖大型履带吊，工效不足，大型履带吊占路，与土建等其他专业交叉施工严重。

3）4台150 t履带吊安装内部圆形区，同时8台350 t履带吊＋8台100 t汽车吊站筏板内安装环形区，待环形区施工完成后进行外围区的施工。该方法的优点为与土建等专业的交叉相对较少，工期有保障，资源投入合理，施工条理清晰；该方法的缺点为内部圆形区和环形区内外同步施工，吊机数量多，易相互影响。

经过分析对比，最终确认第3种施工方案的可行性。

4 吊装不利工况分析

4.1 内部圆形区钢柱吊装工况分析

内部圆形区质量最大的构件为11和12轴线的GKZ2b的第2节柱，柱子的最大质量为13 t，吊装此根构件时，履带吊站位于9 和14轴线，距离构件20 m，采用中联浦沅QUY100履带吊配58 m主臂，履带吊在20 m吊装半径位置最大起重量为16.6 t，吊装性能满足要求（图2）。

图2 内部圆形区最大构件吊装示意

4.2 内部圆形区钢梁吊装工况分析

最重的钢梁为5层楼面的GKL21，拼装完成后构件长度为25 m，构件质量10 t，吊装此根构件时，履带吊站位于9 和14轴线，距离构件26 m，采用中联浦沅QUY100履带吊配58 m主臂，履带吊在26 m吊装半径位置最大起重量为11.3 t，吊装性能满足要求（图3）。

图3 内部圆形区最重钢梁吊装分析

在吊装屋面钢梁时，履带吊需站位于距离18 m的位置，即2个柱距的距离，这样能保证履带吊主臂在74°的情况下避开钢柱的影响。

M区外侧构件距离履带吊站位18 m，履带吊在主臂85°，副臂75°的工况下可以进行此位置构件的吊装，300 t履带吊，钢柱吊装需求。

M区内侧构件距离履带吊站位40 m，履带吊在主臂75°，副臂45°的工况下可以进行构件的吊装，且吊装过程不会受到内侧已安装构件的影响，300 t履带吊能够满足环形区钢柱吊装需求。

5 分区策划

选用12台大型行走式履带吊，环形主体部分呈八方觚式布置8台350 t履带吊，圆形主体部分呈东西对称分别布置2台150 t履带吊，每台履带吊配备1台汽车吊辅助卸车、吊运构件，将各个施工区域划分为3个大区，3个大区分为若干个小区，对每台吊车施工区域进行明确划分，完成构件的垂直运输，设计科学合理的施工流水以及施工顺序，满足钢结构施工。

根据结构特点及施工流程，将整个结构分为3个大分区（图4）：外部地下室方形区域（W区，地下2层）、中部圆环区域（M区，地下2层、地上8层）、内部圆形区域（N区，地下2层、地上3层）。3个大区共计37个小分区，其中W区共15个分区，W-1—W-15；M区共分为18个分区，M1-1—M1-8为100 t汽车吊吊装分区，M2-1—M2-8为350 t履带吊吊装分区，M-3和M-4分区为预留区域，待N区施工完成后用350 t履带吊吊装。N区分为4个分区，N-1—N-4。构件发车根据小分区进行划分，运输到现场后就近堆场卸车，做到多而不乱。

图4 施工分区示意

6 难点解决措施

1）为保障材料供应及时，道路运输通畅，在原有地形基础上打通东西主干道，并在靠近北侧辅助修一条通向筏板的便道，确保北侧钢构件供应。同时考虑将主楼南侧大台阶后做，在南侧修一条东西贯通的临时路，确保场内机械及材料及时到位。充分利用现场的一切便利条件，重新划分主楼东西两侧场地，作为钢构件堆放场地，确保钢构件的就近临时堆放。共计投入12台履带吊以及8台汽车吊进行吊装作业。为配合材料倒运，另外专门配备了12台汽车吊及16台板车进行钢构件装卸车及材料倒运，现场施工平面布置如图5所示。

