1 工程概况

　　武汉火神山医院总建筑面积3.39万m²，设床位1 000张，开设重症监护病区、重症病区、普通病区，设置感染控制、检验、特诊、放射诊断等辅助科室。其中，ICU楼和医技楼是重症监护病区及医疗技术支持科室，是医院检验、救治核心功能区，病房由多个打包箱组成。

　　1)医技楼建筑面积约1 600m²，近似L形，长轴区域长72m、宽20m，主体结构由23榀双坡三角形桁架及系杆组成，桁架最大高度1.5m，最大跨度20m;医技楼辅房区域长14.25m、宽11.4m，由5榀单坡三角形桁架及系杆组成，桁架最大高度1.5m，最大跨度11.4m。建筑檐口高度均为4.5m，外墙及屋面围护结构采用75mm厚聚苯夹芯彩钢板。

　　2)ICU楼建筑面积约2 300m²，近似凹形，长64m、宽36m，檐口高度4.5m，为单层框架结构，内凹处是建筑出入口，屋面采用双坡排水，202支钢柱为矩形管双拼结构。普通钢梁为矩形管双拼结构，因为有集中荷载要求，在病床区域14m大跨度钢梁处采用四拼矩形管构造，由主、次框架梁形成整体受力体系。外墙及屋面围护结构采用0.53mm厚YX840-250-25型单层彩色压型钢板。

　　3)7号病房面积约2 300m²，由96个打包箱组合成长方形建筑，长72m、宽24m，打包箱顶面上设置无焊接钢屋盖和檩条，屋面围护采用0.53mm厚YX840-250-25型单层彩色压型钢板，通过内天沟有组织排水，与相邻建筑贯通连接(见图1)。

　　

　　图1 工程平面布置 

　　 

　　2 工程重难点

　　2.1 设计、施工同时进行

　　由于设计、施工时间极短，双方需一起商定、具体整合设计与施工建造方案，如结构造型、材料选用、施工方法等。

　　2.2 钢结构施工任务重、建造功能要求高

　　本施工区域建筑总面积约6 200m²，钢结构专业施工内容包含主体钢结构及围护系统。作为项目管理计划制订和进度监控的关键线路工序，需完成装配式材料组织、运输及安装等工作，在保证质量的前提下，按计划工期完成建造、技术支持和施工任务。

　　必须满足医院三区两通道布局设计、负压密封、大跨度周转空间、集中荷载及吊挂承载力、屋面防水等结构功能及安全要求。

　　2.3 结构布置不规则

　　ICU楼和医技楼的功能要求特殊，结构跨度大、集中荷载分布区域及科室空间布局都不规则，受力承载形式选择与配置均需满足建筑设计要求。受施工环境制约，7号病房打包箱顶面上的无焊接钢屋盖及施工措施对建筑安全影响巨大。

　　2.4 多专业平行施工

　　医院建造涉及钢结构、机电安装、智能集成、市政管网、医疗设备等多专业平行施工，周边环境复杂，作业空间受限，须将各生产要素进行动态优化组合，实现连续、均衡、高效，对项目组织和管理提出较高要求。

　　3 装配式钢结构快速建造方案

　　医院建设之初，为有利于工程设计与施工间的衔接配合，保证质量和进度控制，避免相互脱节引起的差错、遗漏、变更及返工，设计人员与施工人员在结构选型、组合截面设计、连接节点设置、防水屋盖结构分析及施工措施等方面进行设计施工一体化探讨。

　　3.1 方案比选

　　医院ICU楼和医技楼严格执行三区两通道布局设计，各科室空间大小没有特定布置规律，在重症监护病区需满足14m大跨度周转空间，并满足救治设备3.5kN集中荷载、设备吊挂荷载0.6kN/m²要求。以保证施工质量为中心，满足建设工期要求为前提，比选以下建造方案。

　　1)普通成品打包箱拼接成整体结构由于打包箱在工厂内制造成型，流水线制造工艺使产品具有质量高、自重轻、结构稳定性好、现场安装方便、工期短的优点。将打包箱按1∶1尺寸模拟放入BIM模型中，将各科室房间和打包箱进行重叠、组合，并比较差异，发现打包箱无论横拼、竖接都排布不出结构图纸要求的尺寸布局。由于打包箱是批量制造，房间跨度恒定，而打包箱顶部承载力仅1.1kN/m²，构造立柱太多，无法满足重症监护病区医疗设备使用、周转和结构受力要求。病区内通道路线复杂，门窗数量众多，打包箱的改造工作量巨大，改造后的打包箱整体结构存在安全隐患。

