0 引言

　　20世纪50年代，我国建筑工业化开始发展，在建筑领域开始推行工厂预制的标准化构件，发展装配式建筑^[1]。20世纪90年代以来，随着钢产量的提升，钢结构建筑受其自身优势及缺陷开始了更加多元化的快速发展^[2,3,4,5,6]，尤其对于复杂大跨度空间钢结构建筑施工，复杂结构体系在设计状态和施工中的受力模式有较大差别。以西咸空港综合保税区事务服务办理中心工程混合结构为背景，对上部结构体系的安装全过程进行力学仿真分析，对施工过程中结构的受力变形规律进行预模拟，排除施工方案中的风险因素，修正施工方案，正确指导实际工程，保证复杂混合结构体系实际施工的安全性。最后提出钢结构的整体安装方案，并结合实际施工对仿真分析效果进行验证。

　　1 工程概况

　　西咸空港综合保税区事务服务办理中心工程位于陕西省咸阳市渭城区北杜镇邓村村北，西部紧邻省道208^[7]。该建筑总高29.000m，建筑总面积约70 203m²。工程地上结构为钢骨与混凝土的混合结构，施工中先进行钢骨部分施工，完毕后进行混凝土部分施工。工程的建筑外形由68条钢结构曲面肋梁和层间型钢混凝土环梁组成，如图1所示。

　　由于混合结构中既有钢构件又有混凝土构件，且空间造型新颖、复杂，施工中部分梁为混凝土结构，部分梁为包含钢骨的混凝土组合结构，同时还有纯钢构件的曲面肋梁，造成钢结构无法在施工中形成完整的闭合结构体系，形成许多独立悬臂柱和单片框架，尤其是前期钢肋施工，由于钢骨环梁和混凝土楼板尚未施工，导致钢肋间无有效连接，钢肋跨度由设计方案的7～9m增大至40m。因此，必须对混合结构的施工全过程进行力学仿真分析，对施工中的风险点采取相应措施以指导实际工程。

　　图1 结构模型  

　　2 施工方案

　　1)方案1在施工中对混合结构南半球内环斜柱用钢管进行支撑，不采取其他任何额外措施构件。施工次序为:北半球混合结构先施工，南半球混合结构后施工;钢骨柱及与其相接的钢骨梁先施工，曲面钢肋后施工;在北、南半球分别从各自中部的○R1和○R24轴线开始钢肋施工，并向两边对称施工。

　　2)方案2混合结构南半球内环斜柱施工中除用钢管进行支撑外，对部分钢肋托梁增加竖向支撑;通过连接构件连接南、北半球结构，借助先施工的北半球作为南、北半球施工的稳定性支撑;通过增加型钢梁，结合钢骨柱形成整体的受力框架体系，以增强施工过程中结构的刚度及稳定性;南、北半球施工过程中，对跨度较大的曲面钢肋设置支撑，以减少挠度。施工次序为:北半球混合结构先施工，南半球混合结构后施工;钢骨柱及与其相接的钢骨梁先施工，曲面钢肋后施工;在北、南半球分别从各自中部的轴线开始钢肋施工，并向两边对称施工。

　　3 模型建立及有限元结果分析

　　3.1 模型建立

　　通过BIM技术建立混合结构施工全过程模型，将其转换为有限元力学分析模型，模型整体如图2所示。部分施工步模型如图3所示。

　　图2 混合结构力学仿真模型 

　　3.2 有限元结果分析

　　施工方案1,2的结构杆件验算应力比曲线如图4,5所示。

　　图3 部分施工步模型  

　　图4 结构杆件稳定验算应力比曲线(方案1)  

　　图5 方案2结构杆件稳定验算应力比曲线(方案2)  

　　由施工过程的力学模型分析结果可知，方案1中，由于混合结构南半球内环斜柱在施工中仅用钢管进行支撑，没有采取额外支撑构件，故结构在施工过程中及施工完成后均产生较大变形。施工过程中的结构构件主要承受自重荷载，因而有较小应力强度，但由图4可知，结构杆件的稳定验算应力比存在超限现象，是由于施工中未形成较稳定闭合的结构框架体系，结构中包含较多的单片框架及独立悬臂柱，它们在计算平面内(外)有较大长细比，因而会使得稳定承载力降低^[8]。

　　为排除施工方案1中的不利影响，在施工方案2中提出对结构南半球内环斜柱除用钢骨支撑外，还增加了竖向临时支撑及其他施工构件，同时在特定部位添加钢骨梁连接钢骨柱，以形成完整的框架受力体系，增加混合结构的稳定性，保障施工安全。由方案2的有限元力学分析结果可知，在混合结构施工中风险较大部位增设临时支撑体系及其他措施构件，同时在特定位置增加钢骨梁，使之形成较稳定的整体受力体系，可有效提升施工中结构的稳定性，提高承载力，保障施工质量和安全。此外，方案2中增加的施工措施可明显改善施工中混合结构的刚度，减小曲肋的竖向变形，使结构构件变形满足规范要求。因此，复杂空间混合结构施工方案2是最优施工方案。

