在大型公共建筑中, 多设置LOGO塔作为标志建筑, 单枝花形钢结构高塔是塔柱采用锥形立柱、柱顶外扩的异形曲面结构, 造型美观、风格独特, 可充分表达企业文化或建筑群的设计思想。以重庆万达城展示中心项目LOGO塔为例, 在施工过程中, 采用悬挑操作平台及满堂支模架组合的形式, 经前期周密筹划, 实现了高空桁架盘钢结构吊装及装饰施工, 确保了施工安全, 加快了施工进度。

重庆万达城展示中心LOGO塔位于展示中心东南角, 邻近龙凤河, 为新型高耸单枝花造型, 基础形式为桩基, 安全等级为一级, LOGO塔高32.228m, 上部花瓣结构外扩13m, 塔身为变截面钢柱, 钢柱单件最大吊重为16.5t, 钢梁最大吊重达20.50t, LOGO塔由3层直径不等的桁架盘连接形成整体, 花朵由12片花瓣组成, 每片花瓣由120mm×80mm×4mm的钢管拉弯焊接而成, 上部花瓣采用外包穿孔铝板和泛光照明, 如图1所示。

1) 钢柱地下最大高度为8m, 地上最大高度为31.7m, 共计39.7m。钢柱单件最大吊重为16.5t, 钢梁最大吊重达20.50t, 本施工场地有限, 作业面小, 吊装难度大。

2) LOGO塔由3层直径不等的桁架盘连接形成整体, 花朵由12片花瓣组成, 每片花瓣由120mm×80mm×4mm的钢管拉弯焊接而成, 加工精度高, 整个花瓣结构直径达13m, 吊装难度大, 桁架盘和花瓣与钢柱连接作业施工难度大。

3) LOGO塔高32.228m, 上部花瓣结构外扩13m, 柱顶外扩结构高空作业无施工操作面, 安全防护困难、作业风险大。

4) LOGO塔为高耸薄壁、顶部外扩结构, 垂直度控制难度大。

5) 桁架盘及花瓣龙骨高空散拼, 保证安全和进度难度大。

1) 花茎采用分段卷管、分节吊装解决了锥形钢柱的加工、安装难题。

2) 单枝花形高塔采用高耸单立柱柱头桁架结构, 塔柱截面由下到上逐渐变小, 形成花茎, 通过3层桁架盘+刚性支撑形成外扩花心受力结构, 为装饰造型提供了稳固的受力结构。

3) 进行施工工况模拟, 合理确定锥形钢柱分段吊装方案;采用数字模拟预拼装与工厂预拼装技术, 保证了桁架盘及花瓣龙骨现场整体拼装、整体吊装的要求, 依托锥形钢柱结构, 在26m高空设计安装一个直径16m的钢平台, 解决了柱顶外扩结构高空作业无施工操作面的难题。

4) 采用Tekla建立钢结构模型, 对钢结构进行深化设计, 用Revit对锥形立柱、曲面桁架分割下料;利用BIM技术对花朵结构、钢平台、双曲面幕墙施工进行多次模拟分析, 直观、形象地将实际立体模型展示出来。

LOGO塔钢柱安装→悬挑钢平台安装及操作架搭设→花朵钢结构安装→花瓣龙骨及幕墙安装→脚手架及钢平台拆除。

深化设计时构件分段要综合考虑机械吊装能力、安装视觉效果、业主需求、交通运输要求等方面, 最终确定按 (8+6.3+14.7+10.7) m的方式进行分段 (见图2) , 最底部立柱直径为1.7m, 最长立柱为14.7m, 也是为满足重庆道路运输管理制度设计。整体拼装效果经前期BIM演示后, 提供多个方案经业主选择确定。

重庆万达城项目LOGO塔为体现一枝花的造型, 钢柱近似于花茎, 因此塔柱截面由下到上逐渐变小, 直径由1.7m缩小至1.2m, 考虑吊装及运输要求将塔柱分为4节进行加工和吊装。钢柱最长14.7m, 重16.5t, 采用200t汽车式起重机, 吊装半径18m。