　　2)采用装配式钢结构常规钢结构杆件种类和数量较多，对现场焊接质量要求高，复杂的施工环境对施工方案组织提出较高要求。钢材具有较高的抗拉、抗压强度特性，在大跨度位置设置钢结构进行跨越，空间布置更加灵活方便，通过合理布置钢柱，设置适宜截面的钢梁，可获得更多使用面积、周转空间和负载功能。钢结构专业施工可实现工厂加工、现场安装的装配式建造方式，不仅安装速度快，且易控制施工质量，满足ICU楼和医技楼的所有建造功能要求。

　　经过多方利弊对比和权衡，为快速建造医院ICU楼和医技楼，满足建筑功能要求，最终选择装配式钢结构作为建造方案。

　　3.2 ICU楼钢结构体系配置

　　为实现快速建造目标，必须通过结构设计将施工过程简化为标准构件生产和拼装过程，保证钢构件产品质量，大大缩短现场施工时间。

　　在ICU楼结构布局中，重症监护病区水平横向间距最大14m，要求床头区域承受救治设备的3.5kN集中荷载、0.6kN/m²设备吊挂荷载，恒荷载较大是本工程钢结构的特点，正常使用极限状态下的变形控制成为结构设计的主要控制条件。单层结构中，整体结构稳定是关键，为达到结构体系承受水平荷载、侧向刚度稳定、结构形式简单的要求，将水平横向钢梁设置为主要受力梁，满足14m跨度要求，将纵向钢梁设置为次要受力梁，满足侧向刚度稳定性，使主、次梁相互约束形成强大几何刚度结构体系，承受荷载作用。在重症监护病区以外区域，利用建筑36m宽度作为钢梁跨度进行设计，钢梁间设置水平系杆，使结构形成整体受力体系(见图2)。为保证整体结构刚度，钢梁间的节点均采用现场焊接，形成刚接节点。

　　

　　图2 ICU楼钢梁平面布置 

　　 

　　为提高ICU楼结构整体安全性和经济性，以建筑功能为核心，钢柱布置以框架体系为单元展开，尽量统一柱网尺寸，科室空间与功能布局协同设置，同时考虑快速建造，并降低施工难度。内装设计与施工时，尽量隐藏室内的柱、支撑，满足结构安全、耐久、负压和隔声等要求。设置钢柱时采用优先顺位原则(见图3)，即首选确保通道内侧齐平，钢柱不能阻碍通道顺畅;其次，兼顾功能属性均衡，钢柱居内隔墙体中心，不占使用空间，不影响门窗采光;再次，尽量保持钢柱布置成线形，并有规律可循，以方便统一构件规格及现场施工操作。尽量简化结构体系，为后续快速施工做铺垫。

　　

　　图3 ICU楼钢柱优先顺位布置  

　　 

　　3.3 组合截面设计

　　分析主体受力结构材料时，因钢材市场中的库存材料资源受影响，只能选择货源充足、便于组合、抗扭刚度大、承载力高的矩形管做主要受力结构材料。为解决矩形管承载力相对较低、承力构件截面类型过于单一的问题，满足医技楼钢柱在跨度方向刚度的受力要求，拼装焊接矩形管翼缘方向，形成组合截面A(见图4a)。因ICU楼屋面荷载大、钢柱强度要求高，拼装焊接矩形管的腹板方向，以提高构件承载力，同时使扭转刚度得到极大提高，形成组合截面B(见图4b)。在ICU楼没有集中荷载的区域采用双拼矩形管钢梁组合截面C(见图4c)，以满足结构变形设计要求。在ICU楼有集中荷载的重症监护病区，采用四拼矩形管钢梁组合截面D(见图4d)。

　　

　　图4 组合截面 

　　 

　　3.4 梁、柱连接节点构造

　　装配式钢结构连接节点是现场施工的重要环节，合理运用节点构造形式对钢结构整体性、可靠度及对制造安装的质量、进度都有直接影响。针对不同结构类型，运用不同连接节点构造形式。

