重庆巴南万达广场项目购物中心有2个采光顶, 一个为跨度30.8m的圆形采光顶, 另一个为椭圆形采光顶, 其长轴为32m、短轴为22.6m, 采光顶位于3层顶板, 安装高度为15.3m, 由于采光顶在建筑物内部, 无安装空间、无运输道路, 给安装带来极大困难;穹弧采光顶因面积大、高度大、钢结构自重大, 单件吊装安装时间长, 质量难以保证;采光顶尺寸、造型差异大, 不宜搭设满堂脚手架作为辅助工具进行采光顶安装。

对安装过程中比较关键的问题, 如安装方法、安装顺序等进行重点分析, 采用圆心操作平台+高空分段吊装+中拼单元吊装安装法施工, 以提高施工生产效率、保证施工质量和安全、缩短施工工期、减少材料浪费、节约施工成本。

利用BIM技术进行施工模拟, 利用有限元软件对穹顶式钢结构采光天窗的钢架进行构件分解, 对分解后构件的重心位置、质量、外形尺寸、拼接位置和安装位置等进行分析, 并根据上述因素进行吊装工况分析及结构楼面承载力分析, 确定吊装设备工艺参数及吊点位置, 圆心处搭设操作平台 (主要配件为塔式起重机标准节) , 其余外环在椭圆弧主梁下部增设桁架后, 在桁架上铺设脚手板作为操作架, 后期施工完毕后拆除。起吊顺序为先安装十字形主龙骨对撑构件, 再安装中环构件, 最后是其余龙骨弧形构件的对称安装, 有力保证了穹顶式钢结构采光天窗的安装精度。

在安装过程中, 已安装与现安装构件通过临时顶撑连接形成稳定三角自平衡体系。构件吊装就位、测量定位符合要求, 焊接完成并验收合格后再进行脱钩, 然后进行下一段构件安装。

中环部位构件安装完成后, 通过塔式起重机对称安装与穹弧中环部位连接的构件, 进而完成采光穹顶钢结构无胎架施工。

采光穹顶安装前, 先对钢结构进行深化设计, 使钢结构达到可承受施工作业的荷载, 以此为背景, 再进行后续施工。

在搭设圆心操作平台前制作需要安装的采光穹顶配件, 搭设后先进行十字形主龙骨对撑构件吊装, 再进行其余对撑构件及弧形构件的吊装, 焊接后进行检查, 并完成对钢架面漆的施工, 安装完采光玻璃后, 拆除平台。

钢结构采光穹顶基本设计情况如图1所示。为方便施工、减少搭设脚手架的工程量, 圆心处搭设操作平台 (主要配件为塔式起重机标准节) , 其余外环在椭圆弧主梁下部增设桁架后, 在桁架上铺设脚手板作为操作架, 施工完毕后拆除。

在吊装前需对钢结构主梁进行深化设计, 通过增加下部斜撑安装横向腹杆、拉杆等形式, 为后期铺设脚手板及挂设密目网提供作业面, 新增构件均在安装作业结束之后去除。

在穹顶中心部位设置钢结构平台, 作为操作平台兼定位固定穹弧中环构件。钢结构平台采用塔式起重机标准节搭设, 安装高度22m (10个标准节、采光顶高23.75m) , 主要用于安装钢化玻璃、遮阳帘、电气件等, 本身不承受采光顶荷载。采光顶钢结构深化设计如图2所示。

整个钢结构桁架自身固定在楼板预埋件上, 找好控制点, 用水准仪找平, 经复核确认无误后控制放点。中心升顶支架基础采用轧制宽翼缘H型钢 (200mm×200mm×8mm×12mm) , 呈菱形, 其端部通过预埋件与钢筋混凝土主梁或柱连接 (钢筋混凝土主梁或柱中应留有预埋钢板) 。与塔式起重机标准连接的底座节点处增加加劲肋, 塔式起重机标准节定位和底座连接分别如图3~5所示。

考虑地下室顶板承载力要求, 立杆纵横向间距700mm、扫地杆离地200mm、水平杆步距1 500mm, 顶托内双钢管与木方间距200mm。-1层回顶立杆范围及排布如图6所示。

由于架体较高, 故考虑标准节四周设置缆风绳 (4个方向各1根) , 缆风绳采用16mm的钢丝绳。标准节上部无起重设备, 主要动荷载由施工人员作业时产生 (见图7) 。

将标准节 (1 590mm×1 590mm×2 200mm) 与井字架相连, 锁紧连接螺栓。紧固好后采用掉线法检查塔身标准节, 保证塔身四面竖直。塔身四周拉起钢丝绳固定在每层结构上, 做好安全防护措施。

按照预先设定要求, 当塔身结构高度达到指定高度后, 在顶面搭设1个操作平台。作为焊接中环构件的操作平台, 由短矩形管及角钢焊机制作而成, 4根短矩形管与塔式起重机标准节四面卡死, 防止操作平台滑移, 具体尺寸如图8所示。

