基于高层建筑的大体量钢结构塔冠快速安装技术

朱光强，袁内蒙，邬博亮，邓华强，袁梦影

[中国建筑一局（集团）有限公司西南分公司，四川 成都 610023]

0 引言

随着我国社会经济的不断发展，国家提出了绿色环保的发展规划，在建筑领域积极利用装配式技术。钢结构高层建筑由于绿色环保且节能的优势，充分占领了我国高层建筑市场，这也是今后建筑行业发展的主要选择[1]。随着城市高层建筑的不断增加，为展现其更美观的建筑造型，大体量的复杂钢结构塔冠不断增多，这对塔冠施工技术要求更高，如施工前期未做好充分的方案设计和技术措施分析，很难保证施工过程的质量、安全和工期控制。且高层建筑大多位于城市核心区，建筑密集，人口密集，经济繁荣，现场施工对周围的环境产生影响，塔冠施工整个过程对周围产生的所有影响都应控制在合理范围，所以，高层建筑钢结构塔冠施工技术的提升是至关重要。

1 高层大体量钢结构塔冠施工存在的问题

高层大体量钢结构塔冠施工具有安装体量大、超高、结构复杂及精准度要求高等特点。塔冠施工属于主体结构施工末期，主要位于屋面，准备阶段时有存在施工部署和方案设计不全面，吊装机械设置未结合BIM 模型做精细化分析，方案实施精准落地存在风险。施工到难点再做方案纠偏，导致工期和成本增加，严重造成安全质量事故。钢结构塔冠施工属于高空作业，构件垂直运输易受不利天气和交叉作业影响，高空的风速相比地面强劲，构件垂直运输及安装定位较难，垂直交叉作业防护及管理措施若不能满足规范要求，作业人员的施工安全和效率均不能得到保证。在有限工期条件下，多方面不利因素的制约，面临各项施工问题，施工效率、安全和质量控制均不能较好地管理。

2 高层大体量钢结构塔冠施工技术要点

2.1 BIM 技术

在塔冠钢结构施工前期的深化设计阶段，运用Tekla、Revit 等建模软件按照设计施工蓝图进行深化设计，较短时间内直观呈现出虚拟实体模型，是准备阶段的重要环节。在施工过程中使用BIM 技术，并通过相应的技术软件对施工现场进行高效模拟，能够保障钢结构部件的质量，通过这种仿真模拟，就能快速找到钢结构部件在生产制造过程中所出现的问题，充分降低企业成本。

运用BIM 软件深化建模，可以发现施工图存在的问题，如碰撞、构件错位、构件号不明确等，其次也可以提前发现一些施工上存在的困难和局限，如空间小、构件密集不利焊接操作和质量控制，技术人员可及时整理反馈至设计单位，按规范标准和施工经验提出优化建议，设计单位进行复核并回复，不会造成额外工期和成本的增加，为现场施工顺利进行奠定基础。

大体量塔冠钢构件安装需对构件分节、分段组装，结合塔冠BIM 模型和施工需求，技术人员对构件安装工序模拟和优化分节、分段，再将构件尺寸、重量准确提取，满足加工、运输和安装要求，对于部分超限构件即可提前在模型中优化调整。BIM 模型辅助优化塔冠施工方案，清晰体现施工重难点，辅助技术人员制定针对性解决措施，通过塔冠BIM 模型为整个塔冠及屋面工程施工进行方案设计和比选，为实施编排施工大计划，工序穿插、人员、机械及材料投入提前摸排，实现施工过程精细化管理。

通过BIM 技术建模实现问题前置化解，结合施工需求对构件合理分节，运用Tekla 深化设计软件对构件深化，在工厂进行钢构件精确下料和加工制作，按现场安装顺序进行分区、分批加工制作，构件上贴二维码和喷涂构件编号，加工过程质量检查精准复核，有助于构件运输及卸车有序堆放和材料清点，半成品构件有序运往现场，现场实际安装构件不错位、不错吊，对整个施工过程的效率和质量控制至关重要。安装人员提前熟悉塔冠BIM 模型，快速了解塔冠构件工况和布局，辅助构件安装准确定位，同步提升塔冠钢构件安装的精准性和施工效率。

