大跨度异型钢结构安装施工技术

大跨度异型钢结构安装施工技术1.前言近年来大空间公共建筑在城市大量涌现，如体育馆、会议展览中心、大型剧院、车站候车大厅等，该类结构多采用异型钢结构设计，建筑立面复杂多样。针对这种结构体系建筑安装工程集团有限公司和第七十二工程有限公司共同成立课题小组，开展大跨度异型钢结构安装综合施工技术研究，总结出《大跨度异型钢结构安装施工技术》。该技术关键技术包括大跨度异型钢结构工程模块化技术、大跨度桁架预拼装及空间多杆件同步预起拱技术、多构件BIM仿真及构件信息识别技术、异型钢结构吊装过程精度控制技术、异型钢结构临时支撑设置及卸载技术、项目管理软件（MSProject）项目管控技术等。2.技术特点2.1采用电脑模拟技术，将钢结构工程整体分成若干个即独立又相互联系的模块或单元，进行编码识别，确定组装、吊装，空中对接和拼装顺序。2.2采用定制式钢结构临时支撑，由工厂加工，精度高，便于组装和拆卸，保证了支撑的可靠性。2.3应用BIM技术，建立钢结构三维模型，模拟钢结构安装过程，对施工过程进行预控，保证安装精度和进度。2.4利用项目管理软件（MSProject）进行项目管控，优化配置施工资源，对工期、成本进行预控，提高了施工资源的利用率，降低了施工成本。3.适用范围本技术适用于大跨度异型钢结构工程的施工。4.工艺原理根据大跨度异形钢结构特点，在分析结构受力、现场条件和吊装设备配置的基础上，按钢构件空间分布和受力状况，采用电脑模拟技术，按由点到线，由线到面的原则，将钢结构工程整体分成若干个即独立又相互联系的模块或单元，同时应用BIM技术，建立钢结构三维模型，模拟钢构件组装、吊装和空中对接拼装过程，对施工过程进行预控，并利用项目管理软件对施工资源进行优化配置，使大跨度异形钢结构工程安装过程可控，保证了安全、质量、工期和成本目标的实现。5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程工艺流程见图5.1-1。图5.1-1大跨度异型钢结构安装施工流程图5.2操作要点5.2.1大跨度异型钢结构工程模块化技术1、整体模型的建立通过电脑将整个混凝土结构及钢结构进行虚拟建模，便于观察分析。主体混凝土结构建模只需形成一个整体，钢结构模型需要细化至单独的杆件，便于拆分及编码。2、模块的划分钢结构造型呈五边形结构，角点至中心的整体骨架作为一个单独的模块系统，剩余的按照五边形各边相同的原则划分为五个模块，五个模块包括的结构有钢梁，杆件及檩条及拉杆。模块的建立使施工段的划分更为清晰，在模块建立后，对模块内的工作量进行统计，并作出书面的汇总表，用于后期比对使用。3、钢构件吊装内容合理分配对钢结构系统进行分析，合理的布置钢构件吊装的内容，能整体吊装优先整体，需要分散吊装的进行分散。考虑的内容应注意安装顺序，先钢柱，后骨架，再细部。5.2.2大跨度桁架预拼装及空间多杆件同步预起拱技术1、现场放样、绘制大样图（工厂加工）在平整的地面放出一个42m长的桁架立面图，应标注垂直腹杆、斜腹杆及上下弦及起拱度，然后搭设H钢平台并找平。2、杆件预起拱方式（工厂加工）杆件因起拱原因，下弦和上弦下料应加长15mm，从中心往两边分，H型钢2m长一段用焊枪进行烘烤起拱，自然冷却后，进行起拱及尺寸检查。

3、预拼装控制（工厂加工）预拼装完毕并经检查合格后，编号、标识，并在构件上标注上下定位的中心线；先做下弦起拱，再做上弦起拱，固定后安装腹杆；预拼装时，安装构件间节点连接板后，采用螺栓连接。5.2.3多构件BIM仿真及构件信息识别1、构件信息识别通过BIM技术应用，对施工设计的进一步深化，每根构件以参数化的形式表现，进行条形码标识，将条形码数据输入计算机系统进行分类、统计、分析、处理。构件安装时，扫描条形码，对整个系统进行精细控制，保证了钢结构工程构件安装准确、有序。2、现场与加工厂实现网络同步现场安装的条形码系统与加工的条形码系统统一，条形码输入计算机系统后，自动转入公司ERP材料模块，实现加工厂与现场之间的材料管理同步。