王 伟，艾宇航，王龙飞
(中国建筑土木建设有限公司，北京 100070)
钢结构具有结构轻巧、安装拆卸简便、施工速度快、空间范围大、相同荷载能够拥有更大的跨度的特点，因此在展馆、体育馆、工程以及机场等大型建筑的屋盖结构中得到了广泛应用。随着建筑业的发展和冶钢技术的推进，钢结构吊装技术与钢材的质量近年来稳步提升，为钢结构的发展提供了物质基础与应用经验。近年来，建筑钢结构逐步呈现出向高强度、大跨度方向发展的趋势，对施工方案的专业性和可靠性都提出了更高的要求。展馆这类公共建筑对空间的需求较大，通常采用大跨度的结构设计，使得屋盖结构的可靠性和稳定性成了决定展馆建筑项目质量与安全的关键因素。本文以连云港市“玉兰”造型展馆为例，对屋盖结构吊装施工与钢结构构件加工技术进行了分析研究，在主要考虑施工条件与结构受力的前提下，综合考量施工效率与工程效益，通过将各种钢结构施工方法结合，实现了安全、高效拼装。
1.1 工程概况
本工程位于连云港市云台农场范围内，西起现状道路，北至规划新建东路。建筑总面积约60 661.62 m2，其中，主展馆工程总建筑面积26 714 m2，总用地面积11 759 m2。建筑总高度为30 m，地上地下共两层，局部中庭采用双层混凝土结构。建筑整体造型撷取玉兰花开意向，在秦汉建筑敞顶重檐的形体特征上进行了抽象简化，在兼顾外观的同时规划塑造三维内部空间，使建筑呈现出了位置中正的端庄形态。建筑效果图如图1所示。
图1 主展馆效果图
1.2 工程特点与施工难点
这类大跨度网架结构构件多，杆件受力复杂，应力难度较大，一般为了确定杆件的应力情况或预测形变需要用模拟软件进行系统的分析计算，从而确定最合适吊点布置方案。在本项目的施工过程中，采用了分区施工的方式，分区划分需要能实现部分整体独立拼装而后吊装拼接成整体。
其次，展馆类工程在工程结构尚未成型的初期，一般需要搭建临时支撑结构，因为此时的部分结构还不能负担自重，这种临时支撑结构负责承载结构自重和施工中产生的暂时压力负荷。展馆工程跨度大且分为上下两层，因此所需的临时结构数量较多而且分布复杂，设置时候精度要求相对更高。[1]这种临时结构会使得结构附件的应力增加，这部分在一般的施工计算中有时候会被忽略，导致构件产生应力损坏。在钢结构进行拼装的过程中，部分临时支撑结构需要拆卸，使得建筑结构符合原始设计，此时钢结构受力状态发生变化，容易出现短时间内局部应力集中的现象，影响构件承载能力。因此，临时支撑拆卸过程需要谨慎考虑结构体系的变化以及杆件的受力情况，保证整体结构安稳成型、承载能力不受损伤[2]。
本工程占地面积大、施工工期紧、涉及专业多，将出现同一施工区多个专业共同施工的现象，且材料、机械、设备投入量大。为了充分保证施工进度、减少相关专业施工之间的干扰，需要精心规划各阶段的施工总平面布置以及交通组织。
本工程钢结构依据结构施工流向，同时结合单体平面分布情况及施工工作量情况，施工区域划分为屋面钢结构施工区、中庭钢结构吊装区、景观墙面钢结构施工区、入口桁架钢结构4个施工区，各施工分区相互独立，分区施工，分区管理。具体分区如图2所示。
图2 展馆分区结构图
“玉兰”造型展馆钢结构工程需要加工的构件主要为H型钢、管桁架结构以及钢管柱等。其中，工程屋面钢结构框架柱采用方管柱，钢梁为成品H型钢梁，桁架为圆管，材质均为Q355B。钢柱规格为Φ500×16、钢梁的规格为：HM 588×300×12×20、HN 300×150×6.5×9、HN 400×200×8×13；
中心椭圆钢结构及南北主入口采用钢管规格主要为：Φ180×6、Φ102×4、Φ76×4；
装饰墙钢结构采用箱型柱及箱型梁，规格为：Φ400×8、Φ300×8、Φ200×5、Φ150×4、矩500×300×10。主要加工构件箱型柱和桁架钢管下料贯口。