　　4 安装技术及效果

　　工程主楼结构为地上7层、地下1层，采用全现浇钢-钢筋混凝土-型钢混凝土组合框架结构，其中钢结构主构件为十字形劲性柱和H型劲性钢梁，整体外观造型采用日字形钢肋梁^[7]。工程钢结构安装主要分为2部分:劲性钢梁、柱安装和地上钢结构安装。

　　4.1 劲性钢、柱安装

　　4.1.1 劲性钢梁、柱安装

　　劲性钢梁、柱主构件为十字形劲性柱和H型劲性钢梁，钢柱位于地下1层至地上6层。

　　1)第1节钢柱吊装地下室基础做好后，回填基坑垫层，钢柱基础留出安装空间，吊机在基坑垫层上行走吊装钢柱^[7]。

　　2)第2节钢柱吊装地下室混凝土浇筑后，在地下室顶板上铺设施工道路，起重机在地下室顶板上行走吊装钢结构。起重机行走路线正下放需采取加固措施，以保护地下室混凝土顶板。钢柱最大重约20t，采用2台KMK4070型70t汽车式起重机吊装，臂长20.4m，吊装半径8m，吊重25.2t，吊装高度21m，满足要求。

　　4.1.2 钢骨柱安装

　　钢骨构件的具体安装顺序按总体施工顺序分区进行，先柱后梁、先主后次^[8]。柱、梁吊装时，首先在中间形成一个标准刚性框架，然后再按节间依次往外扩展。钢柱吊装完成后，应尽量避免形成独立柱;同一楼层平面内钢梁的吊装依次跟随相应钢柱的吊装。

　　4.1.3 钢梁安装

　　钢梁总体随钢柱的安装按先主梁后次梁、先下层后上层顺序进行，安装完的钢柱必须及时用钢梁连接，不能及时连接的应拉设缆风绳进行临时固定。

　　4.2 地上钢结构安装

　　4.2.1 安装思路

　　外观造型径向采用日字形钢肋梁，环向采用H型钢混凝土劲性梁。地下室混凝土浇筑后，在地下室顶板上铺设施工道路，起重机在地下室顶板上行走吊装钢结构。起重机行走路线下方需采取加固措施，以保护地下室混凝土顶板^[7]。刚架采用分段吊装，根据刚架跨度分成3段或4段，分段后最大构件重16t。钢结构采用1台QAY240型汽车式起重机和1台QAY350型汽车式起重机吊装。

　　4.2.2 施工分区

　　地上钢结构分3个区施工，分区情况如图6所示。

　　图6 地上钢结构施工分区  

　　4.2.3 曲肋吊装

　　曲肋分3段吊装，钢柱分2段吊装，分段位置为3层楼面以上1.2m位置。首先吊装第1段拱架和钢柱;搭设临时支撑，吊装第2,3段拱架。

　　4.2.4 2区刚架吊装

　　2区刚架分3段吊装，钢柱分2段吊装，分段位置为4层楼面以上1.2m位置。刚架第1段吊装时，搭设临时支撑用于固定钢柱。首先搭设临时支撑，吊装第1段拱架和钢柱;搭设临时支撑，吊装第2,3段拱架。

　　4.2.5 3区刚架吊装

　　3区刚架跨度相对较小，在地下室顶板上拼装，然后采用双起重机抬吊就位。

　　4.2.6 地上钢结构安装流程

　　吊装1区的钢柱及第1段刚架→吊装2区的钢柱及第1段刚架→浇筑1区和2区1～3层混凝土结构→安装1区和2区3层以上钢结构→安装3区钢结构→浇筑3区混凝土结构→安装完毕。

　　4.3 效果评价

　　通过力学仿真分析对混合结构体系的施工方案进行预模拟与修正，并对施工中的风险点进行重点关注，制订了安全可行的施工技术方案，最终取得良好的施工效果，保证施工的安全和质量。

　　5 结语

　　西咸空港综合保税区事务服务办理中心混合结构工程通过BIM技术转换混合结构的有限元全过程施工分析模型，对不同施工方案进行力学模拟计算。力学仿真中，发现施工方案2通过增加关键部位的临时支撑，增加钢骨梁形成较稳定的整体结构受力体系，可提升复杂空间混合结构施工的结构稳定性和刚度，减小曲面肋梁变形，提出混合结构的安装技术方案，并进行施工应用，取得良好的施工效果。