武汉天河T3航站楼建筑面积约49.5万m², 屋面投影面积约23.7万m², 东西长度约1 220m, 南北宽度约388m (不含T2-T3连廊) , 建筑高度41.4m。T3航站楼建筑结构分为主楼, 东一、东二、西一、西二4个指廊, 东连廊、西连廊及T2-T3连廊。其中, 主楼为地下1层、地上4层, 指廊和连廊无地下室、地上2层。每个指廊东西长度约223m, 南北宽度 48.5～55.5m, 混凝土结构地上2层, 局部2层有夹层, 2层标高为4.950m, 夹层标高10.400m。各指廊含钢管柱24根, 沿指廊两侧边缘以18m间距均匀布置;指廊钢屋盖采用双向正交正放网架结构, 属交叉桁架体系。

屋盖网架采用圆钢管截面, 采用带暗节点板的相贯焊接连接节点, 与支撑钢管柱连接采用刚接形式。钢结构屋盖顶标高约22.000m, 指廊端部钢屋盖悬挑长度为12.9m。T3指廊结构外形上属于狭长结构。屋盖宽度存在渐变段及悬挑端, 宽度最小46.7m、最大53.7m, 指廊2层楼板靠近两侧边缘存在大量的夹层结构, 且指廊两侧钢管柱为外倾斜柱, 外部复杂环境对于滑移施工存在很大影响。

屋盖南侧为圆锥形变截面钢管柱, 柱内穿插钢筋、虹吸雨水管等构件, 变截面钢管柱作为航站楼屋盖支撑柱 (主体结构的支撑) , 根据造型需要将其设计为圆锥形倾斜形式, 且将向外露雨水设备管道设置于柱内, 达到设计要求的同时也美化建筑外观。

航站楼屋盖支撑柱为下大上小型圆锥形变截面钢管混凝土柱。航站楼主楼南侧、北侧共设圆锥形变截面倾斜钢管柱50根, 其中A型钢管柱36根, 位于航站楼D2, D3, D4区, B型钢管柱14根, 位于航站楼E1, E2, E3区。钢管柱分布平面布置如图1所示 (图1仅显示28根A型钢管柱) 。

钢管柱材质Q345C, 壁厚40mm及以上为Q345-GJC, 钢管柱收进楔率为1%～2%。主入口巨型斜柱高度约35m, 最大外径达2.5m, 钢管壁厚50mm。柱底至-0.020m处为直段, 从-0.020m处管径由1 500mm (2 000mm) 渐变至2 000mm (2 500mm) , 再渐变至1 200mm。A型、B型变截面钢管柱如图2所示。

每根钢管柱呈12°向外侧倾斜, 每根柱内有虹吸雨水管2～4根不等, 管径ϕ76～ϕ159, 虹吸雨水管进水口位于柱顶下方1～2m处, 出水口位于 -2.000m处。

A型钢管柱设计为统一尺寸ϕ1 400×25。A型钢管柱4.950m以上弯折12°, 弯折点以下为等截面直柱, 钢管柱与1, 2, 4层结构连系。

B型钢管柱设计为8ϕ (1 500～2 000) ×40及6ϕ (2 000～2 500) ×40。B型钢管柱-1.000以上弯折12°, 弯折点以下为等截面直柱。-1.000m～4.950m段截面逐渐变大, 4.950m以上又逐渐变小。大部分B型钢管柱仅与2层楼板及地基梁连接, 小部分钢管柱与4层楼板连接。

内置虹吸管钢管混凝土柱 (concrete column built with siphon pipe, CCBS) , 是在钢管混凝土柱中内置虹吸雨水管而形成的构件, 是由虹吸雨水管、钢管柱和混凝土协同受力的一种钢管混凝土柱结构形式。钢管混凝土柱实质就是2种不同材料组合共同受力协同作用, 充分发挥材料各自性能优势, 钢-混凝土组合结构具有承载力高、结构延性以及建筑耗能性能好、塑性和韧性好、制作及施工方便等优点, 亦可有效降低工程成本, 施工方便, 已在大跨结构、桥梁结构、地下结构以及高层超高层建筑、结构加固改造等各工程领域广泛应用, 尤其是对于一些有一定抗震要求的地区, 钢-混凝土组合结构已取得良好效益。