3.1 H型钢加工制作
H型钢主要通过焊接法制作，制作规则器件采用数控直条切割机，制作不规则器件采用自动控制切割机，H型钢两侧同时垂直地面下料，现场采用自动火焰切割机对腹板进行切割，而后气焊定位。在保证焊缝之间有充足的距离的基础上进行组立。[3]焊接时焊至一半以上时候进行反面清根，而后自60°的另一侧进行二次焊，翻转后完成焊接。对于重要的焊接接头应采用开坡口的焊缝，防止因未焊透而产生应力集中。焊接完成的部件多数需要进行矫正，具体矫正方法见表1。
表1 矫正原则表
3.2 箱型构件加工制作
本项目中箱型构件加工制作采用常规加工流程，预处理后进行矫平，下料切割后进行二次矫平，面板定位后组装隔板与腹板，安装隔板采用电渣焊，箱体本身采用电弧焊，铣平之后部件按照标准进行合格检测。
3.3 桁架构件加工制作
桁架构件加工制作过程中，相贯线切割的质量好坏是决定构件质量的关键内容，本项目中钢管的相贯面的切割只采用圆管数控相贯线切割机——数控六维相贯线切割机进行切割。此设备操作方便，加工精度高，切割全程可自动化控制，单次操作即可完成坡口切割，可以同时实现构件的内外定位[4]。
“玉兰”造型展馆工程的钢结构主要用于主展馆幕墙支撑，总工程量为2 500 t，施工分区如图2所示。项目的主要施工内容集中在屋面钢结构部分，其余部分内容包括中庭、入口与景观墙结构的施工。
4.1 屋面钢结构吊装
4.1.1 工艺流程
施工准备→轴线复测→钢柱吊装→主梁吊装→次梁吊装→结构焊接稳固→悬挑主梁吊装→悬挑次梁吊装→结构焊缝补焊收尾。
4.1.2 施工方法
屋面构件为箱型柱及方管钢梁相结合，下方为楼面结构，吊机只能在外侧及中庭位置站位吊装，钢梁自重最大的为约1.8 t，钢柱最大自重为2.5 t，具体钢结构如图3所示。
图3 屋面钢结构示意图
钢结构构件加工后在现场进行施工准备，吊装到应有的位置后在空中进行拼装，屋面结构按照既定顺序流水施工。由于屋面的施工过程中并不完全独立，因此需要与其他的施工单元进行配合。施工过程中，对于吊塔幅度60 m以内的钢柱采用塔吊进行吊装，其余中庭周围的钢柱均在塔吊吊装幅度外，钢柱采用50 t汽车吊在中庭位置吊装[5],如图4所示。
图4 吊装布置示意图
经过核算，边缘钢柱自重2.5 t，中心区轴线间钢柱为1.2 t。工程塔吊在60 m幅度内最小吊装能力为1.5 t。边缘钢柱均在塔吊40 m幅度内，配套塔吊幅度40 m，吊装能力2.67 t，均可满足吊装要求。
本工程吊装难度最大的构件为跨中轴的主梁，此梁处于跨中位置，吊装半径大，自重最重。此梁长度为10 500 mm，自重为1.6 t。采用塔吊吊装，安装遵循“先下后上、先里后外、先主后次、先长后短”的安装顺序，吊装时采用开孔吊装，吊装就位后立即夹好连接板。
钢柱安装前需要首先设置预埋件，而后利用调节螺母矫正标高，安装钢柱时，将钢柱的中心线与基础放线中心线对齐，将偏差控制在允许范围内。钢柱的吊装按照预定顺序进行，根据箱式原则优先采用能够快速形成框架的安装方案，安装后需要及时矫正，确保标高、垂直度等指标在合格范围内，以保证安装的准确度[6]。
4.2 中庭钢结构吊装
4.2.1 工艺流程
施工准备→轴线复测→桁架地面拼装→桁架吊装→桁架间水平桁架及吊装→支撑吊装→结构焊缝补焊收尾。
4.2.2 施工方法
中庭构件部分主要由立面桁架和平面桁架和必要的支撑部分共同构成，本部分采用整体吊装法，桁架均在地面拼装成型利用汽车吊吊装。这种方式适合于中庭这种矢高不大、跨度适中的曲面网壳结构，由于地面进行总拼网格，与屋面钢结构采用的分块吊装法相比，施工速度更快、拼装质量更高[7]。
经过工程核算，桁架最大自重1.8 t，50 t汽车吊工作半径为20 m、主臂42.7 m的工况下吊装能力为4 t，可以满足吊装要求。吊装立面图如图5所示。
