弧形钢结构屋面机电管线安装技术

2022-10-12刘占强郭晓娟李孟函姜立涛

城市建筑空间 2022年9期

刘占强，郭晓娟，李龙，李孟函，姜立涛

（中国建筑一局（集团）有限公司华北公司，天津 300457）

0 引言

在剧场建筑中，钢桁架屋面结构高度一般大于20m，桁架内净高大于5m，为超高大跨度结构。桁架内需要安装水暖电等常规机电、消防、灯光舞美等设备管线，并设置马道以方便检修。钢桁架下为舞台和看台，施工时不便于搭设满堂架或使用升降设备，交叉作业和高空作业危险性高、施工难度大。对钢桁架、灯光舞美设备与常规机电管线进行深化设计，明确钢桁架内管线定位和固定措施，特别是优化雨淋管道从桁架下吊装改为沿钢桁架下弦敷设，不需要焊接操作，对钢桁架防火涂层无破坏，雨淋喷头通过支管垂直安装在钢桁架下，并在钢桁架下弦满铺操作板，既便于桁架内施工，又避免与地面交叉作业，保证安全；合理的工序安排可实现快速安装，保证工期和质量。

1 工程概况

廊坊“只有红楼梦”戏剧幻城项目为大型情景园林剧场园区类工程，占地面积约30万m2，总建筑面积约44万m2（见图1）。园区内包括A1～A5核心剧场，核心剧场地上3～4层，最高21.6m，剧场顶部为钢结构桁架。本工程建筑单体多、业态种类多，机电系统复杂。A5剧场为弧形钢结构屋面，超高大跨度钢结构屋面内机电管线和设备安装具有较大难度。钢桁架下为舞台、看台，施工时不便于搭设满堂架或使用升降设备，交叉作业和高空作业危险性高、施工难度大。

图1 项目效果

2 工艺原理

在工程建设初期，对钢桁架、机电管线、舞美灯光等演出设备进行深化设计，综合考虑各专业施工要求、机电管线排布原则、施工顺序及支吊架固定方式，对于混凝土结构区域，支吊架固定在结构顶板、柱或梁上，但对于高达20m的大空间屋顶钢桁架，机电管线的安装及固定方式成为整个工程的重点及难点。通过将原吊装于钢桁架下10多根管径200mm的消防雨淋管道优化设计到钢桁架内，并在钢桁架内搭设操作板，将各专业施工作业面全部集中在钢桁架内，既可方便原设计中马道层的照明、喷淋、消火栓、通风管道的施工，又可满足雨淋管道及演出灯光设备的安装，且操作板不影响地面其他专业施工，节省工期，降低施工成本，保证施工安全。施工工艺流程如图2所示。

图2 施工工艺流程

3 施工操作要点

3.1 原设计方案分析

本项目包含A1～A5五座剧场，剧场地上1层通高，局部3～4层，最大屋面结构标高为21.600m，现浇钢筋混凝土框架结构，屋面采用钢桁架结构，并且屋顶钢桁架内也作为剧场马道层，钢桁架内除需布置观演厅管道外，还需布置马道层照明、喷淋、消火栓、通风等机电管线。其中作用于观演厅的消防雨淋主管均为直径200mm，由于观演厅跨度较大，需要10～15根雨淋管以满足消防要求，原设计中该管道在钢桁架下吊装敷设，影响演出灯光设备安装，且由于钢桁架高达20m，施工难度较大，存在质量和安全隐患。

钢桁架内管线包含电气照明管线、电气火灾自动报警管线、喷淋管道、消火栓管道、演出舞美与灯光设备等管线。钢桁架下管道包括观演厅雨淋管道、演出灯光、音响设备等。

3.2 钢桁架机电管线设计优化及深化设计

通过对原设计方案的综合分析，为保证施工安全且满足工期要求，寻求更优解决方案。考虑到钢桁架内施工专业较多，为满足工期要求，需同时施工，马道层马道空间不能满足作业面的要求，因此在钢桁架下弦整体增加钢梁支撑，搭设操作板，扩大作业面，满足钢桁架内所有专业同时施工，且不影响观演厅观众看台施工、机电设备运输、安装等工作，保证工期进度。

3.2.1 钢桁架、舞美、机电管线综合深化设计

马道层为剧场演出时工作人员行走和工作的空间，原常规机电管线需要避开钢桁架斜撑、腹杆，舞美灯光布置按演出要求需要调整，布线应灵活，现桁架内又增加了雨淋管道，并且雨淋管道需在钢桁架下弦敷设，需避开马道。通过三维建模将钢桁架内管道整体排布，满足功能要求的前提下，提高马道层净空，为后期演出放置灯光，音响、舞台机械等设备提供足够空间和场地（见图 3）。