　　1)ICU楼共202支钢柱、135支钢梁，为保证钢梁在原有力学特性上的完全连续性，梁、柱连接节点采用柱端顶、梁上搭构造(见图5)。在加工厂内，钢柱顶端按钢梁坡度焊接封头钢板，钢板外形轮廓比钢柱截面周边大20mm，以保证角焊缝高度，提高焊缝质量。在施工现场，安装好钢柱后，即可将钢梁搭在钢柱上进行固定焊接。该梁、柱刚性节点构造简单，连接焊缝满足等强传力要求，可降低对钢梁构件的加工精度要求，简化钢梁加工流程，提高构件加工效率。当钢梁进场后能直接搭接于柱端，进行装配、定位与焊接，节省汽车式起重机等待时间，提高机械施工效率，具有施工方便、节省钢材、整体刚度大等优点。

　　

　　图5 柱端顶、梁上搭节点构造  

　　 

　　2)医技楼主要受力材料是矩形管截面，为避免现场焊接，影响易燃材料防火要求，保证结构力学性能、节点强度与刚度，梁、柱连接节点采用实用新型专利“一种钢结构矩形杆件的刚性连接节点”(专利号:ZL201821430720.1)构造形式(见图6)。悬臂短梁与钢柱预先在加工厂焊接，悬臂短梁与钢梁在施工现场采用螺栓连接，将对接口处翼缘和腹板内、外置板上的螺纹相咬合，实现轴力、弯矩与剪力传递作用，解决矩形截面钢构件刚性连接需要现场焊接、或预留操作洞口、或安装质量难以达到要求、且影响后续施工的难题，具有避免焊接、施工方便、检查直观、受力良好、保证质量等优点。

　　

　　图6 实用新型专利节点构造  

　　 

　　3.5 7号病房无焊接钢屋盖快速建造方案

　　7号病房屋盖是在打包箱屋面上设置的防水金属屋面结构体系。前期施工过程中打包箱已组合成整体，并完成室内负压密封、屋面机电风管设备安装及屋面一级防水作业，屋盖受力结构体系需避开屋面各种管道及参差不齐的支架，不能进行焊接或明火施工，不能破坏屋面一级防水效果，并避开室内氧气管道等易燃易爆危险源。

　　统筹考虑施工环境、材料采购及工期要求等施工要素，进行无焊接钢屋盖-扣件式钢管脚手架适用情况分析。扣件式钢管脚手架单管立柱最大承载力可达35kN，且原材料普遍、市场库存量大，采购周期极短，搭设脚手架不需大面积焊接作业和明火施工，材料截面小、刚度大，可布置于管道间隙，采用旋转扣、直角扣、连接棒进行快速连接，适用各种角度的连接形式。施工人员可实现大面积流水搭接施工作业，能在指定时间内完成施工内容，施工效率非常高。

　　统筹考虑结构安全、形式简单、快速建造、连接节点便于施工等要素，进行无焊接钢屋盖-扣件式钢管脚手架桁架结构体系分析。对两支座传统桁架结构体系和多支座脚手架桁架结构体系进行参数对比分析(见图7,8，表1)。

　　

　　图7 两支座传统桁架结构体系反力(单位:k N)  

　　 

　　

　　图8 多支座脚手架桁架结构体系反力(单位:k N) 

　　 

　　  

　　表1 桁架结构体系结构参数对比 

　　 

　　 

　　

　　表1 桁架结构体系结构参数对比

　　通过对比分析，2种桁架结构体系在变形、应力、反力及内力参数方面，多支座脚手架桁架结构体系反力值很小，单根杆件内力值为6.2kN，≤8kN设计承载力，单杆间通过扣件连接满足安全承载力要求，整体结构体系可承受屋架质量，选择扣件式钢管脚手架桁架体系是安全的。

　　为保证支座节点可抵抗风荷载，达到抗剪和抗拔作用，提前将每支桁架立杆和底板焊接在一起，用4颗抗拔承载力≥4kN/颗的ST5.5型自钻自攻钉连接打包箱顶面龙骨框架(见图9)。自钻自攻钉连接时，先对被连接的立杆底板和龙骨框架制出螺纹底孔，再将自攻螺钉拧入被连接件的螺纹底孔，达到快速安装目的。由于不需加工预制孔，可提高加工效率，通过自钻自攻钉连接底板和龙骨框架，可实现无焊接安装，装配工序简单方便，提高施工效率，保证结构安全。

