忠县电竞场馆项目为大型全钢结构场馆项目, 屋顶 (见图1) 为2片曲面翼形结构, 施工复杂、截面大, 每根管桁架长度均不相同, 焊接易产生质量缺陷。通过深化设计, 对结构形式进行优化, 将单榀圆管改为蜂窝梁, 将上、下圆管使用1块腹板进行连接, 加强结构稳定性, 并且减少了构件数量, 并将一些圆管优化为下圆管、上钢板的形式, 减少了焊接量、应力变形。优化完成后最大的蜂窝梁截面为H2 500×400×22×35/450×14 (上方为400mm×3355mmmm截截面面钢钢板板, , 下下方方为为445500mmmm××1144mmmm的的圆圆管管, , 腹腹板板为为2222mmmm) ) , , 将将管管桁桁架架转转变变为为蜂蜂窝窝梁梁结结构构体体系系后后, , 使使主主、、次次桁桁架架及及平平面面桁桁架架组组成成稳稳定定的的翼翼形形曲曲面面结结构构。。

1) 对结构进行优化, 将全管式桁架结构改为巨型蜂窝梁结构。将桁架散件运至现场后在地面进行拼装, 拼装完成后进行整体桁架吊装。

2) 采用Tekla深化设计软件, 配合CAD画图软件, 建立结构及三维模型, 根据拼装方式, 提取三维坐标, 控制桁架拼装精度以及安装精度。

3) 屋面主桁架与钢柱连接桁架采用搭设斜撑进行安装, 与托梁连接的主桁架采用支撑柱与拉索、倒链进行临时固定安装。

4) 主桁架安装是整体框架精度控制的基础, 主桁架安装时, 对桁架底部及顶部的标高、桁架轴线进行测量控制, 保证主桁架安装精度。保证主、次桁架的精度后, 再进行平面管桁架的安装, 使其成为稳定的结构框架, 保证翼形屋面的流畅度及平整度。

原有结构屋顶为全管式桁架结构, 其构件数量多、焊接量大、施工费时费力, 后改为蜂窝梁结构, 减少构件数量、焊接量, 也降低了深化设计难度。

优化后蜂窝梁结构主桁架共285榀、次桁架共410榀、平面桁架共230榀, 散件拼装吊次较多、费时费力, 将桁架散件在地面拼装, 且胎架拼装完成后进行整体吊装, 减少变形及吊装次数。

使用Tekla等深化软件建立模型, 对单片桁架和平面桁架提取三维坐标, 并进行应力分析, 优化连接节点, 根据三维坐标, 设置定位板、对接接口, 对单片桁架和平面桁架进行地面拼装。

分段吊装屋面主桁架时进行临时加固, 采用加固措施后, 大量减少胎架支撑, 只需在穹顶区域设置胎架支撑即可满足施工要求, 降低了胎架的使用量, 节约成本, 并优化了施工工序。屋面主桁架分段安装采用2种加固措施: (1) 与钢柱连接的桁架采用搭设斜撑进行安装; (2) 与托梁连接的主桁架采用支撑柱与拉索、倒链进行临时固定安装。

将蜂窝梁板式主桁架、次桁架作为主体框架, 并将平面管桁架与主、次桁架连接组成稳定结构框架, 这种安装方式在保证整体受力的同时, 还保证了翼形屋面的轮廓形态以及造型的流畅度和平整度。

整体施工工艺流程:加工制作→主桁架地面拼装→主桁架吊装→次桁架吊装→平面桁架地面拼装→平面桁架吊装→屋面结构完成。

屋面结构的施工思路为: (1) 主桁架:分段运输→现场拼接→整体吊装 (无需分段主桁架) , 或分段运输→现场拼接→临时支撑→分段吊装 (需分段主桁架) ; (2) 屋面次桁架:成品运输→现场吊装; (3) 平面桁架:散件运输→操作胎架搭设→现场拼装→整榀吊装。

屋面结构分为3个区 (A1, A2, A3) , 根据各分区内的结构选择相应工况塔式起重机进行吊装 (见图2) 。

A1, A3区主桁架运输进现场后进行现场拼装, 拼装完成后进行主桁架整体吊装, 并进行固定焊接, 完成后进行次桁架安装吊装, 由此形成一个稳定的结构框架体系, 最后进行屋面平面桁架的吊装。

