《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》是中國建築第二工程局有限公司完成的建築類施工工法。完成人是張鵬、徐永選、陸建飛、余偉寧、周欣。該工法適用於直徑不大於50米的各種穹頂式採光頂鋼結構工程。
《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》主要特點是：利用BIM技術進行施工模擬，利用有限元分析軟體；在穹弧頂中心部位設定操作平台；分解吊裝；十字形主龍骨對稱構件安裝定位；對構件分階段吊裝。
2021年11月5日，《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》被湖南省住房和城鄉建設廳評定為湖南省2020年度工程建設省級工法。
基本介紹
- 中文名：橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法
- 工法編號：HNJSGF283-2020
- 完成單位：中國建築第二工程局有限公司
- 完成人：張鵬、徐永選、陸建飛、余偉寧、周欣
- 審批單位：湖南省住房和城鄉建設廳
- 主要榮譽：湖南省2020年度工程建設省級工法
形成原因,工法特點,操作原理,適用範圍,技術理論,施工工藝,材料設備,質量控制,安全措施,環保措施,效益分析,套用實例,榮譽表彰,
形成原因
在大型公共建築工程中，為滿足不同建築的需要，採光頂的形式也呈現出多樣化的趨勢，為保證建築物有個良好的採光條件，現有採光頂多採用圓形、橢圓形、帶狀等形式。因採光頂在建築物內部，無安裝空間、無運輸道路，給採光頂的安裝帶來極大的困難；穹弧採光頂因面積大、高度大、採光頂鋼結構自重大，單件吊裝安裝時間長，質量難以保證；各項目採光頂尺寸、造型差異大，不宜採用搭設滿堂腳手架作為輔助工具進行採光頂安裝。中國建築第二工程局有限公司出於提高施工生產效率、保證施工質量和安全、縮短施工工期、減少材料浪費、節約施工成本的需要，選擇圓心操作平台+高空分段吊裝+中拼單元吊裝安裝法施工，已成為穹弧採光頂的首選。中國建築第二工程局有限公司結合工程實踐，總結出《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》。
工法特點
《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》具有以下特點：
1.利用BIM技術進行施工模擬，利用有限元分析軟體，進行吊裝工況分析及施工過程中的模擬驗算，圓心處採用搭設操作平台（主要配件為塔吊標準節）、其餘外環通過深化設計後在橢圓弧主梁下部增設桁架並在桁架上鋪設腳手板作為操作架，後期施工完畢後拆除。
2.在穹弧頂中心部位設定操作平台。
3.根據現場吊裝設備及場地的承載力對深化設計後的採光頂的鋼結構等構配件進行分解吊裝。
4.十字形主龍骨對稱構件安裝定位，形成臨時穩定體系並固定穹弧中環構件。
5.其餘構件分階段吊裝，通過一端焊接在結構預埋件，另一端焊接在中環構件上形成局部穩定後，再進行下一批次吊裝。
操作原理
適用範圍
《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》適用於直徑不大於50米的各種穹頂式採光頂鋼結構工程。
技術理論
《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》的技術原理是：
利用BIM技術進行施工模擬，利用有限元分析軟體，對穹頂式鋼結構採光天窗的鋼架進行構件分解，對分解後的構件進行重心位置、重量、外形尺寸、構件的拼接位置和安裝位置等進行分析，並根據上述因素進行吊裝工況分析及結構樓面承載力分析，確定吊裝設備工藝參數及吊點位置，圓心處採用搭設操作平台（主要配件為塔吊標準節）、其餘外環通過在橢圓弧主梁下部增設桁架後鋪設腳手板作為操作架，後期施工完畢後拆除。起吊時吊裝順序為，先安裝十字形主龍骨對撐構件,再安裝中環構件,最後是其餘龍骨弧形構件的對稱安裝,有力的保證了穹頂式鋼結構採光天窗的安裝精度。