　　

　　图9 支座连接节点  

　　 

　　在钢管脚手架与矩形檩条连接节点上，采用十字形角钢作为转换件(见图10)，通过自钻自攻钉进行相互连接，解决2种不同截面的有效连接问题。该连接方式不影响檩条向钢管传递屋面荷载，且取材方便，施工方法简单，节约施工时间。

　　

　　图1 0 檩条连接节点  

　　 

　　4 装配式钢结构快速建造技术

　　由于参建单位较多，特殊时期条件严重受限，制造业劳务人员流动性普遍较强，局限于教育层次及培养时间，不能很好地对二维图纸及施工方法进行思维理解及有效安排，需要技术和管理人员阐述具体做法和步骤，避免人员素质不齐延误信息传递。

　　4.1 运用BIM技术绘制施工详图

　　在确保安全和使用功能的前提下，充分考虑工厂条件和施工方案的可操作性、运输条件限制、现场安装方便等因素，绘制施工详图。

　　针对钢结构工程建筑形状不规则，ICU楼钢柱数量众多，四拼组合截面钢梁框架与周边双坡双拼组合截面钢梁垂直布置，及医技楼大跨度三角形钢桁架L形布置的复杂特点，借助现有资源和各软件间的数据互导功能，通过2D→3D→2D协同工作方式，采用多种BIM软件相互配合，避免人为操作失误，还可通过服务器进行多人联机操作，极大提高绘制施工详图效率。

　　采用Tekla软件实现多人联机工作，实时三维查看钢构件布置与检查碰撞。布置ICU楼内钢柱时，提前运用AutoCAD软件删除二维钢柱布置图中多余的线条和属性层，仅留钢柱定位中心线和轴线等信息，形成钢柱结构布置线模型。将此线模型导入Tekla软件中，通过给予钢柱定位中心线截面属性，瞬间形成完整布置的三维钢柱模型，通过该操作，避免技术人员重复查找钢柱定位中心线的人为失误与校对过程，使施工详图结果真正符合结构原始布置，提高工作效率。

　　通过BIM模型实时查看钢柱确切位置，使钢梁搭设具有基础和便利条件。布置ICU楼钢梁时，分2人同时进行建模操作，在各自设置的工作状态内搭建模型，互不打搅独立建模。1人搭建重症监护病区上的大跨度钢梁框架受力结构，四拼组合截面的主梁顺双坡方向倾斜放置，长度是沿建筑长度方向的14m间距，双拼组合截面次梁为连接主梁间的支撑构件，连续设置形成建筑整体宽度。另一人搭建非重症监护病区上的普通双拼截面钢梁，钢梁沿坡度方向设置长度，连续设置形成建筑整体宽度。布置医技楼钢梁时，同样是2人同时建模，1人搭建长轴双坡三角形钢桁架，另一人搭建短轴单坡三角形钢桁架。

　　ICU楼和医技楼都是受力钢梁系统，呈垂直状布置形态，完成分区建模后，关闭各自工作状态，以三维模式呈现所有钢结构模型内容。BIM软件可预先设定节点参数，用户只需确定相应尺寸及环境状态即可完成节点详图设计。调整结构时，节点参数也自动做出响应，大大节约时间成本，提升准确度。运用BIM软件自带碰撞检查功能，可检查构件布置中有无相互重叠和干涉部位，若系统判定有此现象，会自动弹出报表警示碰撞构件编号、碰撞类型等信息，以便查找并修改模型。处理纵横交汇处的节点时，均以建筑坡度为主要控制方向，采用柱端顶、梁上搭的装配式节点形式，利用扩大间隔距离方式避免构件碰撞。因此借助BIM模型进行工作，使施工详图设计效率得到极大保障。

　　建立BIM模型后，通过3D→2D方式，可轻松实现设计施工一体化。设置BIM软件自动生成包括构件编号、尺寸、数量、质量、孔距孔径等信息的二维施工详图和所有材料格式清单报表。在加工厂内，施工详图可精确指导加工制作构件，材料清单可方便确定材料采购数量。在施工现场，管理人员通过施工详图指挥现场施工，通过材料清单方便清点材料，将材料分区堆放，避免材料二次倒运，质检人员根据施工详图确定结构布置和施工精度。

