住宅项目钢结构施工关键技术探讨

2024-03-18王绍宾刘祥伟

中国建筑装饰装修 2024年4期

刘亮鲁岩王绍宾刘祥伟

随着城市化进程的不断推进和住房需求的增加，大众对于高效、可持续、安全的建筑结构形式的需求日益迫切。在这一背景下，钢结构作为一种具有优势的结构形式，其施工过程中的特殊性需要更为深入的研究和技术探讨。本文深入研究住宅项目钢结构施工的关键技术，探讨如何通过创新的方法和技术手段解决钢结构施工过程中存在的问题。通过对住宅项目的实际案例分析，结合先进的BIM 技术和钢结构设计、制造、施工等方面的最新研究进展，为提高住宅项目钢结构工程的质量提供有力的技术支持。

1 工程概况

某住宅项目的总占地面积为41734.81 m2，其独特的结构设计和创新的外观设计成为引人注目的焦点。总体结构布局上，项目地下部分采用了坚固的钢筋混凝土框架结构，地上部分则采用了灵活的钢框架结构，整体呈椭圆形，体现了先进的建筑设计理念。工程采用平板式筏板基础，为整个住宅项目提供了可靠的支撑。这种基础结构能够有效分散建筑物的重量，减轻地基的负荷，提高建筑物的稳定性和耐久性。屋顶部分采用了椭圆形平面的网架结构，呈现出独特的倾斜状态。该结构由矩形钢梁相互交错构成，钢管之间采用相贯方式连接，展示了先进的结构设计和施工技术。这种网架结构不仅具有较好的承载能力，还有良好的采光和通风效果[1]。

在该住宅项目中，钢结构节点的形式异常复杂，包括梁与梁的十字交叉节点、圆柱与梁的环向节点等，共计1096 种。对这些节点进行科学合理的分类和优化是该住宅项目钢结构深化设计的重点。通过建立三维可视化模型，能够在设计阶段提前发现潜在的问题，以确保工程质量。由于该住宅项目上下部分结构的差异，施工中需要处理多个交叉作业和复杂的工况，对施工协调性有较高的要求。例如，在型钢混凝土梁柱节点的钢筋连接上，需要特别注意施工顺序和方法，以确保结构的牢固和安全。同时，施工人员需要根据不同的工况和施工进度，合理安排施工工序，确保各个工序之间的协调性，保证施工进度。

2 住宅项目钢结构施工节点优化措施

2.1 钢结构复杂节点优化

在优化钢结构复杂节点之前，应先保障工程的安全性和可靠性。这涵盖对设计方案的合理修改，以满足相关规范，并综合考虑功能、结构、外部形态、现场施工状况等多方面因素。钢结构复杂节点优化要与其他专业工程相协调，确保各专业的设计和施工能够良好衔接；要提前完成机电设备留洞、连接土建钢筋等工作。钢结构复杂节点优化不仅追求成本的降低，还需要全面考虑成本与效益，使钢结构的设计和施工达到最佳状态。这需要进行施工模拟，根据模拟结果进行全面考虑和修改设计方案。在钢结构复杂节点优化的过程中，也要确保构件的加工和现场安装符合设计图要求，包括加工图和钢材采购标准等[2]。

焊接在钢结构工程中至关重要，良好的焊接工艺能够保证建筑的安全和质量。在进行钢结构优化时，需要特别注意复杂节点的施工工艺，避免出现密集焊缝和相交焊缝。同时，可利用BIM 和详细的制造加工与焊接工艺，确保整个钢结构的制作精度和焊接质量。对于钢结构复杂节点连接形式，可引入参数化节点设计，提高设计开发的效率和准确性。通过逻辑判断条件，进行主次梁数据读取，并根据次梁尺寸、螺栓数等信息自动确定板厚和补强板的相关参数，从而大大减少工作量。对于形状复杂、曲率变化的钢结构节点，可利用BIM 软件进行建模和设计。例如，Tekla Structures提供了丰富的节点库，可根据图纸信息确定适合本工程特点的参数。本次项目钢结构Tekla 模型如图1 所示，在建模过程中，需要关注节点的具体位置和各构件之间的连接形式，确保节点的准确性和可靠性。基于BIM 的钢结构关键节点施工优化方法需要综合考虑工程的安全性、经济性和可靠性。结合BIM、具体制造加工和焊接工艺，引入参数化节点设计和BIM 软件进行复杂节点设计等手段，力求达到最佳施工效果。