該工法在安裝過程中，使已安裝構件與現安裝構件通過臨時頂撐連線形成穩定三角自平衡體系；構件吊裝就位、測量定位符合要求、焊接完成並驗收合格後再進行脫鉤；然後進行下一段構件安裝。
中環部位構件安裝完成後，通過塔吊對稱安裝與穹弧中環部位連線的構件，進而完成穹頂式採光頂鋼結構無胎架施工。
施工工藝
- 工藝流程
《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》的工藝流程如圖1所示：
圖1 流程圖
- 操作要點
《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》的操作要點如下：
1.鋼結構深化設計
為方便施工、減少搭設腳手架的工程量，本工程橢圓弧頂安裝及後期精裝（遮陽簾、鋼化玻璃、電氣件），圓心處採用搭設操作平台（主要配件為塔吊標準節）、其餘外環通過在橢圓弧主梁下部增設桁架後鋪設腳手板作為操作架，後期施工完畢後拆除，如圖2~5所示：
圖2 採光頂短軸立面圖
圖3 採光頂短軸剖面圖
圖4 採光頂長軸立面圖
圖5 採光頂長軸剖面圖
主梁深化設計（以梁gl1為例）：下部桁架通過專業鋼結構設計單位深化設計，並出具計算書，工程結束之後去除下弦桿、斜豎腹桿，見,圖6。
圖6 採光頂深化設計典型剖面圖
2.搭設圓心操作平台
在穹弧頂中心部位設定鋼結構平台，作為操作平台兼定位固定穹弧中環構件。圓心的鋼結構平台採用塔吊標準節搭設，安裝高度22米（10個標準節、採光頂高度23.75米），主要用於安裝鋼化玻璃、遮陽簾、電氣件等，本身不承受採光頂荷載，見圖77。
圖7 塔吊標準節定位
整個鋼結構桁架自身固定在樓板基礎預埋件上，找好控制點，用水準儀找平，經覆核確認無誤後控制放點。中心升頂支架基礎採用軋制寬翼緣H型鋼（200x200x8x12毫米），呈菱形，其端部通過預埋件與鋼筋混凝土主梁或柱連線（鋼筋混凝土主梁或柱中應留有預埋鋼板），如圖8~10所示。
圖8 塔吊標準節加勁板大樣圖1
圖9 塔吊標準節加勁板大樣圖2
圖10 塔吊標準節與底座連線大樣
考慮地下室頂板承載力要求，立桿縱橫向間距700毫米、掃地桿離地200毫米、水平桿步距1500毫米、頂托內雙鋼管、木方間距200毫米，見圖11。
圖11 負一層回頂立桿範圍及立桿排布示意圖
由於架體高度較高，故考慮標準節四周設定纜風繩（四各方向各一根），纜風繩採用直徑16毫米的鋼絲繩。標準節上部無起重設備，主要動荷載由施工人員作業時產生，見圖12~14。
圖12 長軸方向纜風繩設定示意圖
圖13 短軸方向纜風繩設定示意圖
圖14 纜風繩抱梁大樣
將標準節（1590x1590x2200）與井字架相連，鎖緊連線螺栓。緊固好後採用掉線法檢查塔身標準節，保證塔身四面方向豎直。塔身四周拉起鋼繩固定在每層的結構上，做好安全防護措施。
圖15 圓心操作平台搭設
按照預先設定要求，當塔身結構高度達到指定高度，控制點位，塔身上部一個頂面施工平台。施工平台作為焊接中環構件的操作平台，由矩管及角鋼焊機製作而成，具體尺寸及示意圖見下圖16及圖17：
圖16 塔吊標節頂面操作平台平面圖
圖17 塔吊標節頂面操作平台立面示意圖
3.桁架梁的製作
a.橢圓形採光頂採用桁架梁搭設。每榀橢球鋼樑下部安裝橫向腹桿100x5，主梁和腹桿之間通過80x4的拉桿進行連線。貫穿梁最大1.9噸。在所有主梁吊裝完畢並調整固定後，在結構柱樑下掛安全網，如圖18：
圖18 析架剖面示意圖
b.桁架加工
為了最大限度減少高空作業，滿足吊裝構件的自身穩定，採取每跨整段鋼樑整體吊裝。在施工現場組裝在一起，拼裝成整段鋼樑，即為一個吊裝單元。同時為方便安裝頂部鋼結構及後期鋁板、玻璃，桁架梁立桿及斜拉桿的焊接部位錯開圈樑部位，方便後期圈樑的安裝，及玻璃鋁板的安裝，如圖19。
圖19 焊接部位節點大樣示意圖