LOGO塔高32.228m, 钢管壁厚30mm, 属典型的薄壁结构, 高柱轴线偏位及垂直度易受自然因素 (风载、温差) 和人为因素的影响, 施工技术要求高, 现场采用“以单节柱垂直度为基准的安装校正法”对花形薄壁钢柱的垂直度进行控制: (1) 利用全站仪实时对钢柱安装的全过程进行沉降观测, 并及时消除沉降对钢柱垂直度的影响; (2) 根据上一节柱的柱头偏移值和扭转变形值, 对新安装的下一节柱底通过焊接在上、下节柱节点处的耳板、螺母及可调节滑槽向偏移、变形的反方向进行微调, 最大程度地靠近定位轴线, 并调节扭转变形在规范要求的范围内 (见图3) 。通过以上方法最终保证整体垂直度满足规范要求。

采用钢板按锥形分段卷管, 对接焊接连接, 按塔柱分节图加工成4节, 并根据截面增设定位板, 定位板也为异形, 异形锥板加工前, 需提前采用BIM软件模拟演示。

LOGO塔总高39.7m, 地下高度为8m, 地上高31.7m, 分4节吊装, 单节最大吊重为16.5t。吊装操作架26.000m以上采用钢平台, 26.000m以下采用落地式外环架带爬梯, 保证人员施工安全。

首节钢柱 (吊重约12t) 、二节钢柱 (吊装高度6.3m、吊重约7.5t) 采用130t汽车式起重机吊装, 吊装半径18m;三节钢柱 (钢柱高14.7m、吊重约16.5t、吊装高度21.000m) 采用200t汽车式起重机吊装, 吊装半径18m;四节钢柱 (钢柱高10.7m、吊重约12.8t、吊装高度31.700m) 采用130t汽车式起重机吊装, 吊装半径18m。

钢柱吊装穿入基础螺栓就位后, 对其进行校正, 主要是对标高进行调整和对垂直度进行校正。校正采用缆风绳、调节螺母在柱板与基础间调整, 校正后用螺栓固定, 并加双重螺母防止松动。

柱顶花瓣外扩直径13m, 如从底到顶搭设满堂脚手架, 投入大、搭设周期长, 因此在26.000m高空设计安装一个临时钢平台作为上部结构施工操作平台。钢平台由12根H形钢梁按30°放射性对称布置, 环向从内至外由3道H形钢梁连接成一个直径16m的圆盘。

因为钢柱为锥形结构, 可以采用抱箍外焊接耳板的方式向外侧传递临时荷载, 总计2层抱箍分别用于连接平台水平型钢和支撑斜钢, 通过此方式可以避免在立柱上焊接从而对钢柱造成的烧伤现象, 如图4所示。

钢平台在地面完成预拼装, 然后整体吊装, 最后通过抱箍与锥形立柱连接。钢柱全部安装完后, 施工架管搭设至26.000m标高位置, 以便安装操作平台临时构架。LOGO塔外扩完成尺寸为13m, 平台上还需搭设双排脚手架作为顶部花朵结构的安装操作架。

花朵盛开直径达13m, 为满足花瓣的安装, 沿着钢平台外围搭设双排脚手架作为操作架兼防护架。在龙骨吊装与花瓣幕墙安装时, 采用2台起重机对称安装的原则, 以减小柱根部弯矩过大而变形等。顶部花瓣外架围绕花瓣按10°搭设, 外排立杆间距1 396mm, 花瓣底部内侧局部增加1排立杆用作花瓣底部安装操作。

钢平台与钢柱直接采用高强螺栓连接, 整个平台与钢柱形成全对称受力结构, 经过大型有限元分析软件MIDAS/Gen计算, 得出满足施工要求的最小切面。结构受力复核如下。

