0 引言

　　随着大量标志性钢结构建筑不断涌现，钢结构制作及安装技术也在迅速发展，解决了传统混凝土旋转楼梯所带来的外观厚重笨拙、耗时耗力等问题^[1,2]。

　　近年来，钢结构旋转楼梯安装技术在发展过程中，也面临相邻梯段连接精度低、安装难度大等问题，为此很多学者进行了相关研究:贾宝荣等^[3]对板式钢结构旋转楼梯的有限元计算进行全面分析，并对其与主体结构连接节点进行设计，有限元计算结果验证旋转楼梯设计方法的正确性，对节点处板材做适当加强处理可增强旋转楼梯整体稳定性。王家通等^[4]在北京保利国际广场施工中采用平台钢梁高空散装、梯段地面拼装、整体吊装，施工模拟控制、无支撑安装技术路线，解决了复杂重型构件高空安装的技术难题。张明禄等^[5]结合阿尔及利亚某旋转楼梯工程，采用现浇式整体浇筑旋转楼梯及其固定轴，改变以往旋转楼梯先浇筑固定中轴柱、后将预制楼梯踏步固定在中轴柱的方法，既能保证旋转楼梯整体性，又能使其外观达到预制效果。郑春等^[6]通过无锡大剧院项目对比常规混凝土旋转楼梯、钢结构楼梯的优缺点方案后，针对施工难点确定合理的施工工艺流程，并对材料及构件进行严格选样认样及精确测量放线，最后提出施工过程中的注意事项。

　　贵阳市少年儿童图书馆钢结构旋转楼梯总高度为20m，是目前我国具有较大规模的大型钢结构旋转楼梯项目，对梯段定位、安装精度、施工质量等提出了新挑战，为解决上述技术难题，本文从钢构件安装、安装精度控制、焊接工艺、BIM虚拟预拼接等方面对钢结构旋转楼梯安装工艺进行创新，确保主体工程顺利完工。

　　1 工程概况

　　贵阳市少年儿童图书馆工程位于贵州省博物馆新馆东北侧，南与贵阳市城乡规划展览馆、贵阳国际生态会议中心相望。建筑总面积77 877m²，地上建筑面积52 877m²，地下建筑面积25 000m²。其钢结构旋转楼梯为异形管桁架结构，总高20m，在国内属于较高钢结构旋转楼梯，由4个旋转梯步和钢管柱组成，旋转直径25m左右。每个旋转梯步由8根主杆组成，腹杆规格为，如图1所示。

　　图1 旋转楼梯三维示意  

　　2 施工技术难点分析

　　钢结构旋转楼梯安装工程在施工中主要存在以下技术难题。

　　1)旋转楼梯梯段部分为弯扭构件，从工厂加工后运输到工地，有部分杆件会出现反弹变形，导致安装出现偏差。

　　2)每个旋转梯步旋转半径不相同且为椭圆形曲线，每根杆件尺寸均不相同，在安装过程中由于主杆定位施工中存在误差，腹杆会长短不一，修正工作量大，焊接困难，且主焊缝都为一级焊缝，存在很多360°焊接，对焊工技术水平要求高。

　　3)旋转楼梯正上方有混凝土挑板，使2/3构件无法吊装，只能利用人工葫芦安装。

　　4)钢结构旋转楼梯高20m，对每段楼梯的安装质量要求非常严格，需严格控制安装精度，选择合理的安装顺序，同时需充分考虑拉索变形对安装精度的影响，安装难度较大。

　　3 技术措施

　　3.1 施工流程

　　根据钢结构旋转楼梯的结构构成和受力特点，制定科学、合理的施工流程:第1跑楼梯脚手架搭设→第1跑楼梯弦杆安装→第1跑楼梯焊接→第1跑楼梯脚手架拆除→第2跑楼梯脚手架搭设→第2跑楼梯弦杆安装→第3跑楼梯脚手架搭设→第3跑楼梯弦杆安装→第4跑楼梯脚手架搭设→第4跑楼梯弦杆安装→第4跑楼梯铺装→第4跑楼梯脚手架拆除→第3跑楼梯铺装→第3跑楼梯脚手架拆除→第2跑楼梯铺装→第2跑楼梯脚手架拆除→第1跑楼梯铺装。