2.2 工厂及地面大构件拼装技术

塔冠钢构件满足建筑造型需求，具有钢构件大、安装高度较高，施工难度和风险较高，构件布置不规则等特点[2]。对此，如何减少塔冠钢构件现场高空作业的拼接量、加快安装效率、提高施工质量和安全性是当前施工技术必须重视和思考的问题。结合项目实际，采用构件预拼装技术，将部分零散构件焊接为大构件，整体吊装至屋面塔冠安装，主要分为工厂拼装和施工现场地面拼装。首先，工厂大构件拼装技术在工厂进行，其加工条件、机械设备和制作等均比施工现场完善，钢构件预拼、组拼需要严格的控制钢构件的尺寸、角度及焊缝质量，精准度控制要求严格，需吊车、胎架及制作工人的紧密配合才可实施，满足工厂制作能力、运输及现场安装的条件下，大构件拼装优先选择在工厂进行，一定程度减少零散构件的现场组拼焊接。其次，现场地面大构件拼装技术，较大构件运输会超限限制，非特殊工程或重要不可分节点不宜进行超限运输，超限运输经济成本高，运输过程管理难。对此，在满足机械吊装性能和安装条件下，地面大构件拼装技术宜选用，在施工现场规划一块作业面，地面焊接操作胎架，运用塔吊或汽车吊等机械控制构件角度及移动作业，地面进行部分特殊构件的拼装和焊接，经构件尺寸复核和无损检测无误后整体吊装至塔冠安装，减少垂直运输吊次数量和屋面塔冠安装焊接量。综合运用工厂和地面大构件拼装技术，将部分零散构件提前进行合理组合焊接，减少钢构件的安装吊次，减少现场高空焊接的工作量，降低高空焊接作业造成的环境污染和对市民生活及工作的影响，塔冠钢构件施工质量、安全及工期管理更为受控，综合效益提升显著。

2.3 钢构件串吊技术

钢结构塔冠具有造型复杂、构件数量多及布置不规则等特点，受安装和运输等因素限制，很大部分构件还是不能在工厂或现场地面组拼，如斜支撑、弧形梁、较长构件、组合极为不规则构件等，还需单个构件吊运至塔冠安装焊接，那么现场施工会遇到构件垂直运输占用时间长的问题。高层建筑钢构件垂直运输主要通过塔吊完成，如一栋建筑高度为250m，塔吊一个吊次上下所用时间长达50min，不含起吊和放勾时间，相比常规建筑运输速度较慢，在有限的机械设备条件下如何提高垂直运输效率是关键。对此，结合塔吊的吊重性能可采用钢构件串吊技术，将3 至6 根钢构件用钢丝绳卡口与钢构件的吊耳连接，由下往上排列一次起吊，多个构件同时吊运屋面塔冠安装，垂直运输效率大大提高。串吊技术的运用，机械性能及吊装利用率最大化，降低了施工能耗损失，强化施工现场绿色施工和精细化管理。

2.4 观测技术

高层塔冠钢结构施工应编制针对性测量施工方案，测量技术直接影响到构件定位的精准性和安装质量。构件在吊装过程中应确保吊装进程受控，防止与已有结构发生碰撞，分区、分阶段对安装的钢构件进行定位及标高复核，防止发生较大累计偏移等，保证施工安全和施工质量尤为重要。

观测前需要找准基准点，并在观测过程中保证基准点的稳定，尽量避免因施工等原因影响基准点，导致长时间观测受阻。观测设备通常为经纬仪、全站仪和水准仪等，既具有足够的观测精度，又轻便灵活，不妨碍施工的正常进行。观测人员应当在重要的施工过程中进行全程观测，并及时复核、反馈观测结果，以便及时发现并纠正施工过程中可能出现的构件位置偏移。施工过程对每一构件安装定位精准观测，控制塔冠构件安装产生的累计误差，提高构件一次安装成功率，实现塔冠快速安装和观测管控。

2.5 码板与连接板组合构造节点快速安装技术

塔冠钢构件数量多和交错不规则布置特点，且属于高空作业，风和雾等不利天气均会影响安装，安装过程构件之间容易发生碰撞，构件安装定位临时连接阶段牢固性较为薄弱，施工过程容易诱发安全质量事故。若钢梁定位复核、焊接拼装完成再让塔吊取勾进行下一钢构件安装作业，施工效率就极为缓慢，若采用连接板焊接固定则不利于构件偏差调整。对此，需解决钢构件定位临时连接阶段的可调整性和可靠性问题。

结合塔冠的结构布置和构件体量，设计一种码板与连接板组合措施构造节点，原理借鉴于钢柱现场柱拼接和钢梁现场安装做法[3]，H 型钢梁、箱型梁的码板和连接板均设置于端部上翼缘，圆形钢管梁的码板设置于端部上方，连接板设置于端部侧面，安装时码板与另一端与连接构件搁置或临时焊接，防止构件外力作用下发生水平或竖向滑移。吊装到位后进行构件定位校核、连接板安装螺栓拧紧即可取勾，进行下一构件安装，不用等到焊接完成了再进行下一构件安装，过程中存在某一构件存在偏位均可较好调整，整体构件定位均无误后将码板四周围焊，方可进行构件的焊接组拼，焊接组拼完成后将码板切除，连接板及安装螺栓周转到下一构件使用，对塔冠构件安装效率有效提升，也能保证构件安装的安全和质量，同时此构造连接板及安装螺栓周转使用，符合绿色环保施工理念，有效降低因构件安装偏差大造成返工情况，对复杂大体量塔冠的实体准确性呈现提供了有效保障。