A2区屋面桁架在结构穹顶之上, 施工顺序为:穹顶桁架完成施工后, 安装支撑筒结构和支撑筒圆环范围内桁架→安装穹顶之上主桁架及临时加固措施→安装穹顶之上次桁架及边桁架。

将A1, A2, A3区全部完成后, 主、次桁架形成稳定的结构框架, 之后安装平面桁架, 使整体形成稳定的结构体系, 2片翼形屋面整体结构完整、平滑、美观度高。

通过BIM技术建模及深化设计, 发现原有结构管桁架构件数量多、施工难度高、焊接量大, 焊接易产生应力变形, 会影响现场施工进度且易产生质量问题, 经深化设计优化后, 改变为蜂窝梁结构体系, 减少了结构构件、降低了施工难度、减少了管桁架焊接后易产生焊接变形的问题。

采用BIM软件对结构进行建模深化, 模拟巨型截面蜂窝梁结构施工, 对各单榀桁架进行受力分析, 选择最优的施工方案后, 对模型各部位提取三维坐标, 制作构件尺寸及定位板, 并与现场进行复核, 确保施工精度, 防止在施工过程中构件出现偏差引起质量问题。

利用BIM软件对结构模型进行受力计算及施工模拟分析, 在确定结构受力稳定的同时, 选择现场施工的最优方案, 经计算及优化, 决定取消胎架支撑, 改为采用斜撑、支撑柱、倒链的形式进行安装。

主桁架截面为H2 500×400×22×35/450×14 (见图3a) 及H2 100×402×14×22 (见图3b) , 主桁架最长为41m, 最重为35.4t。加工制作流程及工艺按照常规做法。屋面次桁架、平面桁架分别如图3c, 3d所示。

由于屋面结构桁架截面较大, 并存在一定角度, 分段吊装屋面主桁架时进行临时加固。经Tekla建模后进行设计及计算, 屋面主桁架分段安装采用2种加固措施, 如图4, 5所示。

与钢柱连接的桁架采用斜撑进行安装, 使用HN150×100×4.5×6的热轧型钢作为斜撑, 根据Tekla深化模型进行三维坐标确定, 屋顶钢柱加工阶段在斜撑位置焊接支撑连接钢板, 钢柱与钢梁斜撑夹角为45°, 临时支撑杆件与钢构件临时连接节点采用双面角焊缝焊接连接板, 使用10.9级安装螺栓进行安装, 如图6a所示。

与托梁连接的主桁架采用支撑柱及拉索、倒链进行临时固定。桁架连接位置安装HN150×100×4.5×6热轧型钢作为支撑柱, 支撑柱上方焊接临时连接耳板, 使用5t倒链及42钢丝绳进行拉结, 还能对主桁架进行校正。钢丝绳及倒链使用临时连接耳板进行固定, 加固措施如图6b所示。

大跨度分段桁架临时加固施工要点如下: (1) 与钢柱连接的主桁架, 在构件深化设计时, 将临时连接板与主结构一同深化, 工厂分别在钢柱与桁架处焊接定位连接板, 现场安装钢柱与斜撑, 其次吊装桁架进行连接; (2) 现场在吊装托梁时安装支撑柱, 并安装绳索及倒链, 主桁架分段设置吊耳进行拉伸加固; (3) 临时连接桁架就位时, 及时对准连接板, 孔洞有少许偏差的接头使用冲钉配合调整跨间距, 通过桁架下端圆管侧向定位马板进行侧向定位, 利用桁架上翼缘连接板进行桁架临时固定, 拧紧安装螺栓并进行焊接加固, 以及采用缆风绳进行加固, 防止倾倒, 严禁发生梁不到位、起重工用手强行就位的现象。

屋面结构桁架跨度≥20m的梁按L/1 000的要求进行起拱, 加工制作时考虑自重对设计预拱度的影响, 通过绘制桁架设计预拱度曲线, 计算、分析梁体在自重作用下位移的变化值H, 对设计预拱度曲线进行定量调整, 通过计算, 确定对应点的竖向位移值, 绘制加工制作预拱度曲线, 并按该条曲线进行实际放样, 加工制作时对桁架预拱度进行实际控制。