3、多构件BIM立体仿真利用电脑模拟施工，对整个钢结构进行建模，对施工中每个阶段进行预演，通过虚拟预制连接件吊装的模拟，提前发现施工存在的碰撞和冲突，达到提前预知的效果。通过施工现场进度形象、具体、直观的模拟，便于合理、科学地制定施工进度计划，直观、精确地掌握施工进度，全盘的控制，缩短工期，降低施工成本。5.2.4异型钢构吊装过程测量控制1、建立钢结构测量控制网合理布置测控点，对观测点和测量标记进行保护，并定期复测和检查，确保测量精度和可靠性。2、制定测量监控方法采用一点观测多点检验的重复手段，进行观测和复核工作，同时将测量成果及时汇集整理归档。在此基础上，通过双站共同测绘的方法，保证钢柱节点控制的精度。3、运用计算机分析将监控测得到的数据输入电脑，利用软件的功能直观的显示出钢结构变形曲线，通过与理论变形曲线的对比，直观的显示出当前钢结构变形是否在可控状态。5.2.5异型钢构临时支撑设置及卸载1、金属顶桁架梁成五角星形状，共五榀梁，跨度相同，重量相同，每榀梁分成三段吊装，两端重量7.7t，中间一段4.2t，平面吊装半径如图5.2.5-1所示，吊装最大半径62m；考虑到吊钩及吊索重量，按照9t配置履带吊。经过分析，选用300t履带吊，采用72m主臂+36m副臂，按照SWSL工况，满足构件吊重要求，同时考虑剧院附属楼层结构高度对吊臂的影响。2、桁架梁支撑胎架（1）胎架设置平、立面布置见图5.2.5-1、图5.2.5-2。图5.2.5-1胎架设置平面布置图1-千斤顶；2-胎架；3-桁架图5.2.5-2胎架立面布置图（2）胎架搭设将采用由框撑式临时支架，本支撑设计为标准节的形式，标准节尺寸为2m（长）×2m（宽）×1.5m（高），采用Q235钢管焊接而成，标准节主肢为φ89×4钢管，标准节之间采用法兰连接，可以拆卸为单片方框，运输方便。标准节支撑见图5.2.5-3。图5.2.5-3标准节支撑图标准支撑架组件A组件B组件C图5.2.5-4标准支撑架组装示意图3、钢结构卸载根据“变形协调，卸载均衡”的原则，将通过放置在支架上的可调节点支撑装置千斤顶，多次循环微量下降来实现“荷载平衡转移，卸载的顺序为由中间向两边，中心对称进行。（1）在卸载过程中由于无法做到绝对同步，胎架支撑点卸载先后次序不同，其轴力必然造成增减，应根据设计要求或计算结果，在关键支架支撑点部位，必要时放置检测装置（如贴应变片）等，检测胎架支点轴力变化，确保临时支架和桁架的安全。（2）在卸载过程中，必须严格控制循环卸载时的每一级高程控制精度，设置测量控制点，在卸载全过程进行监测，并与计算结果对照，实行信息化施工管理。（3）桁架增设临时胎架（拼装支点），其状况相当于给桁架增加节点荷载，而临时支座分批逐步下降，其状况相当于支座的不均匀沉降。这都将引起桁架结构内力的变化和调整。对少量杆件可能超载的情况应事先采取措施，局部加强或根据计算可事先换加强杆件。为防止个别支撑点集中受力，宜根据各支撑点的结构自重挠度值，采用分区、分阶段按比例下降或用每步不大于10mm的等步下降法拆除支撑点（临时支座）。（4）为避免屋面桁架梁承重过大，胎架在次构件安装前卸载，结构在拆除胎架后，保证桁架的设计初始位置相吻合，同时桁架落位过程是使屋盖桁架缓慢协同空间受力的过程，此间，桁架结构发生较大的内力重分布，并逐渐过渡到设计状态，因此，桁架落位工作至关重要，必须针对不同结构和支承情况，确定合理的落位顺序和正确的落位措施，以确保桁架安全落位。拼装支撑点（临时胎架）拆除的原则：拆除临时支座实际就是荷载转移过程，在荷载转移过程中，必须遵循“变形协调、卸载均衡”的原则。不然有可能造成临时支撑超载失稳，或者桁架结构局部甚至整体受损。因为施工阶段的受力状态与结构最终受力状态完全不一致，必须通过施工验算，制定切实可行的技术措施，确保满足多种工况要求。临时胎架的卸载方案：根据“变形协调，卸载均衡”的原则，将通过放置在支架上的可调节点支撑装置千斤顶，多次循环微量下降来实现“荷载平衡转移，卸载的顺序为由中间向两边，中心对称进行。”