大型劲性混凝土斜交网格柱结构施工关键技术

中国建筑第五工程局有限公司安徽分公司 合肥 230051

1 工程概况

蚌埠三馆工程由规划馆、档案馆、博物馆组成，建筑面积68 325.98 m2，其中博物馆单体地下局部1 层，地上5 层，总高34.4 m；规划馆、档案馆单体地下局部1 层，地上6 层，总高30.45 m，三馆均为框架结构。其中博物馆中庭1～5层部分内空，四周设有劲性混凝土斜交网格柱，中庭顶部为36 m×36 m大跨度钢桁架屋盖。中庭设有“之”字形回转悬吊的拉索结构钢坡道，以顶部钢桁架屋盖和周边劲性混凝土斜交网格柱为支座。

劲性混凝土斜交网格柱是由斜柱斜向交叉组成网格筒体的一种新型结构体系，节点核心区与邻近的梁柱端部是一个有着紧密联系的单元，显著提高了邻近的梁柱端的强度、刚度以及锚固性能，避免了二阶弯矩的产生，使得受力更加合理，传力更加明确。劲性混凝土组合结构作为一种新的结构体系，实现了最优化的组合效益。其一，斜交网格结构抗侧刚度大，能够承受较大的水平荷载，其二，斜交网格形式有很强的集合规律，可以获得特殊的建筑视觉效果[1-4]。

2 BIM技术的应用

整个劲性混凝土斜交网格结构施工前，针对中庭结构极其复杂的情况，在钢结构深化设计和施工中，应用BIM技术、建立BIM模型，对钢构和复杂节点进行充分优化，实现了三维数控加工、预拼装、三维定位精确测量和安装，有效解决了斜交网格钢结构施工难度大的问题，不但节省了钢材，而且减少了操作难度，节约了工期。

2.1 模型的建立

对于博物馆中庭钢结构，项目部采用Sketchup、X-steel软件进行建模。本工程钢结构复杂，尤其是博物馆中庭四周设有斜交网格型钢混凝土柱，中庭进深36 m×36 m，高度为34.4 m，与屋面平齐。且斜交网格柱承受“之”形拉索吊桥的侧向拉力作用，对斜交网格柱一些节点的施工要求更加严格。

2.2 钢结构深化设计

在方案设计阶段，由于工程结构形式的复杂性，图纸较难表达，采用BIM技术，建立了Sketchup模型，更好地表现了设计意图和结构形式。在深化设计中，采用X-steel软件，建立了钢结构模型，对型钢梁柱、斜交网格柱等的深化、精确加工、安装起到了非常大的作用。如图1所示。

图1 中庭斜交网格三维示意

深化设计图纸中输出的安装布置图及构件编号的设定，包括平面布置图和立面布置图以及布置图所示构件的索引图。安装布置图所包含的内容有构件编号、安装方向、标高、安装说明等一系列安装所必须具有的信息。

1）对拉螺栓孔深化设计。根据模板方案设计，型钢柱螺栓竖向间距为900 mm，柱底第1道对拉螺栓距地面200 mm，深化设计时需确定对拉螺栓孔的位置。型钢柱在厂家加工时，根据深化设计结果，在型钢柱腹板上开直径为30 mm的圆孔。

2）复杂节点钢筋孔深化设计。型钢梁柱节点处由于型钢梁和钢支撑牛腿的存在，其翼缘影响型钢柱主筋在其宽度范围内顺利通过，因此，在型钢梁、柱加工前，需进行型钢柱主筋位置的排布方式和主筋穿型钢梁翼缘方式的深化设计。

