超高层建筑斜向型钢混凝土组合柱的斜率控制

祝兆平 武 杰 张兴志 王 涛 黄和飞

中建三局集团有限公司成都分公司 四川 成都 610041

1 工程概况

重庆来福士广场项目位于长江与嘉陵江交汇处的朝天门广场，由8栋高层建筑组成。8栋建筑皆以弧形塔楼临水北向，错落有致，形成一组强劲的风帆造型。

项目在结构设计中有大量斜向的型钢混凝土柱，与通常的垂直型钢混凝土组合柱相比，斜向型钢混凝土组合柱的轴线、标高的控制和定位是保证施工质量的重点控制事项，型钢混凝土斜柱的斜率如若不能得到有效控制，势必影响整个工程的质量和进度。

本文以重庆来福士广场项目（A标段）为背景，应用型钢混凝土斜柱施工模拟、空间定位、钢柱焊接预调（加工长度/焊缝）、钢柱整体同时焊与单根对称焊相结合、工具式可调几字梁模板体系设计与施工、专用斜柱混凝土浇筑、斜柱变形监测与预调等技术，并结合总包管理的总体调配，确保了斜柱斜率的良好管控，效果甚佳。

2 技术原理

项目的立面帆船造型弧形结构由型钢混凝土斜柱构造而成（图1），通过斜柱倾斜角度的变化勾勒出立面弧形，施工中根据施工模拟结果对斜柱控制轴线和标高进行预调，利用深化斜柱BIM模型，采用RTS机器人全站仪对斜柱进行空间放样；为保证对斜柱斜率的有效控制，钢骨柱采用整体同时焊与单根对称焊相结合的方法；斜柱模板采用工具式材料进行加固；采用与满堂脚手架相连的钢管斜撑对斜柱模板进行加固；斜柱混凝土浇筑时采用胶管串筒，以保证混凝土浇筑质量；斜柱施工完成后，及时对斜柱进行监测，根据监测结果，实时调整施工模拟预调值，以保证整体结构变形在可控范围内。

图1 施工完毕的型钢混凝土柱

3 型钢混凝土柱施工工艺流程

施工模拟预调→斜柱定位放样→钢骨柱安装、校正→钢骨柱焊接管控→斜柱钢筋、模板工程管控→变形监控

4 型钢混凝土柱施工操作要点

4.1 斜柱定位施工模拟预调

立面弧形结构，由于结构形式外倾，施工过程中随着结构荷载加载，会产生竖向和水平向的变形。为控制结构变形，利用ETABS 2013和SAP2000软件进行全过程施工模拟分析，在软件中预演整个施工过程，进行逐步加载，分析结构及施工措施的变形规律，得到各施工步水平向和竖向结构预调值。施工过程中对设计轴线和标高进行预调，每层按照调整后的控制轴线和标高进行施工[1]。

水平向预调为平面内调整，现场施工时，先将柱按照原设计定位进行测量放线，再根据楼层相应调整值在平面内对控制轴线进行调整。

竖向调整为按照施工模拟情况进行分步、分段调整，调整时通过调整相应楼层标高来实现。

4.2 斜柱测量定位

首先通过施工模拟调整后的控制轴线和标高进行斜柱定位，利用深化的斜柱BIM模型（图2），采用RTS机器人全站仪对斜柱进行空间放样。斜柱立面上按高度布置测点，准确测量各点与相应轴线的水平距离，用于校核斜柱模板。RTS机器人全站仪放样所需设备包含TRIMBLE RTS建筑机器人全站仪、LM80手簿、全向棱镜。

图2 斜柱BIM模型深化

然后，使用天宝TPC软件对每层斜柱3D BIM模型创建放样点，数据分层，并导出文件到LM80手簿中，在现场通过图形化的引导方式进行现场放样作业，落实三维设计的精确施工。