(1) 恒荷载 双层管架采用48×2.8的圆管, 重3.12kg/m, 30mm厚竹胶板0.6k N/m², 5.4m高的脚手架, 因此恒荷载总计为1.029k N/m², 考虑扣件等因素, 取恒荷载为2.0k N/m²。

(2) 活荷载 按100人同时站在钢平台上, 施工人员按照100kg/人计, 平台总面积约200m², 总活荷载约100k N, 共10t, 活荷载标准值:0.5k N/m²。按照活荷载为满载情况下的布置, 恒荷载标准值取2.0k N/m², 活荷载标准值取0.5k N/m², 风荷载标准值0.4k N/m, 体型系数取-1.3。抗震设防烈度6度 (0.05g) , 地震分组2类。温度为±25℃, 计算如图5所示。

根据计算分析模型进行规范检验, 结果表明结构能够满足承载力计算要求, 应力比最大值为0.73。模型总体应力比分布如图6所示。

标准工况位移分析如图7所示。计算结果显示, 应力比均<0.8, 标准工况下, 最大位移约为13mm<7 400/400=18.5mm, 满足变形要求。

塔上部花朵造型结构分解为3层直径不等的钢架盘, 第1层桁架直径约3.8m、第2层桁架直径约12.1m、第3层桁架直径约11.3m, 3层桁架盘间由刚性支撑进行刚性连接, 形成整体, 并由拉索对桁架的稳固性进行加强, 形成花心受力结构。

为方便桁架盘快速安装就位, 先将桁架盘标高定位线画在钢柱上, 再在钢柱上根据标高焊接定位板, 定位板采用I20, 沿径向每60°设置1根, 共计布置6根, 悬挑长500mm。

花朵钢结构由3层桁架盘+刚性支撑组成, 由拉索进行加强, 桁架盘采用整体吊装, 吊装分为以下3步: (1) 第1步28.200m标高吊装桁架盘, 与钢柱焊接牢固, 吊装半径18m, 使用100t起重机; (2) 第2步在29.500m处搭设施工架管, 30.700m标高吊装桁架盘, 与钢柱焊接, 并焊接制作28.200~30.700m标高桁架盘之间的斜撑和柱间支撑; (3) 第3步31.700m标高吊装桁架盘, 与钢柱焊接, 并焊接制作30.700~31.700m标高桁架盘间的斜撑和柱间支撑, 本次吊重为19t, 采用200t起重机吊装。

1) LOGO塔花朵由12片花瓣组成, 每片花瓣龙骨由120mm×80mm×4mm的钢管拉弯焊接而成, 龙骨分片制作完成运至现场, 采用100t汽车式起重机单片整体吊装, 幕墙龙骨与主体钢结构焊接固定。花瓣吊装半径26m, 吊装高度37m, 吊重0.8t, 选用100t汽车式起重机满足吊装要求。

2) 花瓣为双曲面造型, 实际定位及加工有很大难度, 采用Revit建立花瓣模型, 对双曲面穿孔铝板面板进行分割放样 (见图8) , 交由加工厂按此进行加工制作。

3) 因花朵为中心对称结构, 安装时需采用对称安装以减小顶部荷载不均而产生的弯矩。

从上至下依次拆除顶部花瓣外架、钢平台, 拆除钢柱外架时一边拆除一边修补安装连墙件及花托部分的铝板。

通过重庆万达城展示中心LOGO塔薄壁钢结构安装施工过程, 可得出以下结论。

1) 对于高径比大、整根钢柱结构自重大的高耸钢结构需采用分段卷管、分节吊装措施, 可有效保证钢结构加工及安装的施工难题。

2) 单枝花形薄壁钢结构的上部花瓣龙骨及幕墙需采用悬挑钢平台结构作为施工平台, 相较满堂式脚手架操作平台施工进度快、安全系数高、施工成本大幅度降低。

3) 采用BIM技术对异形钢结构幕墙进行优化设计、精确定位安装, 可有效保证安装质量、施工进度。