3）型钢混凝土柱中主筋及箍筋的调整。型钢柱与混凝土梁连接，需先在混凝土梁方向加焊牛腿，再将梁筋与牛腿进行焊接来实现。由于700 mm×400（500）mm×25 mm×36 mm型钢柱相对于1 000 mm×1 000 mm混凝土截面较小，加之钢筋布置密集、规格较大等问题，实际施工中需根据牛腿位置重新布置柱主筋位置，且钢柱上的栓钉及牛腿导致柱箍筋无法自上而下施工。针对上述问题，采取相对钢柱栓钉及牛腿位置调整柱主筋位置，改变箍筋肢距，且联合设计单位改变箍筋形式，即改小封闭箍筋为复合箍筋再焊接封闭，原八角箍筋改为拉钩，完美地解决了施工难题。如图2、图3所示。

图2 原设计

图3 深化设计后

4）混凝土梁与型钢混凝土柱的节点区施工时，梁的主筋处理主要本着能通则通、不通则焊，但同时又要避开柱内主筋位置的原则，对节点区位置进行放样，选择最优布筋位置，要求现场严格按深化设计图纸进行施工。如图4、图5所示。

图4 深化设计前

图5 三维BIM模型深化设计后

2.3 三维数控加工

常见钢结构二次数控加工设备包括数控三维钻、数控转角带锯、数控锁口机及相关的自动化料道，可组成自动生产线，实现少吊车或无吊车化加工，其工艺流程为：上料（将工件放到横向料道）→由推料机构自动将工件推入纵向料道→纵向料道将工件送进数控三维钻，按数控程序的设定自动对工件进行钻孔加工→钻孔加工完成后工件料道继续送进，由锯床按设定长度截断→工件截断后若需要铣端口由锁口铣加工端口然后出料，若不需要就直接出料→整个加工工序完成。考虑到各台设备尤其是锯床和三维钻床加工能力的不均衡，故布置2 台锯床以满足均衡生产的需要。

2.4 钢结构预拼装

预拼装是将分段制造的柱、梁、支撑等和多层钢构件，在出厂前进行整体或分段、分层临时性组装的作业过程。预拼装是控制质量、保证在现场顺利安装的有效措施。预拼装方法分为整体预拼装、分段预拼装和分层预拼装。本工程中庭钢结构采用分段预拼装方法。

分件、分段制作的钢框架，其柱与柱、柱与柱间支撑和平台梁的连接，需进行分段预拼装。即从底柱开始，每2 节柱为一预拼装单元，按顺序向上进行预拼装。分块制作的壳体结构可视拼装场地以2～4 带为一拼装单元依次进行预拼装。工艺要求在预拼装中应套钻或扩孔，这是保证构件设计尺寸和公差要求的必要措施，但这会使构件的连接孔丧失互换性，因此应将预装好的构件或零件编号定位，并绘制排版图，使现场安装时各零部件可以对号就位。

钢构件预拼装完成后，与BIM模型进行尺寸复核，确认合格后，分段输运到现场进行安装。

3 钢结构吊装技术

针对中庭顶部36 m×36 m大跨度钢桁架屋盖的施工，在考虑采用高空散装需搭设满堂胎架，造成工序交叉作业困难，施工成本高；而采用整体吊装因高度和塔吊臂距不足，且巨型吊车使用成本高等因素，现场施工采用中庭地下室顶板预留吊装洞口的方法，吊车进入地下室中庭（图6），分段整体吊装，吊装易操作、施工简便、节约工期、成本低廉。

1）吊装前的准备。构件进场应按现场吊装的需要，分批配套进场，每批进场构件的编号及数量，需提前3 d通知加工厂。构件验收分2 步进行，第1步加工厂检验，存在的问题应在工厂处理合格后方可发运，做好预拼装工作；第2步构件运抵现场后，由现场专职质检员先组织检查验收。如发现缺少或损坏，质量不合格者，立即退场处理。

2）施工测量。测量工作的好坏是关系到整体钢结构安装质量和进度的大问题，是钢结构安装质量控制最重要的工作之一。为此钢结构安装应重点做好以下几项工作：设计图纸的审核；测量定位依据点的交接和校测；测量用具的检定与检校；测量数据准备；建筑物测量验线。