在武汉天河国际机场T3航站楼项目中, 针对内置虹吸雨水管钢管柱的研究, 为满足结构体系与工程施工的双重需求, 虹吸雨水管在钢管柱内部的布置并非标准的均匀对称布置 (见图3) , 由于外部结构造型的需要, 不同钢管柱内部的虹吸雨水管数量存在较大差异。与此同时, 该钢管柱作为支撑航站楼屋盖的结构体系, 处于轴压、压弯及压弯剪等复杂的联合受力作用下。由于建筑总占地面积大, 在进行结构设计时, 钢管柱支撑及钢管柱均须满足与楼层板的协调变形。因此, 钢管柱在竖向采用分段连接, 并根据实际结构布置形式, 在楼层层高处与楼板采用相应的连接方式进行连接, 由于结构平面高度变化的复杂性和平面分布面积较广, 钢管柱的分节统计变得较复杂。同时, 为保证建筑空间使用需求, 建筑内部多采用大跨度结构设计, 结合钢管柱吊装施工期特殊施工荷载的产生, 势必对建筑结构变形与受力产生不利影响, 针对此类施工期荷载的产生进行受力分析, 验证结构受力与变形的安全性, 为结构的整体安全提供保障。因此, 深入研究并丰富钢管柱不同工况下施工期的工作性能具有十分重要的意义^[1]。

在本工程中, 钢结构在施工过程中不仅要考虑预应力筋、钢筋穿孔, 也需考虑将设备管道埋设至钢管柱内, 故存在虹吸雨水管穿过节点处需避免与钢筋及预应力筋碰撞、预留施工操作空间与虹吸雨水管布设位置等设计问题, 部分钢管柱采用圆锥形变截面倾斜钢管柱, 施工难度大, 以往的施工技术无法解决^[1]。其施工难点如下。

1) 设计要求采用硬质连接, 不允许采用承插连接, 膨胀水泥封口。

2) 钢管柱节点复杂, 受影响因素多, 虹吸雨水管无法集中布置在中部。

3) 钢管柱质量较大, 采用夹板支撑, 强度不够, 危险性大, 吊装难度大。

4) 虹吸雨水管焊接完成后、下落就位前, 钢管柱无法先进行临时固定。

5) 虹吸雨水管内存在虹吸压力, 需采用无缝等强对接。

针对此情况, 对目前现有虹吸雨水管的施工方法进行研究。圆锥形变截面倾斜钢管柱内安装虹吸雨水管需采用一种操作便捷、不损伤主体结构的柱内虹吸雨水管设计思路, 故本工程采用逆序法对钢管柱内施工技术进行优化, 并通过此设计思路解决关键问题。

逆序法即通过优化钢筋、预应力筋、虹吸雨水管的相对位置关系, 对柱内空间进行优化布置后将施工难度降到最低, 反向施工模拟设计思路发现各构件冲突位置, 并确保钢管柱及虹吸雨水管在工厂的整体预制质量, 在钢管柱现场吊装时, 虹吸雨水管对接采取精度控制措施, 使钢管柱结构内外安装对接误差达到最小^[2,3,4,5,6]。

根据现场吊装工况, 每根钢管柱共分7节, 每节质量在20～35t, 钢管柱第1节为直段, 从第2节吊装完成后开始倾斜, 虹吸雨水管出水口位于倾斜节点下端;第1, 2节段为直段对接, 难度小, 但在第2, 3节及以上钢管柱吊装过程中, 因钢管柱倾斜, 精准就位难度较大, 且柱内多根虹吸雨水管对接精度要求高, 雨水管壁厚为2.5～5mm, 在吊装过程中不能发生碰撞, 避免虹吸雨水管变形或损毁;为避免在钢管柱浇筑混凝土时漏浆或因虹吸压力吸入异物而堵塞管道, 虹吸雨水管必须采取刚性连接且穿柱钢筋及预应力筋均为双向穿柱, 虹吸雨水管只能布置在钢筋及预应力筋通过的外侧区域, 因钢管柱倾斜, 虹吸雨水管需通过3层楼板节点, 故虹吸雨水管随钢管柱呈12°倾斜。

综上所述:

1) 相对于钢管柱内部构造, 圆锥形变截面钢管柱内虹吸雨水管通道施工条件仍相当局限, 只能考虑在钢管柱壁和预应力波纹管组成的扇形区域内由钢结构施工单位在钢构件加工时在内环板上按照虹吸雨水管实际数量预留孔洞, 虹吸雨水管穿过内环板。

