高大空间钢屋盖多专业一体化同步提升技术

吴 彪 向 前 唐 荣 邓正宁 廖文涛

中建三局第一建设工程有限责任公司 湖北 武汉 430040

随着会展场馆等高大空间建筑的迅速发展，建筑功能及结构设计愈发复杂，需要开发出更加新颖的施工技术、安装技术[1-2]。这类建筑屋盖附属的机电管线及金属屋面通常采用高空车或满堂架安装，存在施工作业面受限、材料运输困难、工人工效低、工期长、成形质量无保障、高空作业风险大等问题，措施费、劳动力等施工成本增加。为了解决高大空间多专业施工组织不清晰、工序穿插不及时及平面布置协调难等问题，本文依托珠海国际会展中心二期项目进行了高大空间钢屋盖多专业一体化同步提升技术研究。

1 项目概况

珠海国际会展中心二期项目二标段地处澳门与珠海交界的十字门CBD，集高端会展、会议及宴会功能为一体，是珠三角功能最完善、配套最齐全、设施最先进的专业场馆。展厅采用国内首创的上下2层72 m大跨钢箱梁叠加布置，为典型的大跨重载结构。

1.1 钢结构概况

项目展厅钢结构采用全球罕见的72 m大跨度薄腹板加劲大跨钢箱梁上下2层叠加布置，钢屋盖面积7 776 m2，屋盖共11榀钢箱梁，最大梁截面3 800 mm×2 350 mm，单榀约270 t，总重约3 466 t。

1.2 机电安装概况

钢屋盖全部采用钢箱梁加小梁的形式。通风及空调系统主要包括空调水系统、空调风系统、通风系统；消防系统主要包括消防水系统、火灾自动报警系统、气体灭火系统、防排烟系统。钢屋盖下方共有风管系统管线35条，共计1 750 m2，消防水管系统主管8条，共计545 m，机电管线位于钢箱梁下弦次梁下方，最高安装高度达37 m。

1.3 金属屋面概况

金属屋面位于钢梁上方，为铝锰镁金属屋面，主要提升内容包括基层龙骨、压型钢板。钢结构在地面逐根拼装完成后，进行型钢支架、金属屋面基层龙骨及压型钢板的施工。金属屋面随钢结构同步提升的总面积约为5 186 m2。

2 高大空间钢屋盖多专业一体化同步提升技术

2.1 主要技术方法及工艺

钢结构在地面逐根拼装完成后，进行防火涂料、机电安装消防管、型钢支架、金属屋面基层龙骨及压型钢板的施工。全部内容完成后，钢屋面整体离地脱模100 mm，静置12 h进行全面检查，待正常无误后，继续提升至离地面3.5 m标高，悬停8 h，插入风管安装施工。各工序进行分项工程验收并通过后，整体同步提升至设计标高。经准确定位后与柱顶钢箱梁预留段进行焊接，焊缝探伤检测合格后，最终完成分级卸载工作，并完成管线软连接安装，如图 1所示。

图1 “两悬停一就位”施工流程

2.2 钢屋盖体系智能化提升

为解决高大空间钢屋盖同步提升的难题，项目采用超大型液压同步提升技术。通过利用提升设备以及计算机控制（图2），结合液压同步原理，将大型构件提升到预定安装位置，实现大吨位、大跨度、大面积的超大型构件高空整体同步提升[3-4]。

图2 计算机控制原理

提升前采用SAP2000和Midas软件对结构进行提升全阶段分析，对施工全过程的不同阶段进行模拟分析验算；提升中结合TLJK-01型计算机变形监控系统数据进行对比，通过高频调理模块不断采集综合测量点的应变信息，在计算机端定期比较多点测量值误差和安全值的偏差，并给出结构件属于正常、警告或报警的工作状态提示，对全时段全过程钢屋盖、提升架及结构柱进行监测，从而确保提升过程安全可视化，实现安全快捷的整体提升。

3 钢屋盖＋机电＋金属屋面多专业平面施工组织

大跨空间钢结构整体提升施工技术集合了机、电、液、计算机控制论等多学科高新技术于一体，结合现代施工工艺，实现超大、超重型构件的大跨度、超高空整体提升[2]。本项目多专业一体化同步提升涉及钢结构、机电、金属屋面三大专业同时在展厅区域施工，需对平面组织重点策划及管理，合理规划钢构件运输通道、吊车站位，各专业堆场，待提升区为钢构拼装场地，剩余区为钢构、金属屋面材料堆放场地及吊车作业区。

现场平面组织分为钢梁拼装阶段平面布置及悬停阶段平面布置：

1）拼装阶段平面布置：钢梁拼装、液压提升装置安装、涂装施工、机电后台深化设计、支架及管线预制、消防管穿插施工、金属屋面底板穿插施工等。此阶段主展区主要用于钢结构作业，其他堆场或加工区布置在展厅两侧。