a、在卸载过程中由于无法做到绝对同步，胎架支撑点卸载先后次序不同，其轴力必然造成增减，应根据设计要求或计算结果，在关键支架支撑点部位，必要时放置检测装置（如贴应变片）等，检测胎架支点轴力变化，确保临时支架和桁架的安全。b、在卸载过程中，必须严格控制循环卸载时的每一级高程控制精度，设置测量控制点，在卸载全过程进行监测，并与计算结果对照，实行信息化施工管理。c、桁架增设临时胎架（拼装支点），其状况相当于给桁架增加节点荷载，而临时支座分批逐步下降，其状况相当于支座的不均匀沉降。这都将引起桁架结构内力的变化和调整。对少量杆件可能超载的情况应事先采取措施，局部加强或根据计算可事先换加强杆件。为防止个别支撑点集中受力，宜根据各支撑点的结构自重挠度值，采用分区、分阶段按比例下降或用每步不大于10mm的等步下降法拆除支撑点（临时支座）。d、卸载步骤：先在支撑胎架底部的槽钢下垫好规格为δ20、δ30不同厚度的垫板；在支撑胎架上的槽钢上架设千斤顶；根据支撑胎架每步的卸载量，将支撑胎架的下端割除；根据每次的卸载量，抽掉相应厚度的垫板；千斤顶统一下降，开始卸载；卸到预定位置，即垫板紧顶胎架下端槽钢后移走千斤顶，开始另一批支撑胎架的卸载工作；循环反复，直至卸载完毕。卸载应注意事项：落位前需检查可调节支承装置（千斤顶）的下降行程量是否符合该点挠度值的要求、计算千斤顶行程时要考虑由于支架下沉引起行程增大的值，据此余留足够的行程余留量（应大于50mm）。关键支撑点要增设备用千斤顶，以防应急使用。落位过程中要“精心组织、精心施工”，要编制专门的“落位责任制”，设总指挥和分指挥分区把关；整个落位过程在总指挥统一指挥下进行工作。操作人员要明确岗位职责，上岗后按指定位置“对号入座”。发现问题向所在区域分指挥报告，由分指挥向总指挥报告，由总指挥统一处理问题。用千斤顶落位时，千斤顶每次下降时间间隔应大于10min为宜，以确保结构各杆件之间内力的调整与重分布。五级风以上、中雨以上或雷雨天气禁止进行卸载工作；夜间暂时停止卸载作业，并做好技术交底、安全交底等各项工作。因设计值不一样,所以每一轴线的卸载数值均不一样,在卸载过程中,对每一级每一轴线均进行变形监控。在全部卸载完后，对结构进行高程监控，做好变形测控，保证结构安全和符合设计要求。卸载测量监控：卸载监测以变形监测为主，包括对主体结构的监测及对临时支撑的监测。a、监测手段：现场设置测量控制点，对现场进行动态实时监测。同时采用刻度对比的方法观测每个胎架的卸载量。卸载完毕后再采用全站仪进行全面测量。b、监测的时机和步骤：在卸载过程中，每一个卸载步骤前后测试一次。如果有特殊需要，可以对测试时间进行加密。卸载监测以变形监测为主，包括对主体结构的监测及对临时支撑的监测。现场设置测量控制点，对现场进行动态实时监测。同时采用刻度对比的方法观测每个胎架的卸载量。5.2.6钢结构现场焊接控制1、根据构件的接头形式和大量高强度低合金钢的焊接特点，现场焊接采用“半自动CO2气体保护焊+手工电弧焊”相接合的方法。并根据钢板厚确定焊前预热和焊后加热方式；当板厚＞36mm时，采用电脑控温电加热方式；板厚≤36mm时，采用火焰加热。红外线测温仪测量控制层温，以确保焊接质量。2、焊接过程中，对结构标高、水平度、垂直度进行监控。发现异常立即暂停，改变焊接顺序和采用加热校正措施进行特殊处理。5.2.7高强螺栓施工1、工程所使用的高强螺栓的钢号及螺母、垫圈应符合现行国家标准《钢结构用抗大六角摩擦型高强度螺栓连接副》（GB/T3632）的规定，摩擦面抗滑移系数为μ≥0.40。高强螺栓安装前，构件采用临时安装螺栓进行临时固定，待高强螺栓完成部分安装时，拆除临时安装螺栓，替换高强螺栓。2、高强度螺栓安装工艺高强度螺栓的连接施工包括节点处理、螺栓安装、螺栓紧固、拧紧顺序和紧固方法等五个主要控制环节与步骤。安装高强螺栓偏差较大时的处理方法：当打入过镗冲对齐节点板上下螺栓孔，其余螺栓孔大部分不能自由穿入时，先将可自由通过的螺栓孔用临时螺栓拧紧后，对不能自由穿入绞刀扩孔，然后再穿入高强螺栓。