南宁华润中心东写字楼为广西壮族自治区在建第一高楼, 地下3层, 地上86层, 建筑高度约403m。结构形式为成熟的钢混凝土核心筒+外框钢结构体系。核心筒为内插钢骨柱、钢板梁的钢筋混凝土结构, 由九宫格截面经过2次往北侧收缩成六宫格、三宫格。外框钢柱内填充C60混凝土, 核心筒与外框之间设工字钢梁连接, 楼面为钢筋钢架组合楼板。在43~44F, 70~70MF设置2道伸臂桁架加强层。本文以第1道伸臂桁架层为例, 介绍桁架层关键施工技术。

本工程桁架层有2道, 第1道分布于43~44F (标高194.550~203.350m) 、第2道分布于70~70MF (标高314.450~324.050m) 。本工程塔楼标准层高为4.2m和3.6m, 另有15种非标层高, 桁架层及邻近楼层42~45F分别为4.7, 4, 4.8, 5.5m。桁架层主要分为核心筒劲性结构和外框结构。核心筒劲性结构又分为劲性柱、钢板梁、钢筋混凝土结构;外框结构分为外框柱、腰桁架、伸臂桁架、楼层钢梁。钢结构构件合计488件, 截面形式含圆形、工字形、矩形, 钢板最大厚度为60mm。如图1所示。

本工程的顶模系统采用国内首创的内顶外爬体系 (见图2) ;九宫格内设9个顶模平台, 各井筒之间相互独立;外围爬模由26块爬模组成;剪力墙模板为大钢模。模板配置高度外模为4.3m, 大平台千斤顶最大顶升高度为4.25m。内顶外爬的顶模系统既可以联合顶升又可以单独顶升。每个井筒内设4~6个油缸支撑, 每个油缸设置4个预埋爬锥;每块爬模设置2个预埋爬锥;总计每层需要安装236个顶模系统预埋件 (埋锥) 。

1) 桁架层钢结构质量大、构件多, 需要结合塔式起重机工况合理分节、分段, 优化构件安装顺序, 利用现有的3台动臂塔式起重机进行吊装安装, 严格控制焊接和螺栓连接施工质量, 减少与土建施工、钢筋安装之间的冲突。

2) 工程施工采用内顶外爬顶模体系, 核心筒施工领先外框施工5~10层。核心筒内钢结构与外框伸臂桁架之间利用牛腿焊接, 故钢结构牛腿凸出墙面影响顶模顶升, 大钢模也无法合模, 需要对顶模进行拆改, 用其他形式的模板替代牛腿处的大钢模。

3) 桁架层高度为非标准层高, 钢板梁占用原有预埋件位置, 非常规预埋件增加成本, 所以顶模体系无法按标准层高4.2m一层爬升, 需要重新规划顶模爬升。若按非标准行程爬升, 带来部分预埋件处于门洞处的难题。

4) 由于钢板梁及其他钢结构构件体积过大, 与钢筋安装、顶模埋件等产生多处冲突。施工时无法完全按照土建施工图安装钢筋, 给钢筋优化下料安装及预埋埋件等提出了挑战。

根据以上重、难点分析, 桁架施工策划存在复杂、抽象、多专业交叉等特点。BIM技术有三维可视化、协调性、模拟性等优点。利用BIM技术可以更好、更快地解决桁架层施工难点。

塔楼东、北、西三侧分别设置M600F, HL45/28, M760DX 3台动臂塔式起重机, 东侧为卸车场地, 卸车场地范围内最大吊重25t。根据塔式起重机吊重分析, 需确保所有钢结构构件在最大吊重范围内。在Tekla软件中对桁架层钢结构模型进行分节、分段, 利用软件计算每节构件的质量。核心筒钢柱总长18.45m, 分为2段, 最重23t。核心筒劲性连梁最大跨长为10.5m, L70~L71最大跨长为3.9m (5.9t) 。伸臂桁架上、下弦杆与斜腹杆在高空散件拼装, 构件最重为16.26t。腰桁架外框柱最重为20.18t;桁架杆件最重为12.54t。外框柱按1层1节的方式分为3段, 最重为24.5t。在西侧塔式起重机45m/18.9t, 30m/31.7t和东侧塔式起重机37.5m/17.9t, 25m/25t吊装范围内, 卸车、起钩、安装工况均满足要求。