4.3 斜钢骨柱安装、校正

吊装前做好钢柱外观尺寸等检查验收工作，之后进行钢柱吊装，临时加固后即进行钢柱校正。

4.3.1 钢柱安装前的准备工作

1）利用模拟调整后的轴线坐标，放样对应钢柱轴线，对偏差较大的预埋件螺栓进行调整。

2）在钢柱底板边缘放样出钢柱的中心线，清除预埋件上的丝口保护套、螺丝上的混凝土和钢锈，并给丝口涂抹黄油，凿平垫块位置的混凝土。

3）采用全站仪从测控点引测柱底就位标高，并做好标高标记，调整好所有同标高位置的柱底下部垫块或螺母，观测垫块位置混凝土面与钢柱柱底标高的偏差值，当标高存在较大偏差时，采用不同厚度的垫铁预先找平。

4）为确保倾斜钢柱安装精度和质量安全，事先需采用钢丝绳加葫芦将其固定在钢柱的倾斜阳角面顶部，以方便后续固定和角度调整。

4.3.2 钢柱底就位校正

在确保柱底站位空间的条件下，柱底就位应尽可能在钢柱安装时一步到位，少量的偏差校正可用千斤顶和撬棍实现微调校正，柱底就位后轴线偏差应不大于2 mm。

4.3.3 钢柱顶标高测量

本工程钢柱的标高控制采用测量柱顶三维坐标的方法进行，柱顶标高应与模拟计算模型保持一致。

柱顶标高测控点设为柱中心，截面较大的构件需增加两侧翼缘中心点，共3个测控点。柱顶层高偏差控制在5 mm内，当层间柱高偏差接近限值时，通过加垫板垫高或切割衬板的方法，调整上一节钢柱的标高以达到标高控制目的[2]。

4.3.4 钢柱角度测量

钢柱柱底就位和柱底标高校正完成后，利用全站仪检查钢柱的倾斜角度，单节钢柱垂直度经校正后，偏差值δ应不大于10 mm，同轴线上顶部角度偏离值应不大于3'30"。对于大截面钢柱，需由制作厂在柱角四周顶部画上柱中十字标记，现场再用油漆笔做上控制记号，测定柱四角三维坐标并进行实时调整，直到柱子设计坐标值与仪器所测坐标差符合规范要求（图3）。

图3 钢柱倾斜角度调节

4.3.5 钢柱预调值的校正（加工补偿法）

根据施工模拟分析，得出倾斜结构的标高及轴向变形数据，需依据变形数据来确定各节倾斜钢柱的预调值。

1）通过加工长度进行预调：考虑到不同板厚的钢材焊接收缩量，将施工模拟分析的预调值分配到每节钢柱后，若每节钢柱预调大于5 mm，则每节钢柱的制作尺寸应按照预调值进行适量调整。

2）通过焊缝进行预调：由于焊接应力产生的变形对钢柱角度上的影响是不可避免的，故需通过施工计算式模拟、分析、计算出不同构件的结构荷载、偏心距等要素以便进行预调值计算，将预调值分配到每节钢柱，每节钢柱预调值为3～12 mm。同时，为加强构件自重荷载对结构轴线的影响，需要对倾斜钢柱阳角面进行钢板加固，以抵消焊接应力和结构弯矩力。

3）施工过程中，持续观测结构的变形情况，并将其反映到下一节钢柱的制作中。

4.4 斜钢柱焊接

4.4.1 焊接原则

本工程焊接顺序的选择，必须遵循以下原则：应使焊接变形和收缩量最小；应使焊接过程中加热量平衡；收缩量大的焊接部位先焊接，收缩量小的焊接部位后焊接；尽量采用对称焊接法组织施焊。

4.4.2 整体结构焊接顺序

根据本工程的结构特点，焊接时采取整体同时焊接与单根柱对称焊接相结合的方法，通过有组织地焊接确保焊接变形量达到最小。

4.5 斜柱钢筋工程

由于不同层斜柱倾斜角不同，同层柱倾斜角也存在不相同的情况，导致每层柱纵筋有多种尺寸，同时斜柱的绑扎存在一定困难。因此，斜柱钢筋绑扎必须从翻样、加工、绑扎方面进行全面控制。