图1 钢结构Tekla 模型（来源：网络）

2.2 型钢混凝土与梁钢节点优化

在施工前，优化钢结构设计至关重要。这一过程中，要考虑多个关键因素，如工厂加工的可行性、吊装便捷性、施工时间、现场焊接量，以及施工质量的可控性。同时，需要同步优化钢筋和钢结构的施工步骤，以确保施工有序进行。

通过BIM 分析钢筋间排布碰撞的结果，可以发现钢筋的排布碰撞发生的频率较高，因此全面设计型钢柱显得尤为重要。为解决这个问题，利用Revit 软件的外部工具（内置的附加模块），从NWC 文件中导出钢筋节点的三维模型（钢混结构）。在导出钢筋节点的三维模型后，开始对模型进行技术交底。通过对模型进行详细分析和讨论，能够及时发现图纸中的不合理之处，如构件位置错误、联结策略不完善等，尽快制订相应的施工方案，为型钢结构节点钢筋连接的现场施工提供可靠的数据支持。

在制订施工方案的过程中，可借助图纸和三维可视化模型来精确规划相关构件（钢筋、梁等）的位置和联结策略。通过使用BIM，能够直观展示构件之间的关系和布局，更好地理解和解决潜在的问题。同时，图纸提供了详细的尺寸和要求，能够帮助施工人员确保构件的准确性和质量。

在规划构件位置和联结策略时需要考虑多个因素：第1，需要确保构件的位置符合设计要求，并且与其他构件之间没有冲突。第2，需要选择合适的联结方式和材料，以确保构件之间的连接牢固可靠。在规划过程中还需要进行多次讨论和修改。通过与设计师、工程师和其他相关人员的沟通和协作，不断完善与优化构件的位置和联结策略。这个过程可能需要反复迭代和调整，直到产生最佳的解决方案。除了规划构件位置和联结策略，还需要考虑施工过程中的其他因素。例如，需要确定施工所需的材料和设备，并制订相应的采购计划，进行相应的物流安排。在整个过程中需要不断更新和完善BIM 与图纸，以反映最新的设计和施工要求。通过及时更新模型和图纸，能够确保施工人员和相关人员始终掌握最新的信息，从而提高工作效率。

在设计型钢梁钢筋时，第1，要考虑柱型钢翼缘板的焊接问题。这需要确保焊接质量良好，以确保结构的稳定性和安全性。第2，要考虑从柱型钢腹板穿过的问题。这需要合理安排钢筋的位置和数量，以确保钢筋能顺利穿过柱型钢腹板，并与框架梁主筋连接牢固。第3，要考虑绕过柱型钢的问题。这需要根据具体情况进行合理设计和布置，以确保钢筋能绕过柱型钢，并与框架梁主筋连接紧密[3]。

然而，遇到型钢梁的上、下2 排纵筋较少的情况时，即中间钢筋少于4 根时，就会出现一些问题。例如，由于柱内型钢的存在，框架梁主筋无法像普通的钢筋混凝土框架梁柱节点那样具备弯折和锚固空间，这意味着框架梁纵向主筋无法顺利穿过柱内型钢，从而影响了整个结构的稳定性和承载能力。

3 钢结构构件加工

钢结构构件加工涉及多个环节，具体如图2 所示。该流程的科学性和严谨性在于其对细节的精确把控与对效率和成本优化的追求。通过采用BIM 技术，可以显著提高钢结构加工的效率和质量。在现代建筑行业中，BIM 技术允许建筑师、工程师和施工团队在统一的平台上共享与协作，确保了信息的连续性和一致性。对于钢结构加工来说，BIM 技术的应用尤为重要。利用Tekla Structures 等专业软件进行工程建模，可以创建详尽的三维模型，这个模型不仅包含钢结构的所有几何信息，还包含材料属性、连接细节和其他关键的制造信息。