　　3.2 钢构件安装

　　根据本工程特点，弦杆根据现场起重机吊装性能特点，以5m一段分段制作。吊装时设计对接节点，空中组对，临时栓接，校正后焊接。

　　3.2.1 钢柱安装

　　3.2.1. 1 钢柱吊装

　　本工程钢结构采用1台C7030塔式起重机(散装式)和25t汽车式起重机作为吊装设备，主弦杆根据吊装设备起重性能分段吊装或整根吊装，高空组装焊接。钢柱吊装前，先将爬梯安装好，再将缆风绳拴住，钢柱吊离地面后安装好相应的连接螺栓及临时连接板。钢柱拟采用塔式起重机单机回转法吊装。起吊前，钢柱应垫上枕木;回转时一定要具有合适高度，并保持钢柱稳定且垂直起吊，不得使柱端在地面上有拖拉现象。钢柱吊装完成后，先将钢柱基础轴线和中心线完成对齐，四边兼顾。当对准或偏差在规范范围内时，即完成对位工作。钢柱吊装如图2所示。

　　图2 钢柱吊装示意  

　　然后，临时固定钢柱，拉设缆风绳，如图3所示。钢柱对接时，将安装在吊装柱下端的活动双夹板平稳插入下节柱对应的安装耳板上，穿好连接螺栓，进入校正阶段。

　　图3 拉设缆风绳  

　　3.2.1. 2 钢柱校正

　　1)柱身垂直度校正及柱基标高调整柱身垂直度调整通常采用钢柱校正器、千斤顶或缆风绳等进行校正;而钢柱标高调整一般采用垫铁调整或螺母调整的方法，利用螺母调整柱底板标高时，应对地脚螺栓刚度和强度进行计算，并使用2台经纬仪测量。

　　2)柱底轴线调整制作钢柱时，用钢冲在钢柱上标出中心线，再用油漆标识在柱底板的4个侧面上。在起重机钩子不放松状况下的对线方法为:将柱底板上钢柱的控制轴线和中心线与设计标高位置缓慢对齐，还可在出现控制轴线和钢柱有较小偏差时采用借线调整的方法。

　　3)其他节钢柱标高控制与柱顶标高调整主要按相对标高法对其他节钢柱进行标高控制和柱顶标高调整。钢柱吊装完成后利用螺栓临时固定连接，通过撬棍与起重机柱微调间隙。测量柱顶上、下预先标定的标高值，满足要求后临时固定牢、打入钢楔，因为焊缝的压缩变形，标高偏差调整至4mm以内。安装完钢柱后，将水准仪设置在柱顶，以测出柱顶标高，以设计标高为准。若高于设计值5mm以上，采用气割方法割去一部分钢柱顶部，用角向磨光机将钢柱顶部磨平至设计标高。若标高大于设计值在5mm以内，无需调整;若标高比设计值低，需将上、下钢柱焊缝宽度加大，一次只能调整≤5mm，避免过大调整会增加其他构件节点连接难度。

　　4)柱轴线调整上、下柱连接要保证柱中心线重合，若偏差较大，将垫板(垫板厚度为0.5～1.0mm)加在柱与柱连接耳板的不同侧面，并拧紧螺栓。钢柱中心线偏差调整一次在3mm以内，若偏差较大可分2～3次调整。下一节钢柱的定位轴线不能在上一节钢柱的定位轴线中使用，应从控制网引至高空保证每节钢柱的安装精度，避免出现过大累积误差。

　　3.2.2 脚手架搭设

　　按楼梯旋转方向和坐标空隙，找出脚手架立杆位置。以旋转楼梯横断面作为脚手架单元，主体间距控制在1.5m以内，每隔1榀设置剪刀撑，横杆1m以内设置1道。脚手架搭设三维模型如图4所示。本工程有大面积高空作业，故搭设满堂脚手架作为样板构件承重支撑，保证支撑稳定性。

　　3.2.3 钢管拼接

　　由于部分杆件在运输过程中会出现回弹现象，需对出现回弹的杆件进行二次加工，提高安装精度。加工好的杆件利用汽车式起重机将杆件吊至相应位置由工人进行焊接拼装。

　　3.3 安装精度控制

　　钢结构旋转楼梯安装过程中，为控制安装精度，采用水准仪对准钢柱进行标高，以减小杆件安装中出现的偏差。先使用水准仪在立柱上测出基准水平面，根据设计尺寸计算胎架连接横梁标高、平面位置，在胎架立柱上标出高差线，再在每组立柱高差线位置焊接胎架连接横梁，以控制水平方向尺寸，保证旋转梯段梁在一个圆滑的旋转斜面上，并满足设计高差要求。

