深圳北理莫斯科大学是中俄两国领导人见证签署的中俄文化交流战略合作项目, 是中俄文化交流活动的主会场之一。学校主楼塔尖为类哥特式尖塔造型, 顶部钢结构塔尖的安装在国内经验较少, 如何在较短的工期内完成任务是工程的首要难题。项目克服了塔尖安装过程中吊装质量大、安装高度大、施工范围狭小、安全风险大及工期紧张5大难题, 妥善解决了工程节点按时完成的问题。

学校主楼为类哥特式尖塔造型, 楼长140m, 宽57.8m, 分为中间主塔区域和两侧裙楼区域, 结构楼层地下1层, 地上21层 (见图1) 。

主楼钢结构塔尖位于主楼中心位置, 外形为塔状, 铁塔114m处的圆形平台直径7.25m, 146m处圆形平台直径3.1m, 顶部造型为五角星, 塔高56.95m, 塔尖距地面156.4m (见图2) 。

钢结构塔尖由3部分组成:塔身、塔内楼梯、塔顶五角星 (见图3) 。构件主要有钢管柱 (402×25) 、钢管环梁 (300×20) 、焊接H型钢、工字钢、焊接方通, 材质为Q345B。

1) 安全问题全部是高空作业, 安全防护难度大;安装时间为夏季 (8月底) , 温度高、台风多;施工作业面狭窄。

2) 施工精度问题由于构件运输和吊装能力所限, 钢柱在加工厂只能进行分段制作, 然后在现场空中对接, 如何保证对接质量是钢结构加工、安装重点。

3) 吊装问题钢结构初始安装高度达100m, 最大安装高度达156.4m, 而现场结构允许塔式起重机扶墙最大高度仅79m;主楼周边其余楼栋与主楼同步施工, 场地有限。

4) 工期问题从主楼地下室底板浇筑至五角星吊装完成, 计划工期仅有130d, 而结构施工工期至少需要110d, 则钢结构塔尖的吊装时间≤1个月。

钢结构塔尖安装工艺流程如下:吊装方案比选→深化设计、模块分解→模块拆分、构件加工→地面拼装→模块地面调整→模块吊装→结构检测。

深化设计前需确定吊装方案。针对塔尖吊装方案, 主要提出4个思路:平臂塔、动臂塔、履带式起重机、顶升。根据这4个思路, 通过头脑风暴的方式组合多种针对性方案, 并进行深入分析, 同时借助BIM软件进行施工模拟, 分析利弊, 如表1所示。

经过分析, 各种方案均有优缺点。结合本工程特点及需要, 方案6因工期问题被淘汰, 若排除工期因素影响, 方案6较可行。

方案1的问题如表2所示, 并非无法克服, 在没有更优方案的情况下进行考虑。

方案2, 3的问题在于平臂塔仅能满足范围要求, 而动臂塔仅能满足高度要求, 本工程主楼的施工需两者兼顾, 单一一种塔式起重机的使用并不能完成作业。

方案4, 5均可满足施工需求, 但与方案6类似, 方案4同样面临工期条件制约, 而方案5则将该制约降低到极限, 因此, 最终项目选择方案5^[1]。

根据方案5中塔式起重机吊重上限 (27m范围7t, 22m范围7.5t) , 将整体塔尖分解为小块吊装模块, 分段时需注意:模块质量不得达到塔式起重机吊重上限;模块不可划分太小, 要充分利用塔式起重机能力, 节省吊装工期, 同时考虑每个吊装模块单独吊装就位时的稳定性;模块形状一方面便于地面拼装, 另一方面要在地面调整为直立状态, 减少吊装过程难度。

模块分解时通过BIM模型快速计算出每个模块的质量, 以判断分解的模块大小是否符合吊装要求, 直至所有模块分解均满足要求后, 将BIM模型生成为CAD深化图纸, 完成深化图绘制工作^[2]。

