论鱼腹曲面钢结构安装施工技术
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[摘要]本文主要介绍东莞台商大厦工程主楼曲面钢结构施工方法和质量控制措施。该项目做为一个地区性的标志工程，其施工方法可为类似工程提供借鉴。
1、工程概况
东莞台商大厦位于东莞市东莞大道与鸿福路交接处。建筑面积28万平方米，地下4层，主楼68层，高289米。主楼为筒体―框架结构，整体造型为鱼腹造型。鱼腹曲面分为竖向曲面及横向曲面。竖向曲面主要是通过外框钢管柱实现，主楼钢管混凝土圆柱各层均存在一定的斜率，约为2%-3%；横向曲面通过钢管柱牛腿及弧形钢梁实现，各层外边梁为弧形钢梁。
图1.1横向曲面弧形钢梁
图1.2竖向曲面
本工程施工特点为：竖向曲面由二十九段不同斜率的圆管柱现场焊接叠加而成，钢柱的位置不能通过平面坐标来控制，任何一段柱子的偏位都会破坏整个立面造型。横向曲面的造型主要由圆管柱的牛腿位置及钢梁弧度控制。本工程主楼外立面玻璃幕墙为鱼鳞造型，幕墙深化设计对钢结构安装精度提出了严格要求。同时，圆管柱整体弧形，受力远不如直柱受力性能好，任何细小的质量问题都有可能不断发展，厚板焊接的质量必须保证。
2、空间测量控制网布置
主轴线控制网选择内控形式布设于首层楼板面上，靠近S轴与M轴核心墙4个门洞口外200mm处，布设4个激光控制点和核心筒四角处4个控制点形成矩形控制网。标高控制点选择在核心墙外壁布设+1米控制线。在S和M轴核心墙外壁上各建立四个标高控制点及12、17轴核心墙外壁中建2个标高点，共6个标高控制点控制主楼层四周钢构件标高（见图2.1）。同时保证了每根外框柱空间测量定位时能和至少2个控制点通视，以保证其控制精度。
图2.1 空间投影控制网点位图
平面控制点的竖向传递采用内控法，楼板施工时，在控制点的正上方开设20cm×20cm方形孔洞，采用激光准直仪向上传递，并进行闭合复测。高程控制点的传递全站仪进行竖向垂直测距，最后通过计算整理求得反射片的高程，然后按等水准测量的要求把激光反射片的高程传递到核心筒外壁上。
在实际施工时，土建、钢构、幕墙专业根据施工现场主控制网建立个各自专业不同的控制网，在施工过程中相互复核。
3、构件深化设计与加工
主楼钢柱根据工程质量和吊装等因素分成29段，因钢管柱壁厚及楼层不同，每段柱长度为1至4层楼层高度不等。钢构件深化设计综合现场安装、幕墙、机电等专业意见进行深化设计。
钢构件在工厂内完成加工和预拼装。该项目构件加工质量标准要求较高，焊缝等级、焊缝位置等的质量要求较规范有所提高。构件使用了先进的机械设备，加工中对构件应力消除、焊缝检测十分重视。
根据安装总体计划，制订工厂的实际预拼装计划，工程外筒钢结构工厂预拼装分为12个阶段进行，每8～9层为一个预瓶装段。预拼装胎架在重型平台上进行预拼装，胎架和构件的定位都采用经纬仪等精密仪器测定。预拼装主要方法如下：
外筒沿周长方向(水平方向)的预拼装方法：综合外筒构平面尺寸及工厂场地实际将构件在沿着建筑周长方向上的预拼装拟采用分区连续匹配预拼的方法进行，将整个外筒沿周长方向划分为4个分区，按逆时针方向进行“4+1”连续匹配预拼，即第一分区预拼后，将与第二分区相邻的钢管柱留下，并以留下的钢管柱子为基准，进行第二分区的预拼，依此类推，完成整个外筒的预拼装。分区及预拼流程如图3.1示。