桁架的下弦桿和腹桿為整根，採用對接焊縫拼接接長。考慮到橢圓中庭正中部桁架跨度達到15米，對中間部位起拱20毫米。當鋼結構在焊接後產生超過允許偏差範圍內的變形時應予以糾正，如採用機械方法進行構件變形矯正時，環境溫度不低於零度，當採用加熱防風進行矯正時，加熱要緩慢，加熱溫度不超過900°，以防材質過燒。
4.鋼結構構件分片吊裝
a.吊裝設備的選取
根據加工構件的重量及距離，選取現場已安裝的塔吊TC5513作為主要吊裝設備，吊重分析見圖20、表1：
圖20 吊點距離分析示意圖
序號 | 鋼樑 | 構件重量 | 塔吊吊裝距離（最遠端） | 該距離下塔吊吊裝能力 | 是否滿足要求 |
|---|---|---|---|---|---|
1 | 短軸整跨鋼樑 | 1.4噸 | 47米 | 1.6噸 | 是 |
2 | 長軸半跨鋼樑 | 1.0噸 | 47米 | 1.6噸 | 是 |
3 | 其餘鋼樑（半跨） | 1.0~1.4噸 | 47米 | 1.6噸 | 是 |
4 | 其餘構件（鋼化玻璃、遮陽簾等） | ＜1.0噸 | 47米 | 1.6噸 | 是 |
b.吊裝前尺寸覆核
深化後的桁架安裝前應該對尺寸進行覆核，對構件的變形和缺陷進一步修補，本方案採用塔吊方式安裝桁架。該桁架主結構在地面拼裝完成，故在吊裝時全部計算結構總重量，並增加2%的難度係數（焊縫），確保重量計算不小於實際值，保證選擇塔吊的安全性。
c.吊裝順序
考慮到穹頂結構安全，整個橢圓採光頂桁架最先吊裝橢圓半軸鋼樑GL11（兩支整體吊裝），然後分別吊裝兩支橢圓長軸鋼樑GL1，使整個穹頂成“十”字型，再利用圓心操作平台將中環構件焊接到位以形成穩定體系，然後依次吊裝GL2~GL10，直置整個鋼樑全部吊裝完畢，如圖21~25：
圖21 鋼桁架吊裝示意圖
圖22 鋼樑編號示意圖
圖23 十字形對稱構件安裝
圖24 中環構件及其相鄰骨架安裝
圖25 其餘骨架安裝完成
d.吊裝就位及定點控制
吊裝前應在構件表面標出安裝時的控制線作為校正的依據，起吊時先將桁架梁吊離地面50厘米左右，使桁架梁中心對準安裝位置中心，然後徐徐升鉤,再用溜繩旋轉屋架使其對準預埋件頂，以使落鉤就位，落鉤時應緩慢進行，並在屋架剛接觸預埋件頂時即剎車對準預埋件上預留定位線，並將筋板與鋼樑頭電焊臨時固定，同時進行垂直度校正和最後固定，屋架垂直度用掛線錘檢查，同時鋼樑每校正好一根應與前根梁用次龍骨連線並固定。
5.木跳板鋪設及安全網鋪設
整個採光頂鋼結構桁架梁全部吊裝完成後，結合圖紙情況，圖紙中每兩榀梁之間的最大跨度為2.1米（端頭部位），結合實際情況，採用4米長跳板同時橫跨2個空擋，鋪設木跳板，採光頂剖面圖見圖26，操作平台效果圖見圖27。
圖26 採光頂剖面圖
圖27 操作平台效果圖
6.穹弧頂構件焊縫檢測
構配件安裝採用現場平焊、立焊、橫焊、仰焊等焊接方式進行現場焊接。根據理論分析計算結果，桿件應力最大、應力變化突出的位置及管件節點處合理布測點。用超音波探傷儀進行焊縫檢測。
材料設備
《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》對材料設備有以下要求：
1.材料：鋼板，型鋼，扭剪型高強螺栓，焊條，焊絲，碳棒等。
2.機械設備配置
a.現場主要吊裝機具見表2：
序號 | 機械設備名稱 | 規格/型號 | 數量 | 產地 | 備註 |
|---|---|---|---|---|---|
1 | 塔吊 | QTZ5513 | 1 | / | 鋼構件吊裝 |
2 | 手拉葫蘆 | 2噸 | 2個 | 國產 | 鋼構件的校正 |
3 | 手拉葫蘆 | 2噸 | 1個 | 國產 | 鋼構件校正 |
4 | 千斤頂 | 3噸 | 2個 | 國產 | 鋼構件的校正 |
5 | 千斤頂 | 10噸 | 10個 | 國產 | 鋼構件的校正 |
6 | 卡環 | 10噸 | 10個 | 國產 | 吊裝鋼構件 |
7 | 鋼絲繩 | Ф21毫米 | 6副 | 國產 | 吊裝鋼構件 |
b.現場主要焊接設備見表3：