（扩孔后的直径不得大于原直径的1.2倍）。5.2.8预埋件安装措施预埋件施工是整个钢结构安装的关键所在，因此在钢结构施工过程中有一个很好的开端是工程施工质量的保障。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的轴线再测放出每一个埋件的中心十字交叉线和至少两个标高控制点。地脚螺栓支架采用∠125X80X12角钢作为主要材料，支架全部在工厂进行加工制作。利用定位线及水准仪使固定支架准确就位后，将其与柱子周围的钢筋上，形成上下两道井字架，支托地脚螺栓，锚栓安装后对锚栓螺纹做好保护措施，最后一次浇筑混凝土时,应对地脚螺栓进行检查，发现偏差及时校正。5.2.9利用项目管理软件（MSProject）进行项目管控1、资源调控手段：利用软件的资源编辑功能，根据节点需要的人员进行排演，与现场现有资源进行比对，得出是否可行，保证资源最大化利用。2、经济效益对比：利用软件的成本统计功能，对各节点处各项经济指标进行比对，对发现异常的状况进行及时调整。3、施工进度跟踪：利用软件的进度跟踪功能，对各节点的进度要求进行及时检查，从中找出关键内容，对现场施工进行指导。5.3劳动力安排劳动力组织情况见下表5.3-1。表5.3-1劳动组织表序号单项工程所需人数备注1管理人员20现场施工管理2塔吊司机2设备操作3履带吊、汽吊司机4设备操作4吊车指挥6设备指挥5电焊工10结构焊接6电工1临电维护7钳工10钢结构安装8其它安装人员30配合钢结构安装6.材料与设备6.1材料钢结构安装工程的主材为焊接材料、螺栓、油漆等，所有的结构用材，都必须在材料进场前做好必要的材料复验和技术参数确认工作。钢结构安装工程辅材为氧气、乙炔、临时连接螺栓、动力用料、安全维护设施及吊装索具等。6.2设备表6.2-1主要施工设备表序号机具名称型号单位数量使用部位1塔吊QZT63台1钢结构吊装2履带吊350t台1钢结构吊装3汽车吊50t台1钢构件拼装4电焊机台10焊接5千斤顶台10钢结构卸载7.质量控制7.1质量标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205《建筑钢结构焊接规程》JGJ81《粗直径钢丝绳》GB/T20067《建筑施工塔式起重机安装、使用、拆卸安全技术规程》JGJ1967.2质量控制措施7.1.1建立项目质量保证体系，在项目经理的领导下，由项目技术负责人具体负责质量管理工作，制定出总体质量控制节点和各节点的质量控制程序及措施，严格按程序办事。7.1.2在影响过程质量的关键点、关键部位设置质量管理点，成立控制小组，按照PDCA循环过程开展质量管理活动。7.1.3安排专人按设计图纸、规范及制作厂质检报告单，对构件的质量进行验收检查，做好检查记录确保质量后才可吊装。7.1.4对提供的定位轴线，会同建设单位、监理单位及其他有关单位一起对定位轴线进行交接验线，做好记录，对定位轴线进行标记，并做好保护。复测完成后，测放支座节点的轴线位置与标高及主桁架定位轴线和定位标高。7.1.5施工过程中对每个焊缝均要进行严格的检查验收、复验等工作。7.1.6施工中要定期进行钢结构的观测，发现问题及时报告，复查合格后方可进行下部工作。8.安全措施8.1施工过程中严格执行国家安全生产法律法规及质量、环境、职业健康和安全管理体系要求。制定安全管理目标，完善安全管理制度，建立健全安全管理体系。8.2明确各级管理人员的安全生产责任，严格执行各工种安全技术操作规范。8.4严格按照专项方案执行安全措施、文明施工保障措施，危险控制措施及事故的应急预案。8.5要在施工人员中树立安全第一的思想，认识到安全文明施工的重要性，做到每天班前检查、班后总结，所有施工人员必须严格遵守现场作业安全规章制度。施工前逐级进行安全技术交底，其交底内容针对性要强，并做好记录，并明确安全责任制。8.6加强施工中的安全信息反馈，消除施工中的事故隐患，使安全信息反馈迅速。8.7在钢结构吊装过程中，临时支撑架四周搭设防护