　　图4 脚手架搭设三维示意  

　　3.4 焊接工艺

　　本工程焊接主要集中在钢管对接和相贯线焊接。钢材材质主要为Q345，钢管最大尺寸为，厚度为6～10mm。焊缝形式主要为水平横焊、立焊、仰焊、对接横焊等。安装、焊接工程量较大，焊接难度较高，针对此特点，应用CO₂气体保护半自动焊成套技术，主要解决厚板方向应力破坏、焊接变形等难题。

　　3.4.1 焊前准备

　　焊接材料选择如表1所示。焊接顺序为:柱与柱接头焊接，由2名焊工在相对称位置以相等速度同时施焊;对于接头焊缝，先焊接钢管下半段，再焊接上半段，待其焊缝冷却至常温后，再焊接侧面;平面上应从中部对称地向四周扩展焊接。且焊缝质量要求为:全熔透焊缝为一级焊缝(钢柱对接、梁柱节点焊缝);部分熔透焊缝，外观按二级检查;角焊缝等级为三级。

　　表1 焊接材料选择  

　　3.4.2 焊接施工

　　钢管对接主要采用点焊。选择焊接电流和电压时，要确保其与焊接程序互相满足，且保障焊接质量满足设计要求，避免焊接裂缝出现。

　　焊接过程中，同时采用高精度测量焊接技术控制焊接精度，主要施工方法为修正施焊顺序，以保证安装精度。若局部情况有变化或复校尺寸有问题，应修改焊接方法和顺序。根据复校实测方向和公差等因素，调整安装精度，编制焊接顺序和确定施焊方法，并在焊接过程中连续跟踪观测安装精度。

　　3.5 BIM虚拟预拼接技术

　　BIM虚拟预拼接技术是指利用三维设计软件，在计算机中模拟拼装钢结构分段构件控制点实测的三维坐标，并形成分段构件轮廓模型，检验并分析加工的拼装精度，再与设计的理论模型拟合比对，得出需调整的信息，校正直至精度满足要求。

　　3.5.1 虚拟建模

　　为保证安装过程顺利进行，避免工序冲突和施工安全问题，在确定施工方案和进行施工交底时，采用3D Max,Navisworks等软件制定旋转楼梯施工计划，进行施工进度模拟，以便更好地优化施工方案及指导现场施工。该方法具有表达直观性、可重复性、多维性等特点，可实现多施工方案模拟选优及技术交底的虚拟演示，在施工前杜绝安全隐患，优化施工方法，从而实现施工过程预先控制。另外，模拟旋转楼梯现场安装情况进行虚拟建造，可调整旋转楼梯安装位置和尺寸，确定满足现场实际施工条件的楼梯材料尺寸及材料下单的最优方案。

　　3.5.2 BIM虚拟预拼接

　　项目施工开始前，对该旋转楼梯施工工艺采用BIM建模，再对各构件进行虚拟预拼接，BIM虚拟预拼接模型如图5所示。该技术融合了生产中的实际偏差信息，预拼接结果反馈至实际生产中对生产过程工艺进行优化改进，同时报废不合格预制构件，进而提高预制构件生产加工的精度和质量，达到提高建筑安装水平的目的。

　　图5 BIM虚拟预拼接模型  

　　构件安装顺序通过科学合理模拟，将每节钢柱安装顶标高的钢结构整体垂直度偏差、高度最大偏差与主体总高度偏差控制在规范要求内以保证工程主体施工精度。

　　3.5.3 构件虚拟拼接

　　根据设计组装图，在计算机上通过构件模型上的基准要素将构件模型放在拼装位置上，且理论模型与BIM虚拟拼接模型产生的几何误差要与实际工程及相关规范规定互相满足，经计算机检验，检测情况如表2所示。

　　表2 虚拟预拼接检测结果  

　　由表2可知，虚拟预拼接检测结果符合相关规范要求，但构件由于受运输、吊装、焊接影响会出现一些偏差，需将相关数据处理后及时在现场进行构件加工，务必保障加工后的偏差值满足安装要求。

　　4 结语

　　通过对贵阳市少年儿童图书馆钢结构旋转楼梯施工方案的技术难点分析，从施工流程、钢构件安装、安装精度控制、焊接工艺、BIM虚拟预拼接等关键施工技术出发，确保施工质量与安全。采用高精度测量焊接技术控制焊接精度，通过BIM进行虚拟预拼接提高了旋转楼梯安装精度，解决了旋转楼梯部分杆件反弹变形、焊接困难、安装难度大等问题。