图2 钢结构构件加工（来源：作者自绘）

施工人员通过BIM，可以直观地查看整个结构的构造和细节，包括各个构件之间的相互关系和连接方式。这种可视化的优势使得在下料过程中能够更加精确地规划，减少错误和返工的可能性。此外，BIM 技术还可以用于优化下料路径和顺序，通过分析模型中的构件信息和空间关系，确定最佳的切割路径和方法，最大限度减少材料的浪费和重复操作。在实际操作中，BIM 可用来检验下料方案的可行性，通过模拟不同的下料策略，选择最合适的一种。这种方法不仅可提高下料速度，降低人力成本，还可在早期阶段识别出潜在的问题，如材料供应不足、构件尺寸误差等，从而提前采取措施解决，避免延误工期[4]。

由于钢结构构件具有多样性，需要仔细挑选与之相匹配的专业加工设备。在下料环节主要采用数控火焰切割机，焊接阶段则主要依赖自动或半自动埋弧焊机，钻孔工作则依赖高效的数控三维钻。考虑到本工程涉及类型众多、节点复杂的钢结构构件，因此对加工制作工艺的要求非常严格。在H 型钢板的焊接过程中，必须标记中心和定位线，并确认材质、尺寸等多个维度资料的准确性。在切割处理中采用多块板同步下料的策略，以防止侧弯问题产生。对于配套的定位焊接处理，将凸型板和翼缘板组合成相应的H 型。因此，根据工程的实际情况和施工方案的分析，本文将结合Tekla Structures 软件提供的构件加工详图，对复杂节点进行加工和拼装。

4 钢结构吊装

根据建筑物东西走向的轴线长度和宽度，并结合土建施工后浇带的位置划分，将钢结构吊装施工从立面和平面两个方面进行划分，钢梁起吊整体结构如图3 所示[5]。

图3 钢梁起吊整体结构（来源：作者自绘）

在现代建筑工程中，钢结构因其高强度、良好的塑性和韧性、施工速度快等优点，被广泛应用于各类建筑的施工过程中。为确保结构的可靠性与安全性，施工过程必须遵循科学严谨的原则和方法。施工团队需要对中段柱和框架梁进行精确定位与安装，这包括使用精密的测量工具确保构件的位置准确无误，以及按照设计图纸和规范要求进行安装。安装完成后，紧接着进行焊接工作，这一步骤是为了将中段柱与框架梁牢固地连接在一起，形成一个稳定的结构单元。

在底部首段钢柱的安装过程中，考虑到其重量和尺寸，通常会选择80吨级的汽车吊进行吊装作业。这种大型起重机具有足够的起重能力，可以安全高效地完成重型构件的吊装任务。对于其他较轻或较小的构件，则可以使用塔吊进行吊装。塔吊更加灵活，可以覆盖较大的作业范围，适合于多点同时进行的吊装作业。

在钢结构吊装过程中，首先需要注意钢柱吊点的位置，其通常位于顶部，并通过临时连接板实现连接。为确保施工安全和提高施工速度，需要对钢梁吊装进行详细规划。安装工在吊装前，需要按照图纸找出吊装点的编号，并标记出来。在吊装过程中，钢丝绳的绑扎位置应在钢柱长度的1/3处，同时确保实际角度参数不超过45°，以防发生意外。在实际安装前，需要对配套的埋件进行复测和放线处理，并按照图纸调控底标高和螺帽。随后进行爬梯的捆绑，以方便操作。完成钢柱的吊升后，连接底板到地脚螺栓，调整中心线对齐，穿上压板，最后紧固螺栓。

在处理上部和首段钢柱时，固定模式会有所差异，吊点位于上部，可以通过添加耳板满足工程需求。在吊装前，需要清除顶底的渣土，同时管控偏差和扭曲值。在吊装上节时，进行反向偏移，以尽量规避误差的积累。为保持中心线的良好契合，可以通过耳板进行固定，然后连入螺栓，再配合夹板和缆风绳，以达到稳固的效果。完成钢柱的吊装后，可以进行初步的校准，为后续的安装工作奠定基础。需要注意，实际的架构是多层钢框架，其中钢梁规模较大。连接模式主要依靠螺栓确认，使用高强螺栓、初拧和焊接等方法完成连接处理。这些步骤的细致执行有助于确保整个钢结构安全、稳固和高效地安装。