屋面主桁架整体吊装最重为22.44t, 长为30m, 轴线位置3-B轴, 根据现场吊重机械分析, 选用塔式起重机ZSC1400-70m, 在额定吊重范围内, 选用2点起吊, 钢丝绳长15m;吊装设置2个吊点。桁架吊装时吊点受力最大为112k N, 根据吊点受力值, 网架吊装卸扣选择GD17.5弓形卸扣。

屋面蜂窝梁主桁架单根最长41m, 根据现场塔式起重机性能、结构受力及运输规定, 无法满足整榀加工及吊装, 需对无法满足塔式起重机性能及运输规定的构件进行分段加工运输, 在现场地面进行拼装, 保证其稳定性及焊接质量, 现场完成拼装焊接后进行吊装, 相比于散件吊装, 整体吊装效率有了很大的提升。其拼装工艺流程为: (1) 搭设临时拼装胎架; (2) 测量定位, 确定放置桁架相对坐标点; (3) 桁架放置、拼装胎架焊接; (4) 焊接汽车式起重机翻转构件, 并完成拼装对接。胎架大样如图7所示。

先使用BIM模型提取三维坐标, 对现场主桁架安装位置坐标进行复核, 之后根据现场坐标进行精确定位, 定位偏差满足要求后, 方可进行屋面主桁架的吊装。屋面结构主桁架采用2点吊装, 吊点位置在距离钢桁架边缘1/3处及保证绳索夹角<60°;桁架安装就位存在一定角度, 桁架吊装时根据重心位置, 计算吊装钢丝绳长度, 钢丝绳一端采用10~20t手拉葫芦调整桁架安装角度, 以提高安装效率;桁架的吊装钢丝绳绑好后, 先在地面试吊2次, 离地50cm左右, 桁架两端拴棕绳作溜绳, 如果不合格应落地重绑吊点;经试吊平衡后方可正式起吊。

安装准备:桁架安装前采用BIM软件提取三维坐标并在现场进行精确定位, 之后对连接牛腿位置的标高与轴线进行复验并记录;吊装前, 对桁架的长度、断面、翘曲等进行预检, 发现问题即向技术部门报告, 以便及时采取措施;吊装后, 在地面上将挂笼安装在桁架上, 供摘钩、安装螺栓作业用;屋面桁架应在连接位置设置定位板, 作为就位、调整措施;当钢桁架对接 (焊接/栓接) 完成, 且验收合格后, 再将耳板割除。

试吊:吊机就位、绑扎完成后, 对桁架进行试吊。将钢架吊装脱胎5cm高后, 悬停3min, 检查钢架吊点及整体构架稳定性, 确保安全后方可继续吊装。

就位:屋面桁架吊装到指定高度后, 采用溜绳进行侧向安装 (桁架下端圆管侧向焊接定位马板) , 桁架平移到安装位置后, 对接上翼缘板, 安装临时螺栓, 并焊接固定下翼缘圆管;屋面桁架安装就位后, 先调整标高, 再调整位移, 最后调整垂直偏差, 重复上述步骤, 直到符合要求。

屋面桁架安装时平面上按照先主桁架、后次梁的施工顺序, 安装完成后整体校正, 而桁架焊接按照先焊主桁架、再焊次梁的施焊顺序。

临时加固卸载:桁架焊接完成并验收合格后, 进行拆除, 主要包括桁架上翼缘定位连接板、下翼缘定位板、钢柱斜撑、桁架拉撑。

桁架就位后采取临时固定, 主要采用两侧缆风绳和支座两端钢支撑进行加固。在加固前利用全站仪或铅垂测量桁架角度是否满足要求, 利用两侧缆风绳进行微调, 校正无误后立即进行加固。

支座加固主要通过在柱外侧的临时钢牛腿上部与桁架两侧翼缘板间加设立杆支托进行, 同时桁架两侧均设置3道缆风绳进行辅助加固, 如图8所示。缆风绳主要用于稳固和调节使用。桁架屋面、次桁架全部安装完毕后, 形成稳定的空间结构, 桁架临时加固拆除, 临时支撑拆除后禁止在桁架上再次焊接。