　　4.2 运用BIM技术进行技术交底

　　技术人员运用BIM模型配合施工详图进行加工技术交底。技术人员对加工技术人员及工人展示BIM模型，通过查看渲染的三维实体节点，讲述装配式构件关键控制尺寸、挠度和焊缝要求、涉及的相关施工规范，让当事人清晰无误地理解施工详图，按图加工并满足加工质量要求。

　　技术人员利用BIM模型进行可视化施工模拟和施工技术交底。通过渲染直观的BIM模型进行可视化、动态演示，展示主体结构纵横向施工、节点分散、大量焊接等特点。结合钢结构施工方案，仿真模拟并分析安装区域特点，地面操作空间狭小，高空作业居多，施工环境恶劣，项目管理人员及施工人员在钢结构安装时，需提前考虑吊点设置、安装顺序、安全维护系统，充分考虑测量控制方法，明确指出焊缝、标高和垂直度控制是质量保障的关键。

　　钢结构安装过程中，若主体结构发生变形，内力也随之改变，因此在施工详图阶段需将钢梁构件进行合理分段，确定ICU楼重症监护病区框架梁先行吊装，医技楼长轴外侧向短轴方向吊装的顺序，先利用结构自身刚度形成稳定小型单元，保证主体结构和临时支撑结构的内力和位移变化缓慢，使安装过程易于控制且安全可靠，通过不断扩大单元拼装，最后形成整体结构，实现零返工和确保施工安全。

　　4.3 配合BIM技术进行项目管理

　　运用BIM技术时，通过360°旋转和放大缩小模型了解施工现场全貌，理解结构主体、关键节点构造，从2D图纸→3D实体模型，促使项目管理人员从工期管理系统性和实用性出发，建立并有效实施一主控、四配置计划体系，即以进度计划为主线，全面保障钢结构构件配置、资源配置、技术配置和资金配置，为项目工期节点按时完成提供有力保障。

　　落实预防为主的安全方针，通过BIM模型，综合优化布置施工场地，合理布置材料堆场，保证运输路线畅通，避免材料二次搬运。优化调整施工参数，合理调整吊装顺序，协调施工详图、加工制作顺序、汽车式起重机进退场等流程步调一致。关注与土建、机电、医疗设备等其他专业的配合，有效避免施工空间交叉冲突产生的事故。

　　分析BIM模型时，把握细节控制施工质量。严格监控钢柱地脚螺栓预埋精度，确保偏差在规范允许范围内，增强现场安装变形控制措施，加强结构在施工期间的稳定性。为防止安装累计误差，先装区域形成稳定框架，偏差复测合格后，再依次安装周边钢构件。扣件式脚手架杆件外露高度不超过檩条高度，避免破坏屋面彩板防水效果。

　　在BIM模型中，对施工区域进行项目管理责任分区，责任人每天使用规定颜色标识构件，并上报项目经理，项目经理通过模型全局颜色知晓实际施工进度，针对制约施工进度的关键要素，进行统筹处理和督办解决，提高项目管理效率。

　　5 结语

　　武汉火神山医院现已全部竣工并投入使用，其中ICU楼、医技楼和7号病房各项建筑功能指标、施工质量参数均满足设计要求，全部一次性通过验收。

　　ICU楼、医技楼和7号病房施工前，探讨装配式钢结构快速建造方案。应用BIM技术，分析、比选建造方案，确定快速建造ICU楼和医技楼的结构体系、组合截面、连接节点方案。采用扣件式钢管脚手架，使打包箱顶面的屋盖体系能承受荷载、抗风作用，避免大面积焊接和明火作业，提高施工效率，满足建造功能。

　　全面运用BIM技术，实现装配式钢结构快速建造，经过提炼和整理得到AutoCAD格式的线模型，导入Tekla软件，实现多人联机搭建BIM模型，进行钢结构施工详图设计，解决建筑形状不规则、结构布置复杂、杆件碰撞问题。通过BIM模型进行施工技术交底，促使施工管理效率达到预期。

　　将施工技术融入工程设计，在设计阶段既考虑建筑、结构功能，又考虑加工质量及施工效率，有效解决项目设计、制造和施工等快速建造要素间的信息断层与信息孤岛问题，通过BIM技术实现工程信息共享与集成管理，极大提高施工效率。