钢结构安装前，土建部分已做完基础，为了确保钢结构安装质量，进场后首先要求土建部分提供建筑物轴线、标高及其轴线基准点、标高水准点，依此进行轴线及标高复测。首先根据原始轴线控制点及标高控制点，对现场进行轴线和标高控制点的加密，然后根据控制线测放出每根柱子的纵横轴线，再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。

3）钢桁架拼装。用直尺和水平仪进行测量，保证构件中心在同一水平面（构件下方用胎架找平），调整各构件之间的接口尺寸，不要出现错边现象。要严格按照GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》执行。

由于钢桁架最大跨度为36 m，单榀质量为29 t，起重高度31.2 m，根据吊车机械性能表，故采用1 台1 600 kN汽车吊进行吊装。

（1）吊点设置及起吊方式。每榀桁架共设置3 个吊点，吊点设置在距桁架两端1/4处。利用现场的1 台1 600 kN汽车吊起吊。起吊前，钢桁架应横放在垫木上，桁架下端位置垫好木板或木方，起吊时必须边起钩、边转臂使钢桁架垂直离地。

（2）钢桁架的临时固定和测量校正。当钢桁架吊到就位上方200 mm时，应停机稳定，对准螺栓孔和十字线后，缓慢下落，下落中应避免磕碰地脚螺栓丝扣。当桁架柱脚刚与基础接触后应停止下落，检查桁架底座四边中心线与基础十字轴线对准情况（四边要兼顾）和柱脚下的钢垫板位置、数量是否正确，如有不符应立即调整。经调整钢桁架的就位偏差在3 mm以内后，再下落钢桁架至设计标高位置，使之落实，收紧4 个方向的缆风绳，拧紧螺栓的锁紧螺母，如受环境条件限制，不能拉设缆风绳时，则可采用在相应方向上设置可调支撑的方式进行固定和校正（图7）。

图6 汽车吊进入地下室中庭进行吊装

图7 中庭钢结构施工过程

4 劲性混凝土斜交网格柱施工技术

由于劲性混凝土斜交网格结构本身的特点，为结构施工带来如下困难：第一，型钢与钢筋的连接问题；第二，结构的精确定位问题；第三，结构的支模问题；第四，混凝土的浇筑问题。尤其在节点处，以上问题更显突出。本施工技术解决前3 个问题，第4个问题通过自密实混凝土浇筑技术解决。

在斜交网格柱节点处钢筋绑扎处理比较困难，通过BIM模型很好的保证节点主筋数量和间距，以及节点箍筋数量。

4.1 钢筋绑扎

在钢结构吊装完成后，开始进行钢筋绑扎，难点在斜交网格柱节点处钢筋绑扎处理，保证节点主筋数量和间距，以及保证节点箍筋数量是关键。

根据框架梁所处的标高以及梁高、梁宽和梁钢筋的根数、直径、分布，在加工厂制作钢骨柱时，按设计要求确定柱身腹板上穿孔的个数、位置、孔径及焊接翼板上加劲板的宽度、高度和标高等。与钢骨柱相交的框架梁截面宽度均小于钢骨柱截面宽（梁宽600 mm，骨柱宽800 mm，混凝土骨柱宽1 300 mm），梁的一部份钢筋从钢骨柱腹板预留孔中穿过，与另一跨相连；两侧的钢筋一部份穿过骨柱后锚入骨柱，另一部份钢筋焊接在钢骨柱翼板的加强板上，采取双面搭接焊。如图8～图10所示。

图8 斜交网格柱节点示意

图9 梁部分钢筋焊接在加强板上

图10 斜交网格柱复杂节点 钢筋绑扎

4.2 模板安装

针对斜交网格柱特点，我们采用了三节式周转栓接模板。该模板由3 段组成，每次可采用2 节栓接浇筑。拆模时，在柱混凝土上留有1 节，作为下段模板支撑的连接点，并周而复始，每次拆模均保留1 节，这样可免去下部斜支撑，有效提高效率。