钢筋翻样安排专员全程负责，做到“一对一”的督办，同时应用计算机，辅助专业人员完成翻样图绘制。由于不同的斜柱钢筋存在差异，因此在翻样时必须对每根斜柱纵筋进行单独编号。现场钢筋绑扎与翻样料表一一对应。

在箍筋的绑扎过程中，利用标尺对钢筋斜率进行测量，若斜率偏差太大，则由现场钢筋工进行前台调整。随着箍筋的增加，钢筋骨架的质量越来越大，应做好钢筋骨架的防倾覆措施。当柱子外倾时，外侧大模板无法固定，因此需要使用钢丝绳拉住钢筋骨架，并将绳的另一端固定在满堂脚手架上，使用的钢丝绳直径不小于14 mm，拉结点设置在内侧两角点纵筋上，竖向距离可以根据现场实际情况进行控制。

4.6 斜柱模板工程

4.6.1 模板定位

将斜柱柱角用1∶2水泥砂浆抹平，先放样出各斜柱角点坐标，将其投射到已浇筑楼板上，做好标记，并弹出柱角边线和离柱角边线50 cm处的控制线。

对外框边梁进行水平抄测，确保外框边梁设计标高，外框边梁模板两端标高允许误差小于5 mm，边梁中部按0.1%自然起拱。利用投射轴线对外框边梁进行定位，双向定位误差均不大于3 mm。

利用已安装完成的外框边梁模板以及已放样柱角边50 cm控制线对斜柱上下口进行粗定位，完成斜柱模板安装，再利用RTS机器人全站仪对斜柱模板的斜率进行复测调整，完成斜柱模板加固。

4.6.2 模板加固

框架斜柱模板采用厚15 mm双面覆膜木胶合板，模板竖向龙骨为50 mm×70 mm钢制可伸缩几字梁（间距不大于200 mm），斜柱抱箍采用钢制抱箍紧固件（间距不大于400 mm），模板拼缝之间粘贴海绵条，阳角部位采用工具式夹具加固。斜柱模板支撑采用钢管进行加固，斜柱模板底面及两侧面设钢管斜撑，竖向间距500 mm，模板背面采用钢管抱柱的形式同满堂脚手架进行拉结，竖向间距500 mm，保证斜柱模板的整体稳定（图4、图5）。

4.7 斜柱变形监测

经过施工模拟预调，上部结构施工时，下部已完成结构将会有向预调反方向变形的趋势，为保证变形在可控范围内，在结构施工过程中，需对已完成的斜柱进行水平向、竖向变形监测。通过对监测数据的收集，观察结构的变形趋势，根据实际变形量对还未施工楼层的施工模拟预调值进行适当调整，保证斜柱最终变形符合要求。

变形测点主要布设在建筑物的四角和变形比较敏感的部位，以能够监控建筑物的整体变形与局部变形情况为宜。本工程监测点布置在柱子位置，若有沉降缝则两边采取对称布置，塔楼的竖向位移则用L形沉降观测标志直接焊接（或者用植筋胶），塔楼水平位移则配合埋设L形棱镜。

垂直位移的测量采用Trimble DINI03电子精密水准仪进行测量，按照GB 50026—2007《工程测量规范》中二等变形测量的精度来量测，并将各观测点布设成闭合环路线联测到基点上。水平位移则采用托普康GPT-7501全站仪（1"）进行测量，观测的方法按照JGJ 8—2007《建筑变形测量规范》来量测。

图4 斜柱模板可伸缩钢制几字梁安装

图5 斜柱几字梁、抱箍紧固件加固

4.8 定期召开斜柱斜率控制分析会

总包单位在协调土建、钢构2家分包穿插施工的同时，定期组织召开斜柱斜率控制分析会，从现场管理人、机、料、法、环五大环节，运用因果分析图的形式，对问题逐一进行分析，并制订整改落实措施、时间和责任人，确保对斜柱斜率从管理上进行有效控制[3-4]。

5 结语

在异形超高层结构施工中，斜柱的斜率控制始终是工程管理的重、难点课题。在实践过程中，应结合现场实际，集思广益，大胆摸索，不断寻求突破问题的新方法、新措施，将技术、管理创新应用到实际工程管理中，为项目生产创效增益。