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1、大角度多步倾斜钢框体系自平衡施工工法1 前 言钢结构是公共建筑的主要结构形式，尤其是在一些大跨度、大空间的建筑中。相对于混凝土结构，钢结构有承载力大、自重小、抗震性能好等优点，对一些大倾角、大悬挑的结构而言有着混凝土结构无法替代的优势。而往往大倾角、大悬挑的钢结构安装是整个施工的重难点，特别是多步外倾斜的大倾角结构，其安装所要求的进度、质量、安全等均是现代钢结构安装技术所必须解决的难题。本工法以东南国际航运中心总部大厦37地块A、B座工程B10区大角度多步倾斜钢框结构（悬挑长度24m，重285.4t，倾斜角度达61）为对象，对大角度多步倾斜钢框体系施工方法进行探索，总结了一套关于大角度、大悬挑
2、钢框体系无支撑自平衡安装技术，形成施工工法，并通过技术查新认定为新技术。本工法施工技术现已于中文核心期刊施工技术2015年11月21期发表相关论文大角度多步倾斜钢框体系自平衡安装模拟分析1篇，并授权实用新型专利2篇新型钢柱斜率测量仪和钢直梯快速悬挂装置。东南国际航运中心总部大厦项目位于厦门市海沧区海沧大道，西邻东屿南路，东临海沧大道，建成后将成为我国继上海、天津、大连之后的第四个国际性航运中心。37#地块A、B座工程建筑面积约43万平方米，建筑高度153.5米，钢结构用量4.6吨，结构形式为框架-核心筒体系和框架-剪力墙体系。工程采用“大角度多步倾斜钢框体系自平衡施工工法”施工，利用BIM技术
3、，依照施工方案，在tekla structures软件搭建精细化BIM施工模型，通过可视化的演示，论证方案的可操作性。确立方案可操作后，利用midas/Gen软件建立计算模型，对整个体系的施工过程进行模拟分析，确保施工方案的全过程安全可靠，并根据分析结果，对施工方案提出了合理化建议。同时，将BIM精细化模型转换成midas/FEA软件有限元分析模型，通过非线性静接触分析技术真实地论证工法中应用到的自平衡安装技术精度可控。图1-1 A、B座正面塔楼效果图图1-2 B10施工完成图2 特 点2.0.1 大角度多步倾斜钢框体系BIM应用技术B座B10区结构悬挑长度达24m，高度为14.7m，整个悬挑
4、部分总重量达285.4t，采用整体吊装的方式难以实现，须对构件进行分段吊装，其分段点的设置，应充分考虑结构受力特点。利用BIM技术对大角度多步倾斜钢框体系进行深化设计，建立相关BIM模型，并利用BIM模型对多步分段安装的施工方案进行模拟演示，论证安装方案的可操作性。2.0.2 大倾角、大悬挑斜柱自平衡安装技术根据大倾角斜柱的结构特点将其进行分段，并按照受力特点，自行设计出斜柱自平衡安装连接副，满足结构安装过程中的安全要求和精度要求。在吊装时利用手拉葫芦将斜柱调整到安装对应状态，通过自平衡连接副快速将斜柱进行定位，同时设置临时缆风绳保障斜柱稳定性，从而顺利进入后续斜柱焊接作业。2.0.3 柱梁双
5、机协同作业技术在施工现场不具备搭设支撑胎架的情况下，充分利用现有塔吊设备，发挥汽车吊移动灵活的优点，形成柱梁双机协同作业。斜柱柱头部分采用汽车吊进行安装，与柱相连的主梁采用塔吊进行安装。斜柱柱头下端通过自平衡连接副与斜柱柱身相连，斜柱柱头侧向通过主梁与已安装完成结构连接，从而形成结构的自平衡，无需设置独立支撑系统。利用现有塔吊和汽车吊双机协同作业，相比搭设胎架原位安装节约了胎架制作和安装的费用，取得良好的经济效益。2.0.4 有限元施工仿真分析技术工法分别利用有限元线性施工模拟分析技术和非线性静接触分析技术。有限元线性施工模拟分析技术利用midas/Gen软件建立计算模型，对整个体系的施工过程