根据分解完成的模块深化图, 继续拆分模块。模块拆分主要分为标准构件和非标构件。

标准构件均需建模完成后, 输入数控机床, 自动加工, 加工完成后, 由工人及驻场监理工程师进行复检, 验收合格后方可装车进场。

非标准构件指造型特殊、无法通过现有机床组合加工的构件, 如塔尖分段第9段构件, 处于结构转换处, 上方为直立单轴五角星立柱, 下方为倾斜三轴塔身立柱。非标准构件采用模具一次浇筑成型的方式生产, 生产完成并检查验收合格后装车进场。

构件运输至现场后, 在划定的拼装场地 (场地位置需综合考虑塔式起重机吊重曲线) 内逐步拼装成型, 拼装过程中需进一步进行尺寸复核及调整^[3]。

本工法通过将塔身竖剖为两半的结构, 分别在地面拼装成整体 (预拼装) 后分块吊装, 地面拼装流程如下:胎架安装→单个吊装模块组装→相邻模块整体组装→精度复核→特殊模块地面拼装→地面焊缝检测。

拼装定位复核完成后, 按深化图纸要求对构件连接部位进行焊接连接及相应检测。为避免模块吊装过程中变形, 在模块刚度较差位置增加临时措施钢梁。

拼装胎架的精度直接影响塔身的拼装精度, 为保证胎架精度, 必须做好以下几点:在BIM模型中建好胎架模型, 直接导出胎架详图;胎架轴线放样时按导出的详图放样, 其误差≤1mm;由于钢管两端标高不同, 每个立面支撑架牛腿顶标高距离地面的距离不同, 其值从BIM模型中直接测出, 现场安装的标高误差≤1.000mm^[4]。

完成一半塔身的地面拼装并复核尺寸、精度无误后, 通过配合塔式起重机和汽车式起重机, 分别连接单个模块的两端, 将模块平稳提升吊离地面, 在安全高度 (指模块在空中调整角度时不会碰触地面为宜) 下空中调整吊装模块角度至与安装角度一致, 再缓慢落回地面堆场, 脱离吊具。

由于塔尖钢结构安装高度大、投影面积小、活动范围小, 针对塔尖钢结构施工过程的操作平台及安全防护, 项目拟定了3个方案, 对各方案进行深入分析, 如表2所示。

经过讨论, 方案1因安全因素被否决, 方案2, 3均可满足安全性要求。由表1可以看出, 2种方案各有优缺点, 但结合本工程特点, 安全、质量、进度为首要目标, 因此, 最终选择方案2 (见图4) 。

针对该防护方案, 吊装模块直立后, 进行空中操作平台安装, 操作平台定位需要以BIM模型设定数值为准, 以保证不同模块上的操作平台在空中能连为整体 (见图5) 。

全部模块地面拼装并加工完成后, 按照各吊装模块设计位置进行吊装排序, 吊装主要流程如下:下部模块单个吊装→下部模块整层拼装及校准→上层模块单个吊装→上层模块整层拼装及校准→重复操作→安装顶部单独模块。

结构安装连接过程中, 有耳板连接 (临时连接措施) 和焊缝连接 (永久连接措施) 2种形式共同作用, 只有当空中焊接焊缝现场检测全部合格后, 方可割除临时连接措施。

本工程中, 建筑风格的改变影响了常用工艺的适用性, 且工期制约了方案选择面。对案例工程进行了总结, 简单介绍了类哥特式钢结构尖塔的模块式安装方法, 并结合这种安装方法同步提出了多边形装配式操作平台施工方法。

1) 工期本工艺相对于传统拔杆施工工艺, 极大地加快了施工速度, 缩短了工期。至少需要3个月才能完成的塔尖钢结构安装, 采用本工艺的模块化吊装方法, 实际仅用13d。

2) 经济本工艺相对于其他几个方案, 费用上节省100～500万元。

3) 社会影响在措施费用投入一定的情况下, 通过本工艺的实施, 塔尖安装安全、快捷。

4) 新工艺、新技术在类哥特式建筑中的应用存在较大的空间与可实施性, 仍需更多尝试与总结, 以绿色、健康推动行业发展。