2.6 塔冠安装阶段划分与机械安拆转换技术

对于高层建筑大体量塔冠安装施工，吊装机械的方案布置、选型和塔冠构件分段、分节是关键，安装阶段划分和机械的安拆转换协作是重难点，如果在实施前没有对整个塔冠施工进行方案模拟分析，容易导致塔冠施工不能顺利进行，严重还会出现安全质量事故和经济损失。

塔冠安装分区阶段流水施工划分尤为重要，利用屋面混凝土强度养护或机房层结构施工时间，尽可能完成可施工屋面面饰层以下施工做法，完成屋面排水和防水施工有利于室内装饰装修工程的穿插施工。大体量复杂塔冠施工周期相对施工周期长，随着钢构件的安装，需搭设满堂脚手架，以满足钢构件安装的安全作业条件，满堂架一般需在塔冠面漆、幕墙等装饰立面造型等施工完成了才可拆除，若待架体拆除后再施工屋面工程，对项目的整体工期管控较为不利。塔冠施工分区主要由塔吊机械和塔冠自身体量等因素相互影响，平面分区分阶段安装，构件吊装、安装、定位、焊接和油漆等各工序形成流水作业，机械和人力资源投入都得到最高效利用。有效减少竖向垂直交叉作业，提高施工人员的安全保障。竖向钢构件分节，主要由塔吊吊装性能和构件作业合理分节点，一是满足构件的正常起吊和安装，其次满足构件焊接位置的作业条件和规范要求，再次是满足塔吊安拆转换。综上，塔冠钢构件的阶段划分合理性不仅影响塔冠自身的施工周期及安全作业，还影响着整个项目的各工序穿插和工期管理。

高层钢结构施工的垂直运输机械配置主要为塔吊，对于钢结构施工来说，采用塔吊，可以有效缩短施工时间、节约施工成本[4]。大体量的钢结构塔冠优先选用动臂塔吊，优点是吊重大，可减少构件分节，大臂角度可变，结构与塔身高度影响相对平臂塔吊要小，屋面主体结构施工前要提前考虑塔吊基础定位和荷载，对屋面结构进行可行性验算和加固设计，为减少加固费用投入和二次不必要拆改，可选屋面主体结构或塔冠的插窗机轨道梁作为基础面，在混凝土结构屋面作为塔吊基础，在满足承载力条件下，可选用钢埋件与混凝土浇筑一次预埋，稳定性相对更好，不影响屋面使用和质量可不用拆除；也可采用装配式移动式基础，优点是可循环使用，经济且环保，具体设计方案要结合塔基性能和屋面结构特点。若在塔冠插窗机轨道梁作为塔吊基础，应在轨道梁上设计塔基基座截面加强和接触面加大设计，在塔冠钢构件深化阶段完成。基础的设计应由有资质的设计单位出具，并附有相应的计算书，相关体系施工方案结合国家及属地要求通过专家论证和审批完成才可实施。塔吊选型和布置应遵循以下两点原则，一是要与塔冠构件分节重量要匹配，满足构件的吊装和设计需求，二是要考虑塔吊顺利拆除落地，大塔吊安装小塔吊，小塔吊拆大塔吊，逐个转换递减，补缺塔吊占位钢构件，最后一步常规配置拔杆吊，吊装完后通过自身解体成零散部件，由施工电梯运输至地面。塔冠钢构件一是要分节分段应满足塔吊的吊装性能，二是分阶段安装和塔吊的安拆顺序相契合，通过塔吊选型布置和塔冠构件的合理分节分段安装双优化，落实精细化管理，实现钢结构塔冠的快速施工。

3 结论

本文通过项目施工实践和施工总结，主要基于BIM 技术、构件拼装技术、串吊技术、快速安装节点及机械安拆转换技术的综合运用，形成深化、加工和安装完成一体系的快速安装施工技术，可较好提升施工质量和效率，使安全管理更有保障。部分钢构件在工厂组拼焊接，可减少现场的焊接作业量，降低施工过程的大气污染，符合绿色环保的施工要求；机械吊装合理最大化，减少能耗浪费；快速安装节点设计、结合BIM 模型安装模拟及机械的安拆转换，确保了施工顺利完成。当然，不同高层建筑都有差异性，如外界环境、结构设计和功能性质等，施工技术的运用各有差异，应结合高层建筑特点选用针对性施工措施，克服现场施工不利条件，运用先进的科学技术和精细化项目管理，实现项目管理降本增效。随着城市建设高层建筑的不断耸立，施工技术提升和发展势在必行，该研究成果具有较大的推广应用价值，对类似工程建设提供较好的参考价值。