序號 | 機械名稱 | 規格型號 | 單位 | 額定功率千瓦 | 數量 | 小計千瓦 | 備註 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 直、交流焊機 | ZX7-500 | 台 | 17 | 7 | 119 | / |
2 | 割炬 | / | 套 | / | 3 | 15 | / |
3 | 電動扳手 | / | 台 | 0.68 | 2 | 1.36 | / |
4 | 卷揚機 | / | 台 | 7.5 | 2 | 15 | / |
5 | 手電鑽 | / | 台 | 0.6 | 1 | 0.6 | / |
6 | 砂輪切割機 | / | 台 | 3 | 1 | 3 | / |
7 | 磨光機 | / | 台 | 1.2 | 10 | 12 | / |
8 | 角向磨光機 | / | 台 | 1.1 | 10 | 11 | / |
9 | 一般照明 | / | 台 | 20 | 4 | 20 | / |
註：未涉及設備根據現場具體情況進行補充。
質量控制
施工企業採用《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》施工時，應遵循的質量控制要求如下：
- 質量規範及標準
《採光頂與金屬屋面技術規程》JGJ255-2012
《高層民用建築鋼結構技術規程》JGJ99-2015
《鋼結構工程施工質量驗收規範》GB50205-2001
《鋼結構工程施工規範》GB50755-2012
《高層民用建築鋼結構技術規程》JGJ99-2015
《鋼結構高強度螺栓連線技術規程》JGJ82-2011
《鋼結構焊接規範》GB50661-2011
- 現場安裝質量控制
現場安裝質量控制如圖28所示：
圖28 現場安裝質量控制流程圖
- 現場焊接質量保證措施
減少焊接應力的技術措施：
1.減小焊縫尺寸，選擇合理的焊接坡口
2.減小焊接拘束度
3.節點處理減少應力
4.採取合理的焊接順序
- 焊接變形控制措施
焊接變形控制是本工程焊接控制的重點，變形控制措施從焊接的準備階段到焊後處理必須全方位進行控制。焊接預熱，焊接坡口。
- 現場拼裝質量保證措施
採取合理的焊接工藝、焊接順序、減少焊接變形；確保測量工具合格、先進。
- 現場安裝質量保證措施
1.測點布置
根據理論分析計算結果，合理布置測點，布置原則為在施工過程中，桿件應力最大、應力變化突出的位置。其次，在施工關鍵節點處布置測點。
2.測站設定
導線的長度會影響到測試的結果。為了達到測試效果和成本的最佳結合，測站應該設定在儘量靠近測點的地點。
3.測試時間
在鋼結構安裝過程中，每天測試一次測點應力。在有必要的時候，可以加密測試頻率。
4.測試報告
在鋼結構安裝期間，原則上每一個工況結束後提交一份測試報告小結，內容包括時間、天氣、測點編號、測點應力、測試人員等。而現場測試報告在工況結束後三個工作日內提交。最終測試結果以書面和計算機檔案這兩種方式提交。
安全措施
施工企業採用《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：
1.安全標準
建築施工安全檢查標準JGJ59-2011
建築施工高處作業安全技術規範JGJ80-2016
鋼結構焊接規範GB50661-2011
焊接與切割安全GB9448
2.吊裝機械安裝完畢後進行驗收及試吊檢驗；按規定取得準用證明檔案，並按期保養維護；設定超高及力矩限制器，吊鉤設計保險裝置。
3.手持電動工具的電源線、插頭、插座應絕緣良好，電源線不得任意接長和調換；
4.卡環（卸扣），在使用前必須檢查；吊用工具和鋼絲繩必須有足夠的安全係數，一般不得小於5～7倍；吊裝作業之前，安全員要嚴格檢查鋼絲繩，一旦有任何項目超標，鋼絲繩不得使用。
5.施工人員進場前進行安全三級教育；施工作業前根據施工內容進行安全操作規程教育，並對施工方案及安全方案進行技術交底；發放合格的安全防護用品，施工過程中監督檢查。