2）悬停阶段平面布置：风管运输轨道铺设、风管安装。此阶段展区内重点进行风管安装。

根据现场场地布置“三区四通道四堆场”（2条车辆运输通道、2条行人通道、3个加工区，4个堆场区），如图3、图4所示。

图3 钢梁拼装阶段平面布置

图4 钢梁悬停阶段平面布置

4 多专业一体化提升变形分析

4.1 整体提升模拟分析

展厅钢梁采用一体化同步提升方法进行安装，在安装过程中由于展厅钢结构跨度较大，结构各提升点同步上升过程中存在一定程度的高度偏差。模拟计算时，以各提升点不同步位移最大误差50 mm，同时保证不同步吊点提升荷载误差在20%左右为标准，对结构提升模型进行不同步提升校核。提升工况下，荷载主要为构件自重（未达到设计荷载），采用Midas Gen有限元分析模拟变形情况如图5、图6所示。

图5 提升工况下结构下挠

图6 卸载工况下结构下挠

由上述工况分析结果可知，结构整体提升时，结构最大下挠为41.8 mm，机电管线等其他变形按41.8 mm进行控制。

实际提升工况分为100 mm脱模、提升2.0 m装完风管及卸载3个阶段，荷载主要为构件自重，经此3阶段后，实测变形情况如图7所示。

图7 不同工况下钢箱梁挠度曲线

实测提升工况下，钢箱梁提升过程中最大下挠变形为41 mm，小于模拟变形41.1 mm；卸载时实测变形为44 mm，略大于模拟变形41.8 mm；变形均在可控范围内。

通过计算分析，可以得出以下结论：

1）大跨度钢箱梁在拼装安装完成后，提升脱模100 mm，悬停12 h提前让钢梁在自重下进行下挠变形。经现场实际测量，大跨度钢箱梁最大下挠度与计算模拟变形值基本一致，满足大跨度钢箱梁预起拱变形下挠值要求。

2）机电管线按提升工况下模拟值41.8 mm进行控制，可满足提升阶段的实际变形要求。

4.2 机电管线变形分析

4.2.1 消防水管变形分析

采用Midas Gen有限元分析模拟计算消防水管随钢箱梁变形情况如图8、图9所示。

图8 消防管应力云图

图9 消防管位移曲线

根据计算结果可知，节点间（消防管每6 m一节）最大位移相差为10.5 mm，消防管最大应力30.5 MPa，小于Q235钢材的屈服强度205 MPa。

针对消防水管的变形，做出如下控制措施：

1）根据钢箱梁变形曲线在跨中设置可挠性金属软连接件点并在主管地面安装时预留后装。

2）在钢箱梁提升就位、卸载完成后进行可挠性金属软连接件安装，并在金属软接头的一侧设置固定支架固定[3-4]，如图10所示。

图10 消防水管连接处安装

4.2.2 风管变形控制

根据GB 50243—2016《通风与空调工程施工质量验收规范》，明装水平风管安装时，水平度的允许偏差为3‰，

总偏差不应大于20 mm。本次吊装的风管最长为24 m，经计算总偏差为72 mm，大于20 mm，故按照不大于20 mm偏差控制。因风管在钢梁脱模并提升3.5 m后安装，此时钢梁已充分变形，风管仅考虑自身变形即可。

深化设计时，展厅风管由两侧功能房间向展厅送风。为了减少单根风管长度，让其长度控制在24 m以内，将风管在钢梁跨中断开，安装时通过调整支架间距及支架水平度控制风管变形。

4.3 金属屋面形分析

采用Midas Gen有限元分析模拟计算金属屋面随钢箱梁变形情况如图11、图12所示。

图11 金属屋面应力云图

图12 金属屋面位移图

通过上述有限元分析结果可以得出：金属屋面最大应力6.3 MPa，小于Q250钢材的屈服强度250 MPa，最大竖向位移发生在中间跨位置，为35.752 mm。

金属屋面变形控制措施如下：

1）金属屋面工序较多，短时间内无法完成施工，仅进行底层镀铝锌压型钢板提升；隔汽层、保温层、面层檩条、铝镁锰面层等工序在提升完成后施工。

2）通过计算结果为依据，提前在金属屋面底板安装时预起拱30 mm。

3）为适应提升过程中主体钢结构变形，主檩条与主檩条之间采用套芯件连接，使2根檩条之间预留宽15～20 mm缝隙，自由伸缩，减少固接，降低对金属屋面的影响，如图13所示。

图13 主檩条套芯件连接示意

5 结语

项目创新运用高大空间钢屋盖多专业一体化同步提升技术，解决了常规工程多专业深化设计不协同、专业施工难协调、资源组织滞后等问题，大大降低了机电安装、金属屋面施工难度，实现了钢结构、机电工程、金属屋面3个专业一体化提升、整体就位，达到了提高成形质量、缩短工期、减少安全风险的目的。钢屋盖提升累计完成3 466 t钢结构、85 t管线、73 t金属屋面提升，同常规施工组织相比，节省了工期约98 d，节约成本费用约339.6万元。

通过对高大空间钢屋盖多专业一体化同步提升技术的研究和成功应用，提升了高大空间会展场馆类项目精益建造的应用能力，填补了高大空间钢屋盖体系下机电管线、金属屋面地面安装施工的空白，为国内大型会展场馆类项目建造提供参考，推动了行业内的技术水平提升，具有良好的推广应用前景。