图3.1工程主塔楼外筒沿周长方向的预拼装示意图
2．外筒沿柱方向（高程方向）的预拼装方法：每个拼装段有8～9个楼层高度，有3~5段钢柱。在高程方向上采用与周长方向（圆周方向）预拼装类似的方法，即第一阶段构件预拼装后，将其顶部最上面的一段钢管柱子留下，并以此段钢管柱子为基淮定位点，进行第二阶段的预拼装。
4、钢构吊装
4.1构件吊装
主要安装难度在于钢柱安装。第一段柱柱底位于桩基础承台顶标高处，安装至柱脚螺栓上。上部钢柱的安装采用临时连接板和连接螺栓固定。各段柱直接用钢柱上端的连接板作为吊点，为穿卡环方便，在深化设计时就将连接板最上面的一个螺栓孔的孔径加大，作为吊装孔。
钢柱吊装到位后，钢柱的中心线应与下面一段钢柱的中心线吻合，并四面兼顾，调节临时连接板平稳插入下节柱对应的安装耳板上，穿好连接螺栓，连接好临时连接夹板，并及时拉设缆风绳对钢柱进一步进行稳固。
4.2构件安装校正
外立面钢柱垂直度整体考虑，用倒链、钢丝绳将钢柱往同一方向牵拉校正。钢柱校正后，在柱顶用钢卷尺丈量两根钢柱之间的间距尺寸。在主楼核心筒外侧高于柱顶的控制点架设水准仪，测量各柱顶标高，根据标高偏差进行调整。
柱校正采用坐标点+牛腿中心线测量定位：测量前，由设计单位提供钢柱控制点空间三维坐标值X/Y/Z（a、b、c、d），在工厂内对柱端口四个特征点进行刻画线，并用油漆笔做上控制记号。在柱子吊装到位后，将柱底部刻画线对准已安装柱的顶部刻画线，保证正确衔接，即完成根部定位及解决空间扭转，然后进行该立柱顶部的精确控制。顶部控制时，主要由全站仪从控制点上测量柱顶四特征点以控制其空间位置，定位过程中，将小棱镜置于控制点上，逐一测设，直到柱子仪器所测坐标值与设计坐标值（考虑预调值）吻合。校正采用在钢管柱上焊接临时支撑点进行微调。当钢管柱柱顶调整到位后，以另一控制点复核四周牛腿控制点并测量柱顶四特征点的空间坐标，以复核柱身的扭转情况。复核无误后，固定钢管柱，即完成立柱的定位。立柱定位后，将进行环梁、核心筒与钢管柱相接的主梁位置安装，即可完成层内钢结构主体安装。此方法即可控制柱轴线偏差又可以起到预防钢柱扭转，即可准确定位外框钢柱，确保外框圆曲面弧形钢梁定位精度。
4.3.焊后验收测量
当焊接完成后，对的钢柱再次复测，并做好记录，作为资料和上一节钢柱吊装校正和焊接的依据。焊后测量三维坐标值实例见下表。
预偏后钢柱三维测量坐标值
5、安装施工技术
5.1 减少构件加工制作误差
1．控制工厂制作精度：增派驻厂人员进驻制作厂，对加工制作的钢柱进行外形尺寸验收，特别对钢柱上下管口圆度、直径进行测量验收。
2. 加强构件进场复验：对每次进场钢柱，安装规范要求严格进行构件外观尺寸验收，对管口直径、圆度偏差较大钢柱进行现场校正后方可吊装，减少构件制作偏差在规范范围内。尤其是弧形钢梁，在运输过程中，或多或少会破坏钢梁弧度，必须加强验收。验收方式如下图，在图纸上拉好尺寸，现场弹线拉尺寸。
5.2 钢柱吊装
钢柱吊装应按照安装顺序进行，以便及时形成稳定的框架体系。利用钢柱的临时连接板作为吊点，吊点必须对称，确保钢柱吊装时成垂直状。钢柱定位后应及时将钢柱连接板之间点焊牢固。
5.3 测量点刻画线复核
每个钢柱上下管口，工厂在连接耳板位置用钢针刻划了测量控制线，便于牛腿拼装定位，也是钢柱空间定位测量主要控制点。构件制作往往出现偏差，我们根据设计图纸现场复核刻划线准确度，对于偏差较大控制点进行纠偏。