桁架安装完成后, 主要采用全站仪观测, 在桁架上张贴反光片, 作为每次观测的控制点。每3跨桁架间张贴≥3个反光片, 观测点应设置在连接受力节点上, 观测其挠度变化, 直至结构完成。检测过程中将观测结果与BIM模型进行复核, 确定实际偏差量与设计要求量是否吻合, 观测频率为1次/d, 持续观测1周。

桁架吊装前, 清理构件、打磨焊口、拉设溜绳;起吊至就位位置上方时, 调整桁架角度并稳定后, 缓慢下落直至就位, 按规范要求穿入安装螺栓, 塔式起重机松钩, 为桁架焊接施工做好准备。

根据现场施工机械配备, 屋面主桁架满足吊重要求的采用整根吊装, 无法满足吊重要求的采用分段吊装, 使用BIM进行施工模拟, 现场施工按照模拟情况进行, 其流程为: (1) 在端部桁架与桁架斜撑完成焊接后进行整体吊装, 并搭设钢柱操作平台, 完成钢柱与斜撑的焊接; (2) 吊装与钢柱牛腿连接的第2根桁架; (3) 两端桁架完成焊接后, 吊装中间段桁架; (4) 完成主桁架安装, 吊装悬挑桁架, 其分段桁架安装工艺流程的BIM施工模拟如图9所示。

单跨>36m的主屋面桁架, 其连接形式为安装于屋面托梁, 对其进行分段吊装。其流程为: (1) 吊装与钢柱牛腿连接的竖向桁架并加固, 搭设钢柱操作平台, 焊接桁架; (2) 吊装与钢柱牛腿连接的横向主桁架; (3) 安装柱间主桁架; (4) 安装边桁架; (5) 安装悬挑主桁架并进行加固; (6) 安装主桁架分段部位梁, 并使用手拉葫芦进行加固; (7) 安装分段部位主桁架, 并使用手拉葫芦进行加固; (8) 安装次桁架, 形成框架。工艺流程如图10所示。单跨屋面桁架安装工艺按常规工艺流程进行。

1) 桁架类别 平面桁架分为边桁架及竖向次桁架, 均为管桁架, 采用单榀吊装焊接 (见图11) 。

2) 机械选择 平面桁架塔式起重机选择同主桁架。

3) 吊点设计 桁架主要为平面桁架, 采用单榀吊装, 边桁架为竖向安装, 平行于屋面桁架上翼缘板, 水平安装焊接吊耳。

4) 绳索选择

边桁架单跨长8m, 宽3m, 单榀边桁架BHJ重1.8t, 穹顶之上的桁架HL2最重约7.4t, 可通过接长钢丝绳或选择吊点距离来调节吊索的水平夹角, 钢丝绳选型如表1所示。

5) 平面桁架拼装

平面桁架拼装工艺流程为: (1) 使用全站仪, 将待拼装的桁架轴线放样至地面上, 精确测定操作架位置, 按照轴线位置放置拼装操作架, 用25t汽车式起重机拼装桁架上、下弦杆; (2) 用25t汽车式起重机拼装中间位置的腹杆, 用于固定上、下弦杆, 防止腹杆拼装时弦杆位置发生变化; (3) 用25t汽车式起重机依次安装斜腹杆, 桁架拼装完成, 进行最终复核、校正, 最后进入焊接工序, 如图12所示。

6) 平面桁架吊装

平面桁架拼装完成后, 采用塔式起重机吊装就位。平面桁架吊装分别设置2, 3个吊点, 根据桁架重心计算吊点位置, 采用2根倒链在起吊及就位过程中调节桁架的整体姿态。

工艺流程为: (1) 吊装与钢柱牛腿连接位置桁架, 桁架斜撑于桁架完成焊接后进行吊装, 并搭设钢柱操作平台焊接斜撑; (2) 吊装与钢柱牛腿连接的第2根桁架。

蜂窝梁结构体系安装与传统管桁架散件拼装相比, 施工速度快、焊接变形小, 同时利用Tekla建模及设计讨论, 优化结构体系及施工工序, 既有效保证了安装工期及施工安全, 又节约了人工、材料及机械使用费用, 取得了良好的经济和社会效益。