2) 4层以上无钢管柱节点, 将虹吸雨水管设置在环板中心孔, 在结构4层标高以上1.2m处, 将雨水管平面位置由环板上转换至内环板中心孔。

3) 通过BIM可视化技术^[7,8]确定雨水管位置, 在后续设计中可将冲突部位做相应调整, 如图4所示。

为解决现有技术中关于圆锥形变截面倾斜钢管柱内置虹吸雨水管设计思路及安装的缺陷和不足, 可将逆序法中BIM可视化技术应用与施工技术相结合, 得到关于圆锥形倾斜钢管柱内置虹吸雨水管的设计与施工方法, 其包括以下5个阶段。

1) 首先采用CAD三维放样技术, 通过将穿柱钢筋与预应力筋、虹吸雨水管及钢管柱3种类型构件建立模型, 通过三维建模方式, 位置、尺寸、数量与模型逐一对应, 通过两者平面图与三维立面图的比较, 直观发现冲突部位。

2) 根据结构设计要求, 考虑钢管柱的分节高度, 钢管柱内部空间、尺寸与数量等因素影响, 模拟柱内管道的分节高度、管道在柱内的整体走向, 包括入口、转换平面位置、出口等定位。

3) 考虑钢管柱内管道布置及钢管柱内部复杂构造相互毗邻连接, 在钢管柱内设置大量内环板, 且4层以下穿梁板处设有钢管柱节点, 钢管柱节点穿插有预应力筋、普通钢筋等, 以增加钢管柱整体稳定性与抗变形能力。施工顺序为:穿柱钢筋放样→预应力筋放样→优化剩余空间→虹吸雨水管布设。

1) 完成钢管柱本体制作, 由内至外进行钢管柱内环板安装, 内环板的开孔孔位制作位于直线上, 虹吸雨水管穿环板孔安装。

2) 采用定位马板固定虹吸雨水管。

3) 在与穿柱钢筋及预应力波纹管位置不冲突的条件下, 进行虹吸雨水管固定施工。

施工管道固定节点如图5所示。

1) 汽车式起重机吊起钢管柱首节, 进行上节钢管柱吊装;再对接上、下2节钢管柱至20～30cm时, 校正虹吸雨水管的角度和位置, 使钢管混凝土柱对接过程中虹吸雨水管完成自然对接。

2) 在汽车式起重机不松钩的施工环境下, 安装临时连接板并固定于钢管柱内侧, 测量校准完成后进行钢管柱焊接工作 (见图6) 。

3) 待钢管柱对接焊缝冷却至室温, 汽车式起重机松钩, 本节段钢管柱吊装完成。

钢管柱焊接完成后, 施工人员进入倾斜钢管柱内焊接虹吸雨水管, 待虹吸雨水管对接焊缝冷却后, 进行渗漏试验;渗漏试验通过后, 施工人员再进入钢管柱, 从钢管柱上端部注水, 观察内部对接处是否渗水, 柱外旁站人员观测排水是否通畅;通水试验合格后, 取出钢爬梯, 封闭水管上端部, 此段虹吸雨水管安装完毕。

虹吸雨水管安装完成, 施工预应力波纹管及钢筋穿过钢管柱。外围混凝土梁模板支护及钢筋绑扎完成后, 浇筑钢管柱内混凝土至距柱顶500～600cm处。

工厂预制阶段中, 内环板安装前需要在钢管柱内侧划设内环板的安装定位线 (见图7) , 由内至外依次安装;钢管柱安装前, 对内环板开孔的精度进行校验;钢管柱壁内设置钢爬梯, 钢管柱顶部设置挂绳和防坠器;检查下端钢管柱内虹吸雨水管是否保护完好, 并拆除端部防护套。

1) 利用计算机仿真模拟技术对钢管柱内置虹吸雨水管施工过程进行模拟, 实现在圆锥形倾斜钢管柱内钢筋及预应力筋影响下的虹吸雨水管精确安装;有效避免虹吸雨水管焊接和钢管柱安装交叉作业, 减少了机械台班使用, 具有较好的经济效益;通过模拟分析, 在深化模型中确定虹吸雨水管位置, 避免与预应力筋、钢筋发生碰撞, 确定钢管柱环板内孔尺寸大小。

2) 阐述了虹吸雨水管“逆序法”BIM深化设计及交叉施工方法, 在钢管柱外径不断变化及对钢管柱内置虹吸雨水管、预应力波纹管、钢筋等一系列构件的整体位置布置、整体吊装、分段焊接、虹吸雨 水管施工在达到安全性的前提下, 满足圆锥形变截面倾斜钢管柱施工各方面的要求与实施措施, 确保整个施工过程顺利进行。