5.4 采用全站仪+激光片跟踪定位
将原全站仪接收小棱镜换成厚度小于1mm的激光反射片垂直放置在控制点处，让反射片“十”字中心与控制点重合。直接用激光捕捉钢柱顶端口控制点的激光反射片，测时应尽量使反射片正对全站仪方向。测量并记录每根钢柱的四个顶点坐标值，用实测坐标与理论坐标比较，计算出柱顶的轴线偏差及扭曲偏差值，进行实时跟踪定位 。
减少仪器与测量点视线角度：采用内控法测量时，仪器往往搭设在核心筒四角上，且高于钢柱顶标高，造成仪器与测量点俯视角度>45°，影响测量精度。为减少仪器与测量点视线角度，采用在钢柱安装完成后立即对核心筒四角的钢梁进行安装，借用钢梁搭设操作平台，在核心筒四角与钢柱顶标高一致的位置上焊接专用测量仪器支架，确保视线水平，提高测量精度。
5.5 钢柱焊接预偏
钢结构焊接(尤其是钢梁的焊接收缩)对外框钢柱的定位偏差会产生较大的影响。这种影响主要通过测量校正提前考虑（预偏）和焊接施工过程采用正确的焊接顺序来消除。
钢柱校正时提前考虑焊接收缩量，有意使钢柱朝与收缩相反的方向预偏。
当高强螺终拧完成后，对这一片区的钢柱再次进行整体观测，并做好记录，根据记录的偏差值大小及偏差方向，确定焊接顺序，整体遵循先焊柱后焊粱，从中间向两边依次焊接的原则。
5.6 安装施工位置和结构构件的加工形态预调
1．安装施工位置预调：施工过程中外框斜柱采用逐节吊装、整环校正的施工方案；核心筒采用爬模施工工艺，始终保持高于外框柱30米左右的进度。且核心筒与外框钢结构自重并不相等，因此核心筒与外框架沉降步调并不一致，施工中通过不断监测并结合模拟验算和沉降资料，总结沉降规律，进行安装施工位置预调，来确保同层楼面的标高相一致。根据施工验收经验研究，外框柱或核心筒混凝土施工预调值随结构高度的变化，呈现出与变形相同的规律：中间大，两端小。对于超高层结构，竖向变形占主导地位，核心筒与外框柱均存在竖向变形差，我们在施工时进行竖向施工预调来确保内外结构之间的水平构件保持水平，而且正好回落到设计标高上。
图5.1 按设计标高安装 图5.2 按预调标高安装
2．构件预加工时调整长度和形状：本工程钢柱的标高控制主要体现在控制各节柱的柱顶标高，由于钢柱的焊接收缩、压缩变形及钢材的线形变形等因素的综合影响，随楼层施工高度的不断增高，柱顶实际标高值与设计标高的差值会越来越大，因此柱顶设计标高不能作为标高的控制标准。施工经验证明，钢板厚度大于30mm时，梁与柱焊接收缩一般为2mm，柱与柱焊接收缩一般为3mm。经设计计算，主塔楼钢结构自重压缩值最大为32mm，按重量分布在第16段钢柱中。因此，为保证结构完成状态实际标高与设计标高相符，我们采取将焊接收缩和结构压缩值反映到工厂，加长柱身，以补偿现场焊接收缩和结构自重压缩。经过现场监测，采取加工预调的方法是可行的。
6、结束语
台商大厦工程2010年11月完成钢结构吊装，目前外立面幕墙安装基本完成。本工程通过一系列技术和管理措施保证了钢结构加工及安装质量，达到了质量目标，实现了设计意图。为后续相关专业，特别是玻璃幕墙施工质量提供了保障。该项目钢结构幕墙目前正在积极申报中国建筑钢结构行业工程质量最高荣誉奖金钢奖，在东莞地区起到了带头作用。
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