图5 现场施工道路布置

2）钢结构设计阶段，决定采用施工效率较高的空心圆管柱以及方管柱结合的形式，钢构件采用钢牛腿的节点形式，提高钢构件的安装效率。钢构件节点形式，主要采用高强螺栓连接节点。工程施工前进行焊接工艺评定试验，安排专人负责把控钢结构焊接的质量，考虑到工期紧、任务重，现场施工工况瞬息万变的情况，决定现场使用履带吊与汽车吊配合吊装的施工方式。

3）由于工期紧、任务重，加工及安装阶段主要集中在春节期间，为保障人材机的有效供应，特地协调了国内大型机械设备供应商，从全国调集了大量专业劳务工人，从市场直接购买了大量成品钢材现货，为避免出现春节高峰期堵塞交通导致钢构件无法运输到现场，此外还准备了施工场区外4万 m2的临时堆场。同时，根据施工进度计划，提取材料清单明确供应时间，分区分批分时间段发货，以确保材料供应及时到位，项目施工顺利进行。

7 各区安装方法

根据既定施工方案，针对性对主体钢结构进行施工，N区、M区、W区分开独立施工，施工总体思路为N区与M区同步施工，最后施工W区外围地下室钢结构，3个分区各自施工思路如下。

7.1 N区施工方法

N区4个区域同时施工，按照从中间向东西两侧的顺序进行施工。投入4台中联浦沅QUY150履带吊（58 m主臂）进行构件的吊装，2台50 t汽车吊进行构件的卸车和转运，1台长13.5 m的平板车进行构件的倒运。

7.2 M区施工方法

施工采用8台350 t履带吊加8台100 t汽车吊。M1-1—M1-8区钢梁用8台100 t汽车吊沿顺时针方向进行吊装，M区所有钢柱及M2-1—M2-8区钢梁用350 t履带吊沿顺时针方向进行吊装，钢柱先装内侧钢柱，向外按排进行安装。

7.3 W区施工方法

W区域待M区域钢结构施工完成后，所有机械设备按图6箭头所示方向退出施工现场，退出现场的过程中进行W区域的钢结构施工。W区域的钢结构施工利用M区域施工的机械设备，包括8台350 t履带吊和8台100 t汽车吊。

图6 W区施工机械布置

8 整体施工方法

1）阶段1：钢柱地脚螺栓预埋，履带吊在东西钢结构堆场进行组拼，筏板混凝土养护，履带吊行驶路线铺设钢板。

2）阶段2：N区150 t履带吊上筏板开始安装N区钢结构，M区300 t履带吊逐步行驶至筏板上并就位，钢构件东西堆场堆放并用板车托运至施工区，小型汽车吊配合履带吊进行钢构件吊装，中间区域预留贯通东西向的车辆行驶通道，待N区施工完毕后补东西向通道。

3）阶段3：M区300 t履带吊全部行驶至指定位置，开始大批量安装环形区钢构件，预留东西向通道位置环形结构暂时不安装；N区150 t履带吊逐层安装钢结构，与M区平行施工。

4）阶段4：N区逐层施工至N区屋盖封顶；M区逐层施工，预留的东西向通道在N区封顶后开始进行收口施工。

5）阶段5：M区东西向通道拉链式收口封闭，形成完整环形结构；W区钢结构东西向倒退式安装。

6）阶段6：M区钢结构安装完毕，大型履带吊退场；W区钢结构东西向倒退式施工收尾完成。

9 结语

多点位布局内外同吊拉链收口法的实施，施工中投入了12台大型履带吊，进行了多点位、全区域覆盖布局，同时为了提高效率，每台履带吊附近均放置1台汽车吊，辅助履带吊卸货以及吊运其他小型构件或设备材料。东西分开对称比赛式施工，有效调动了施工人员的工作积极性以及工作效率，多点位内外同吊法，有效提高了施工效率，加快了安装速度。

采用此安装方案，钢结构安装工期明显缩短，有利于其他后续专业的提前穿插施工，估算为济南超算中心总体缩短工期4个月，为济南超算中心的早日运行创造了条件，具有良好的社会和经济效益，值得在同类钢结构工程中推广应用。