分节、分段完成后, 将钢结构模型导入Revit中, 与土建模型结合, 再导入Navisworks和3ds max中对核心筒内钢结构安装及混凝土浇筑过程进行模拟, 最后确定核心筒内钢结构安装及混凝土浇筑流程, 并导出二维平面安装流程:核心筒柱脚锚栓安装→42F混凝土浇筑→核心筒21节柱安装 (21编号为核心筒钢柱的分节编号) →43F核心筒钢板梁安装→43F混凝土浇筑→43F核心筒斜梁安装→44F核心筒浇筑→核心筒22节柱安装→45F核心筒钢板梁安装→44F混凝土浇筑。安装流程如图3所示。

钢结构施工至42F (43F为桁架层) →布设操作平台、安全通道、梁下安全网等安防措施→安装37节角部与伸臂桁架连接圆管柱→安装伸臂桁架下弦杆 (43F) →安装37节角部与腰桁架连接圆管柱→安装腰桁架下弦杆 (43F) →安装37节中部圆管柱→安装剩余的腰桁架下弦杆 (43F) →按照从南向北, 从角部向中间安装顺序分区域安装43F其余水平钢梁 (塔式起重机洞口处预留) →安防措施向上倒运1层, 并重复以上步骤继续安装44, 45F钢结构。

安装37节外框柱→安装伸臂桁架下弦杆→安装38节外框柱→安装44F钢梁→安装39节外框柱→安装伸臂桁架上弦杆→安装伸臂桁架斜腹杆。

所有伸臂桁架上、下弦杆及腹杆均先临时安装, 43F伸臂桁架后焊节点在安装完70F桁架层后焊接, 70F伸臂桁架后焊节点在钢结构全部安装完成后焊接;伸臂桁架后焊接弦杆、腹板, 预留间隙20mm。

安装37节外框柱→安装腰桁架下弦杆→安装38节外框柱→安装44F外框梁→安装斜腹杆下半段, 从侧面嵌入→安装39节外框柱→安装斜腹杆上半段, 从侧面嵌入→安装腰桁架上弦杆。

因为桁架层层高有别于标准层高4.2m, 分别为4.7, 4, 4.8, 5.5m, 钢模板高度为4.3m。另外, 现有的顶模体系无法一次性浇筑1层剪力墙混凝土, 加上顶模埋件所在位置为墙体上部即连梁位置处。该处剪力墙在桁架层设有钢板梁, 若要布置爬锥, 大部分埋件只能用特殊材料制作的一次性埋件, 提高成本。因此, 需要重新规划顶模的爬升方式。

构件之间空间关系较复杂, 因此在BIM模型中, 按照4.2m每次的爬升高度布置顶模模型, 查看与土建模型及钢结构模型的冲突情况, 记录冲突点数量和冲突点情况。然后每次往下移动10cm, 检查碰撞点有无减少, 取碰撞点较少的爬升高度。

经过模拟调整后, 41F和45F第2次爬升的埋件设计标高不变, 通过调整42F, 43F, 44F, 45F第1次的埋件标高来控制钢模板标高。爬升次数和浇筑方式:42F (层高4.7m) 浇筑1次3.7m高混凝土 (连梁底) 爬升3.6m→43F (层高4m) 浇筑1次3.9m高混凝土爬升3.9m→44F (层高4.5m) 浇筑1次3.9m高混凝土爬升3.9m→45F (层高4m) 浇筑第1次3.6m高混凝土爬升3.6m, 第2次4.0m高混凝土爬升4.0m。

确定爬升高度后, 在模型中检查每次爬升状态下冲突点情况, 并提前做好预案, 提早解决冲突问题, 减少对工期的影响。

由于调整爬升高度后, 在BIM模型中发现, 爬模位于连梁位置的埋件部分位于连梁底部, 无法满足埋件的锚固要求, 需要增高连梁高度。经过复核, 东侧外爬模、西侧外爬模、北侧外爬模、南侧外爬模和7, 9号内筒爬模总共有10个位置的埋件需要加高连梁, 通过在该10处连梁位置下面增加1道措施梁作为埋件的支撑点 (见图4) 。待顶模爬升上去后, 后期凿除到原设计尺寸。