图5 中庭吊装立面图
中庭的网格结构在地面进行拼装时选择就地拼装，主要采用立柱错位拼装法。这主要是考虑到吊装设施的承载问题，由于中庭处于施工场地中心位置，机械运载需要多方配合难度较大，且处于定点吊塔的施工范围之外。网格进行提升的时候，需要进行平移或者转动，距离为2 m以内，而后才下降完成就位，这主要是因为柱是穿插在网格当中的，梁但凡是与柱连接的部分均需要断开，等到吊装完成后再进行施工焊接框架梁。在本项目中，汽车吊装首先完成第一榀桁架的吊装，而后吊装相应的支撑件，保证吊装部分与土建结构形成可靠的连接，加强结构自身的稳定性。吊装第二榀桁架后就开始拼接吊装桁架间支撑辅助件，逐步形成稳定体系，最终形成完整的吊装结构[8]。
4.3 景观墙与入口钢结构吊装
4.3.1 工艺流程
施工准备→轴线复测→立柱吊装→连墙构件安装→桁架地面拼装→桁架吊装→桁架间水平桁架及吊装→支撑吊装→雨棚桁架吊装→结构焊缝补焊收尾。
4.3.2 施工方法
景观墙与入口的钢结构的桁架结构与支撑较为类似，如图6所示，两个分区可采取相同的吊装方法。这两部分结构承载力主要依靠结构本身，因此主要需要克服桁架结构的自身重力。这种结构特征决定了此类安装部分适合采取折叠展开式的吊装施工法。桁架在地面卧式拼装。
图6 景观墙(a)与入口(b)钢结构示意图
经过受力核算，桁架最大自重为5.5 t，50 t汽车吊工作半径为12 m，主臂42.7 m的工况下吊装能力为7.8 t，可以满足吊装要求。支撑为单根构件最大自重小于1 t,则选择用6015塔吊吊装。
施工过程中主要在地面安装大部分的组件，但与传统的组装不同之处在于需要设置平行于母线的纵线，将需拼装的结构划分成几个区域，各部分之间不进行连接组装，而是用铰链连接起来，然后利用吊装设施进行提升，最后进行部件的配装和添补工作。提升的过程中结构内部可能会产生一定的附加作用力，因此在吊装前设置了6根定位的临时拉索，用来实现结构的定位控制，防止其发生水平位移和形变。景观墙与入口处的跨度都不大，因此可以采用对吊装拉杆添加预应力的方式来消除结构内部的水平位变。
项目中涉及的钢材主要为合金钢材，铸成钢管桁架构成主体杆结构，由于“玉兰”造型展馆钢结构规模较大，整体杆构件数量导致现场焊接的工程量相当可观，现场焊接钢管的拼装焊接和对接焊接为主要工作内容，需要保证焊接质量。
焊接过程中，焊接点处的热被周围介质吸收传导会导致温度快速下降，小范围应力快速集中，导致构件产生裂纹，造成材质破坏，在进行定位焊的时候，需要提高预定的加热温度。本项目采取在焊接点的背面相对位置进行电加热的预加热方式，取得了良好的预防效果。为进一步避免冷介质的影响，施工过程中需要控制周围环境的因素，增长焊缝长度，加大焊脚的尺寸[6]。
焊接过程中，将各层之间的焊接温度维持在220 ℃上下，一般采用自动控温示温装置来调节温度，对温度进行核对。焊后需要较长时间对部件进行强度和完整性检测，保证焊接构件满足工程要求[8]。
本文以“玉兰”造型展馆项目为例，详细介绍了此类大跨度展馆钢结构的施工过程中采用的施工方案与施工技术。
(1) 介绍了该工程钢结构的整体结构特征与施工的全过程，从构件制作、分区吊装和整体焊接三个方面介绍了施工工艺以及质量控制方法。
(2) 介绍了屋面、中庭、景观墙和入口的吊装施工流程和具体的工艺方法，对不同的吊装方案进行了侧面的对比分析，器械吊装能力进行了核算，对类似钢结构吊装提供了实践经验。
(3) 该工程钢结构安装与施工技术的良好运用是“玉兰”造型展馆顺利竣工的基础，实现了良好的经济效益，为其他类似工程的施工方案的制定提供了参考。
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