1) 椭圆形采光顶 采用桁架梁搭设, 每榀椭圆球钢梁下部安装φ100×5横向腹杆, 主梁和腹杆间通过φ80×4的拉杆进行连接。贯穿桁架梁最大1.9t。所有桁架梁吊装完毕并调整固定后, 在桁架梁下挂安全网 (见图9) 。

2) 桁架梁加工 为最大限度地减少高空作业, 满足吊装构件的自身稳定, 每跨整段钢梁进行整体吊装。在施工现场拼装成整段钢梁, 即为一个吊装单元。同时为方便安装顶部钢结构及后期圈梁、铝板、玻璃, 桁架梁立杆及斜拉杆的焊接部位错开圈梁部位。

桁架梁的下弦杆和腹杆采用对接焊缝拼接接长。考虑到椭圆中庭正中部桁架跨度达15m, 对中间部位起拱20mm。当钢结构焊接后产生超过允许偏差范围内的变形时应予以矫正, 如采用机械方法进行构件变形矫正时, 环境温度≥0℃;采用加热防风进行矫正时, 加热要缓慢, 且≤900°, 以防材质过烧。

1) 吊装设备选取 根据加工构件的质量及距离, 选取现场已安装的塔式起重机TC5513作为主要吊装设备。

2) 吊装前尺寸复核 深化后的桁架安装前应对尺寸进行复核, 对构件的变形和缺陷进一步修补, 本方案采用塔式起重机安装桁架。该桁架主结构在地面拼装完成, 故在吊装时计算全部结构总质量, 并增加2%的难度系数 (焊缝) , 确保质量计算不小于实际值, 保证选择塔式起重机的安全性。

3) 吊装顺序 考虑到穹顶结构的安全, 整个弧形采光顶桁架最先吊装椭圆半轴钢梁gl11 (2支整体吊装) , 然后分别吊装2支椭圆长轴钢梁gl1, 使整个穹顶成十字形, 再利用圆心操作平台将中环构件焊接到位以形成稳定体系, 然后依次吊装gl2~gl10, 直至整个钢梁全部吊装完毕。钢桁架吊装时短轴钢梁 (整跨吊装) 重约1.4t, 长轴钢梁 (半跨吊装) 重约1.0t, 且仅椭圆短轴为整跨吊装, 其余钢梁均为半跨吊装, 先安装短轴钢梁、再安装长轴钢梁, 安装完成后作为其余钢梁的支座。钢梁编号如图10所示, 骨架安装过程如图11所示。

4) 吊装就位及定点控制 吊装前应在构件表面标出安装时的控制线作为校正的依据, 起吊时先将桁架梁吊离地面50cm左右, 使桁架梁中心对准安装位置中心, 然后徐徐升钩, 再用溜绳旋转屋架使其对准预埋件顶, 以使落钩就位, 落钩时应缓慢进行, 并在屋架刚接触预埋件顶时刹车对准预埋件上预留定位线, 并将预埋板与钢梁头电焊临时固定, 同时进行垂直度校正和最后固定, 屋架垂直度用挂线锤检查, 同时钢梁每校正好一根应与前根梁用次龙骨连接并固定。

整个采光顶钢结构桁架梁全部吊装完成后, 结合图纸情况, 图纸中每两榀梁间的最大跨度为2.1m (端头部位) , 结合实际情况, 采用4m长跳板同时横跨2个空档, 铺设木跳板。采光顶剖面、操作平台效果分别如图12, 13所示。

构配件安装采用整焊、立焊、横焊、仰焊等焊接方式进行现场焊接。根据理论分析计算结果, 杆件应力最大、应力变化突出的位置及管件节点处合理布置测点, 用超声波探伤仪进行焊缝检测。

从现场拼装质量控制、现场安装质量控制等方面保证工程质量。在钢结构安装过程中应减小焊缝尺寸, 选择合理的焊接坡口, 减小焊接拘束度, 节点处理做到减少应力, 采取合理的焊接顺序, 安装完成并投入使用后应注意对钢结构的变形观测。

施工人员进场前进行安全三级教育;施工作业前根据施工内容进行安全操作规程教育, 并对施工方案及安全方案进行技术交底;发放合格的安全防护用品, 同时取得特殊工种操作证后才能上岗作业, 施工过程中监督检查, 做好常规检查工作。

1) 应用BIM技术对新型操作平台进行解析, 直观地向操作人员与管理人员展示其特点, 方便现场实际操作。

2) 采用钢结构深化的方法搭设施工操作平台, 为施工提供宽阔的操作空间, 在保证施工作业安全的同时, 也为施工作业人员排除了由于操作空间狭小带来的施工质量隐患。

3) 运用该技术安装钢结构采光穹顶, 由于使用材料及劳动力较少, 满足了施工方对成本控制的要求, 为施工带来直接的经济效益。