由于调整爬升方式后, 存在部分连梁分2次浇筑, 同时大部分连梁侧壁采用木模板封闭, 且位于每次浇筑混凝土的底部, 需要混凝土流淌性较好, 振捣到位, 保证连梁位置的混凝土密实。

本次外爬模改造主要是由于42~45F桁架层外墙伸出8个牛腿, 经过BIM模拟发现其中有6个牛腿的位置刚好是埋件位置, 牛腿凸出混凝土面, 埋件与牛腿发生碰撞, 造成牛腿与穿导轨、爬模各层平台等发生一系列碰撞, 影响爬升。因此, 需要对爬模进行改造。

由于42~45F的第1批牛腿位于42F顶部、44F顶部~45F的底部, 改造时间确定在完成40F混凝土浇筑、进行41F钢柱埋件安装和钢筋绑扎完成后、顶模爬模在40F完成爬升后。改造的思路为将牛腿处的爬模往两侧移动, 避开牛腿位置。

1) 40F埋件埋设埋设时重新在钢模板上开洞, 开洞位置为原埋件洞向架体移动的方向和距离的位置, 例如西南角6b爬模向东移动745mm, 在钢模板上原埋件位置向东量取745mm距离开洞, 开洞的标高和原埋件位置标高一致。

2) 拆除1, 14, 6a, 6b, 15a, 15b爬模, 吊运至地面改造。

3) 安装1, 14, 6a, 6b, 15a, 15b爬模。

4) 爬模各层平台开洞。

完成42F钢梁钢柱的安装后, 对8个牛腿处的爬模各层平台进行开洞, 开洞尺寸结合牛腿伸出混凝土的长和宽, 洞口平时采用翻板封闭, 待爬升时打开翻板, 使牛腿顺利从各层平台穿过。

待完成桁架层施工后, 对洞口封闭进行加强处理, 焊接永久性防护, 避免物体从洞口坠落。

通过二维图纸初步判断, 顶模埋件、钢结构、钢筋之间的碰撞点较多, 且空间关系较复杂, 难以想象判断。因此, 将顶模埋件、钢结构和钢筋模型进行精确建模和定位后进行碰撞冲突检查, 记录碰撞点所在位置和碰撞的构件。根据这些碰撞形式, 提出了以下几点优化调整。

1) 顶模埋件由于桁架楼层剪力墙内的钢梁、钢柱较多, 埋件无法完全避免与钢梁、钢柱碰撞。发生碰撞最终采取的解决办法是:埋件与塔式起重机碰撞需要在埋件上焊接钢板;内筒顶模埋件与钢结构碰撞则在钢梁、钢柱上焊接200mm导弹锥;爬模埋件与钢结构碰撞则在钢梁、钢柱上焊接150, 175, 200mm的导弹锥。

2) 剪力墙钢筋在剪力墙纵向钢筋和钢梁碰撞处, 纵筋与钢梁相碰撞的位置, 重新调整钢结构深化设计模型, 在钢结构上预留接驳器。

在剪力墙箍筋与钢梁、钢柱碰撞处, 箍筋分为外箍和内箍采取不同的处理方式。其中外箍与钢结构预留的搭筋板焊接, 内箍按开口箍的方式优化处理。

由于桁架层共有8个牛腿凸出混凝土面, 无法采用大钢模进行合模施工。需要把牛腿处的大钢模 (牛腿位置) 拆除, 该处从42~44F全部采用木模板封模, 木模板之间的缝隙用泡沫胶填充, 当顶模爬升至45F再重新安装大钢模。

本工程结合BIM的钢结构安装、顶模改造协同、土建施工优化等关键施工技术取得了成功, 为该项目桁架层的顺利施工创造了有利的基础条件。随着综合国力不断增强, 城市建设日新月异, 超高层建筑拔地而起。目前看来, 伸臂桁架结构在超高层建筑中仍然无法替代。桁架层的顺利施工与否制约着施工进度和质量。如何高效快速地完成桁架层结构施工、完善桁架层施工技术, 还需要施工单位进一步地进行探索。