模板按照设计加工完后，进行了必要的保养及脱模剂工序。柱钢筋绑扎完毕后，在柱相应位置，先将一长一短2 节模板通过螺栓拼接，要求保证拼缝的严密性，不得漏浆，并进行支撑，其支撑方法同传统混凝土，如图11、图12所示。

图11 槽钢加工劲性柱模板

图12 斜交网格柱模板安装

5 自密实混凝土浇筑技术

针对劲性混凝土斜交网格结构钢筋绑扎完成后，混凝土难以浇筑和振捣的难题，施工中采用自密实混凝土浇筑技术，依据其相比较普通混凝土具有较好的黏性和流动性的特点，有效解决了该结构的浇筑难题，且施工工艺简单，施工质量易于保证。整个劲性混凝土斜交网格结构施工质量、外观效果均良好。

混凝土浇筑是斜柱施工的重中之重，由于斜柱的特殊造型造成混凝土施工有以下几个难点：

1）斜交网格柱箍筋较密，在斜柱底面呈一斜面，混凝土在向下输送过程中，拌和物中的砂浆易被箍筋挂住，造成斜柱底部混凝土缺少砂浆；

2）部分斜柱斜度较大，且钢筋较密，振捣棒很难输送至斜柱底部，在提升过程中，振捣棒容易被箍筋卡住；

3）斜交网格柱振捣过程中，混凝土中产生的气泡不易排出，会积聚在顶面模板下，造成顶面混凝土蜂窝、麻面，影响混凝土观感；

4）劲性混凝土柱内部有钢柱，钢柱中间有加劲板，加劲板下混凝土密实难以保证。

针对以上难点，采取以下措施：

1）采取自密实混凝土，辅助振捣棒振捣。

2）由于斜度较大未考虑斜柱上面开孔放气，采取模板外平板振捣器辅助振捣，不便放振捣器的部位采用人工敲打模板。

3）事先试棒寻找好合适的下棒点，保证柱子四角全部振捣。

自密实混凝土利用汽车泵进行泵送。由于型钢柱中“王”字形型钢的存在，柱截面被分为4 个区，混凝土浇筑时从4 个分区间隔下料，以免从一个区连续下料致使一侧模板压力过大，造成模板移位。混凝土浇筑速度不能过快，每次下料高度控制在0.5 m左右，2 次下料时间间隔控制在15 min左右，这样可避免模板侧压力过大而致使模板体系胀爆。

由于型钢柱单次浇筑高度高，且钢筋密集，混凝土浇筑时必须利用振捣棒辅助振捣，这样可以减少混凝土表面的气泡、麻面等质量缺陷，但振捣持续时间不能过长，一般每个振捣点振捣时间不超过3 s。

混凝土浇筑时利用橡皮锤敲击模板外侧，尤其是柱子四角处应多敲击，这样可以检查混凝土浇筑是否密实，而且有利于排出混凝土内部的气泡。浇筑拆模后的斜交网格柱如图13所示。

图13 斜交网格柱拆模后效果图

6 结语

劲性混凝土斜交网格柱结构作为一种新的结构体系，实现了最优化的组合效益。为使施工完美地实现设计构想，必须实践大型劲性混凝土斜交网格结构施工关键技术，即通过BIM技术，在建立BIM模型，对钢构和复杂节点进行充分优化的前提下，实现三维数控加工、预拼装、三维定位精确测量和安装施工；通过钢结构吊装技术，采用中庭地下室顶板预留吊装洞口，让吊车进入地下室中庭，以分段整体吊装的方法，实现屋面钢桁架的吊装；通过劲性混凝土斜交网格柱施工技术，有效解决斜交网格结构钢筋绑扎、模板支设及精确定位困难；通过自密实混凝土浇筑技术，成功解决劲性混凝土斜交网格结构混凝土不宜浇筑的难题[5,6]。

蚌埠三馆工程的成功实践，既探索总结了大型劲性混凝土斜交网格结构施工技术规律，又为今后类似工程的施工提供了可借鉴的方法。