6、进行模拟分析，确保施工方案的全过程安全可靠，并根据分析结果，对施工方案提出了合理化建议。有限元非线性静接触分析技术用以解决论证大倾角斜柱自平衡安装问题，将BIM精细化模型转换成midas/FEA软件有限元分析模型，通过非线性静接触分析技术真实地论证工法中应用到的自平衡安装技术精度可控。3 适用范围3.0.1 本工法适用于大倾角、大悬挑的钢框架结构的吊装，现场条件不允许搭设胎架施工，且结构的高度需在吊车的吊装范围内。4 工艺原理随着我国经济的快速发展，对建筑的结构的要求越来越高，采用钢结构的建筑也越来越多。大悬挑，大跨度的框架形式频繁的出现在钢结构建筑中，这种结构形式比混凝土结构能更好的满足建筑
7、大开间、大悬挑的要求，同时能满足建筑上造型的要求。大角度多步倾斜钢框体系的安装，传统采用搭设胎架支撑进行施工， 需要搭设大量胎架，且其对场地有较高要求，施工周期慢，工期难以保证，因此在大角度多步倾斜的钢框体系安装中，应对原传统施工技术进行革新，降低对场地要求，节约工期，降低施工成本。本工法阐述了大角度倾斜钢框体系结构的整体施工工艺，利用BIM技术对大角度多步倾斜钢框体系进行深化设计，建立相关BIM模型，并利用BIM模型对多步分段安装的施工方案进行模拟演示，论证方案的可操作性。确立方案可操作后，利用midas/Gen软件建立计算模型，对整个体系的施工过程进行模拟分析，确保施工方案的全过程安全可靠
8、，并根据分析结果，对施工方案提出了合理化建议。悬挑结构在自重状态下会产生一定挠度变形，根据模拟计算结果，在深化阶段对相关构件进行预起拱以抵消变形。斜柱的安装是整个悬挑结构施工的关键。斜柱柱身采用自平衡法单机作业，将BIM精细化模型转换成midas/FEA软件有限元分析模型，通过非线性静接触分析技术真实地论证工法中应用到的自平衡安装技术精度可控。施工过程中，通过合理设置吊点和吊绳使斜柱处于最终倾斜状态，并利用自平衡连接副使得斜柱空中对接一次成功。斜柱柱头采用与主梁进行双机协同作业，利用主梁将斜柱柱头与原结构形成自平衡，以达到无支撑安装。斜柱柱头下端与斜柱柱身利用自平衡连接副进行定位和固定，斜柱柱
9、头侧向利用高强螺栓，通过主梁与原有结构进行连接固定，并于柱梁平面外临时设置2道缆风绳，确保结构的稳定性。5 工艺流程及操作要点5.1 工艺流程B10区大角度多步倾斜钢框体系自平衡施工工艺流程见图5.1-1，结构安装顺序见图5.1-2。图5.1-1 工法施工工艺流程图图5.1-2 结构安装顺序流程图5.2 操作要点5.2.1 BIM深化设计BIM技术在钢结构领域的应用与发展，为工程各方的信息共享与协同作业搭建了广阔的平台，同时也为钢结构精细化管理提供了先进的工具和手段。本项目钢结构施工图深化采用国际通行的“谁承包谁出深化图”的做法。各分包商承担各自的深化设计工作，总承包负责对各分包商的深化设计进
10、行统一管理。首先，建立深化设计管理体系。体系的建立，有利于对工程中涉及的各个专业分包商进行有效的管理，有利于各个专业分包商之间的信息沟通与交流。其次，确立项目深化设计管理的主要内容。钢结构深化设计的主要管控内容为深化进度管理、图纸质量管理及技术问题协调管理。最后，对钢结构分包钢结构深化设计进行过程管控。通过体系的建立和工作范围的划分，明确各方的工作职责。作为项目总承包方，成立钢结构深化管理部，对钢结构专业分包进行过程管控，确保其按照工作计划有序进行，并将监督情况实时反馈于工程参与各方。钢结构深化设计管理组织机构见图5.2.1-1。图5.2.1-1 钢结构深化设计管理组织机构图针对于本项其体量大
11、、技术难、施工实际不相符，造型设计变更度高、涉及专业工程交叉配合多等特点，为准确、快捷、高效地完成钢结构施工详图的深化设计工作，项目采用“总承包组织协调、钢结构分包单位进行深化设计、总承包进行深化图纸审核、设计单位审定”的形式，利用转化工具，将设计院BIM模型导入至钢结构深化软件tekla structures中，加快深化建模速度进度，具体流程如图5.2.1-2，图5.2.1-2 钢结构深化设计流程图5.2.2 初步拟定安装方案1 方案选择受施工工期紧、施工场地条件限制，现场不具备搭设支撑胎架的条件，现拟定施工采用自平衡安装方法。首先使用汽车吊将斜柱柱身段吊装至相应位置，利用自平衡连接副完成一