6.電焊、氣焊工均為特種作業，應身體檢查合格，並經專業安全技術學習、訓練和考試合格，領取《特殊工種操作證》後，方能獨立操作。
7.工作前檢查焊接場地，氧氣瓶與乙炔氣瓶相距不小於5米，距施焊點不小於10米。並在l0米以內禁止堆放其它易燃易爆物品，(包括有易燃易爆氣體產生的器皿管線)，並備有消防器材，保證足夠照明和良好通風。
8.電焊機接地零及電焊工作回線都不準搭在易燃、暑爆的物品上，也不準接在管道和工具機設備上。工作回線應絕緣良好，機殼接地必須符合安全規定。
9.高空作業應系安全帶，並採取防護設施，地面應有人監護。嚴禁將工作回線纏在身上。
10.焊件必須放置平穩，牢固才能施焊，不準在吊起的或叉車鏟起的工件上施焊，各種機器設備的焊修，必須停車進行，作業地點應有足夠的活動空間。
11.各工種進場前體檢合格簽訂勞動契約，持證上崗，並進行安全技術交底；起重工、
12.塔吊司機嚴格遵守起重吊裝規則，堅持“十不吊”原則。8.13焊接、切割作業時，易燃易爆物料，與焊接作業點火源距離不應小於10米；焊接、切割完畢，應及時清理現場，徹底消除火種，經專人檢查確認完全消除危險後，方可離開現場；焊接現場配備足夠數量的消防滅火器。
環保措施
施工企業採用《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》施工時，應採取的環保措施是：
1.垃圾分類集中密閉堆放，高空垃圾採用移動式密封垃圾桶存放、吊運，嚴
禁臨空拋灑；現場材料碼放整齊並掛牌標示，半成品堆放時底部必須採用木方墊襯。
2.採取各種技術措施減少噪聲污染、光污染：
a.堅持對各類施工機械維修保養，確保其始終處於正常狀態。
b室外照明用的投光燈均設燈罩，焊接施工時設定防電弧光罩，透光方向集中在施工範圍，避免或減少因燈光照射影響居民休息。
c.採取措施，控制揚塵，嚴禁現場焚燒有毒、有害物質。
3.強化對工人的文明施工教育，提高防擾民意識：
a.減少施工中的人為喧譁和不當行為；
b.車輛進出施工現場時減速慢行，文明行車。
效益分析
中國建築第二工程局有限公司採用《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》施工的效益分析如下：
- 經濟效益
該工程採用的鋼結構採光穹頂無胎架安裝施工技術，施工完畢後，經驗收合格，滿足規範要求，獲得設計、業主、監理單位的認可。長沙碧桂園時代廣場項目通過對材料、機械、人工及管理費用的測算，以長軸46.7米、短軸30.4米橢圓採光頂為例：
節省搭設腳手架鋼管約4萬米，縮短工期15天，所使用材料均為周轉材料可不計入成本計算，故總計節省費用0.009x40000x15+0.006x2.5x3.14x46.7x30.4/4x22=24.868萬元總計節約施工成本24.868萬元。
- 社會效益
鋼結構採光穹頂無胎架安裝施工技術，利用分段拼裝、無胎架支撐施工，減少了吊裝次數，降低了施工質量隱患，取得良好的施工效果。
- 技術效益
通過在鋼結構採光穹頂無胎架安裝施工技術，分段拼裝、無胎架支撐施工技術成功運用。為類似工程施工積累了寶貴施工經驗。
註：施工費用以2013—2020年施工材料價格計算
套用實例
中國建築第二工程局有限公司採用《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》的套用實例是：
1.湘潭萬達廣場項目商業中心橢圓形鋼結構採光頂長軸為46.7米，短軸為30.4米，穹弧採光頂鋼結構無胎架安裝工法在湘潭萬達廣場商業中心項目順利實施。
2.衡陽萬達廣場項目橢圓形鋼結構採光頂長軸為42.5米，短軸為27.2米，穹弧採光頂鋼結構無胎架安裝工法在衡陽萬達廣場商業中心項目順利實施。
榮譽表彰
2021年11月5日，湖南省住房和城鄉建設廳以湘建科〔2021〕206號檔案發布《關於公布湖南省2020年度工程建設省級工法名單的通知》，《橢圓形鋼結構採光頂無胎架安裝施工工法》被評定為湖南省2020年度工程建設省級工法。