图3 桁架内管道BIM模型

3.2.2 将钢桁架下管道优化至桁架内敷设

本工程各个剧场设置雨淋系统保护，雨淋喷头采用下喷，均安装在马道层下方，原雨淋平面图中，观影空间上方雨淋管道均未敷设在马道层，观影厅挑高空间需要搭设满堂架，并且观影厅地面四周为观众看台，该区域不满足搭设满堂架和使用升降设备的条件，所以将雨淋主管道移至桁架内，通过垂直支管将喷头安装在马道层下方，既可满足消防要求，又方便安全施工。

3.2.3 支吊架选型及受力分析

在机电安装过程中，设备、管道、桥架的支架大部分安装在结构梁、柱、墙体、楼板等承重结构上，但在大跨度剧场尤其是在钢结构工程安装过程中由于可承重部位较少，加上钢结构桁架梁上不允许直接焊接，所以机电管线支吊架的选型及受力分析成为桁架内机电安装的重点及难点。通过比较及选型，根据管线系统及管径大小确定2种支吊架方案并进行受力分析，方案1：采用常规方式在钢结构梁之间增加2根相互平行的槽钢，在槽钢上增加吊架固定点，将管道固定；方案2：在结构钢梁上用卡子生根，采用槽钢和角钢做门形支架。

3.3 优化后施工总体部署与工序分析

1）确定设备、管线吊装口位置根据深化设计成果，确定钢桁架内设备、管线吊装口位置及吊装方式。

2）确定机电管线固定方式及固定点因钢桁架屋顶需做金属屋面、隔声棉、装饰板，其中隔声棉填满屋顶工字梁，若机电管线固定吊架滞后于屋面安装，将破坏屋顶隔声棉层，所以吊架固定点需提前深化设计，做好吊杆预装。同时通风管道敷设在马道层上方，但风口在马道层下方，占用大量垂直空间，所以通风管道应先于其他机电管道施工，其他机电管线穿插进行。

3）综合桁架屋顶、地面看台施工节点通过提前对钢桁架、舞美设备、机电管线的综合深化设计，将工序清晰化，避免拆改重复施工，保证了工程质量和工期进度。并且预先在钢桁架下弦满铺操作板，不影响地面看台施工，节约各专业施工成本，保障施工人员安全施工。

3.4 现场施工

根据设计图纸，编制施工方案，进行现场施工。

1）测量放线规划增设的钢梁放置点及机电管线支吊架安装点位。

2）增设钢梁支撑在非马道区域增设钢梁，加强操作板的支撑受力点，并在钢结构柱与斜撑之间搭接钢丝绳，固定工人安全带，保证施工安全（见图4）。

图4 钢桁架增加辅助支撑梁

3）铺设操作板操作板采用1/3重叠铺搭方式铺满整个马道层，提供充分的施工作业面（见图5）。

图5 钢桁架操作板仰视

4）支吊架安装支架与吊架提前确定好固定点，做好预装。

5）机电管线安装机电管线按照深化设计确定的工序进行安装。

3.5 调试、验收

机电管线施工完毕后，先进行钢桁架内系统调试，之后联合剧场进行调试，调试合格经验收后方可投入使用。

4 效益分析

1）工期本技术屋顶钢桁架机电安装施工，使钢桁架内施工成为单独的作业空间，屋面、常规机电、演出机电设备安装同步进行，并且不影响观演厅下方地面观众看台施工和机电设备安装，节点工期比原设计方案提前约60d，满足排练和导演演出计划要求。

2）质量和安全本技术减免焊接操作，对钢桁架防火涂层无破坏，在钢桁架下弦满铺操作板，既便于桁架内施工，又避免与地面交叉作业，保证质量和安全。

3）经济效益通过对钢桁架内机电管线深化设计、支吊架选型及施工工序综合部署，满足一次成活，避免返工及材料的浪费，预留设备吊装孔之后桁架内满铺操作板，可节省成本约130万元。

4）社会效益本技术解决了剧场钢桁架内机电管线快速安装的难题，赢得业主、导演等社会各界的认可和信赖，将为建筑行业提供宝贵经验，对行业的技术进步起到推动作用。本技术已授权国家专利两项：“一种屋顶桁架内的雨淋管道支撑结构”（专利号：ZL202120141508.9）；“一种屋顶桁架内竖向风管的固定结构”（专利号：ZL202121425319.0）。