12、次自平衡安装；然后待柱身段校正焊接完成后，利用既有的MCT370塔吊与中联150t汽车式起重机配合进行双机协同作业将斜柱柱头段和横向主梁同步安装（如图5.2.2-1），利用结构自身特点完成二次自平衡安装，从而有效的避免搭设胎架施工。在构件吊装就位后，设置缆风绳来保证结构平面外稳定性。图5.2.2-1 柱梁双机协同作业实景图2 构件分段由于构件截面大，单根构件重量大，必须将部分大构件进行分段。本着易于吊装、方便焊接、构件体型大小适中的原则进行分段。项目利用tekla structures软件进行BIM深化建模，按施工方案中汽车吊最大起重量将构件分段，分段后最重单根构件重达9.5t。图5.2.2-
13、2 构件分段图5.2.3 BIM可视化施工模拟随着建设工程规模的不断扩大、现场情况变得越来越复杂，专项施工方案的制定顾及的面越来越广，难度越来越大。BIM技术的应用提高了专项施工方案的质量，使其更具有可建设性。项目通过BIM的软件平台，采用立体动画的方式，配合施工进度，精确地描述出整个B10区大倾角多步倾斜钢框体系的安装过程，找出施工方案的薄弱环节，有针对性的编制安全保障措施，使施工安全保证措施的制定，更直观，更具有可操作性。图5.2.3-1 B10区BIM模型图项目利用tekla structures软件进行模型搭建，并将其导入至navisworks软件中进行施工模拟，通过可视化的动态展示，
14、将大角度多步倾斜钢框体系自平衡安装技术全过程展现。项目通过BIM施工模拟的可视化展示，分析施工顺序的合理性，明确施工的质量控制要点，并对施工过程中可能出现的安全风险进行评估，其具体安装流程如下：第一步，首先使用塔吊MCT370完成原结构B-4轴四根立柱及柱间斜撑的吊装；图5.2.3-2 施工流程图一第二步，使用中科重科150吨汽车吊依次吊装B-3与B-4轴之间二层斜柱柱身段；图5.2.3-3 施工流程图二第三步，使用塔吊和汽车吊双机协同作业完成B-3轴三层斜柱与主梁吊装；图5.2.3-4 施工流程图三第四步，依次完成三层斜柱柱头与主梁吊装；图5.2.3-5 施工流程图四第五步，使用塔吊完成B1
15、0区三层剩余主次梁吊装；图5.2.3-6 施工流程图五第六步，依次吊装B-3与B-4轴之间斜柱、B-3轴三层立柱、B-2与B-3轴之间斜柱及相互连接的横梁；图5.2.3-7 施工流程图六第七步，使用塔吊完成四层B10区所有主次梁的吊装；图5.2.3-8 施工流程图七第八步，使用塔吊完成B10区周围悬挑部分的挑檐梁吊装，调校完成后进行螺栓紧固作业及焊接作业。图5.2.3-9 施工流程图八5.2.4 有限元施工仿真分析1 整体结构施工模拟分析1）计算模型根据BIM施工模型和具体施工方案，选取B-1至B-4轴之间结构，在midas/Gen中建立计算模型进行施工过程有限元模拟分析，分析采用线性分析模式，如图5.2.4-1所示。图5.2.4-1 B10区计算模型三维图根据设计文件，钢材均采用Q345，部分构件选取SRC材料，其中混凝土等级为C40。边界约束对首层的柱脚采用固支约束，同时对照图纸将部分梁端约束进行释放；荷载根据GB50755-2012钢结构工程施工规范相关要求，吊装过程中考虑自重荷载、施工机械设备荷载及工人施工荷载。将施工过程中荷载进行简化模拟在相应的部位施加节点荷载-4kN，如图5.2.4-2、图5.2.4-3；施工步骤参照实际施工步骤在midas/Gen中定义十三个施工阶段，每个施工阶段工期按照实际施工时间来设定。
