复杂形制伞状钢结构转换层施工关键技术研究

摘要：结合某采用钢框架+空腹转换层+钢筋混凝土核心筒结构体系的超高层建筑伞状钢结构转换层施工面临的钢结构构件分段、超重巨柱吊装和转换层钢结构吊装技术难题，形成了基于最优工效的构件分段技术、数字化预拼装技术、大型钢结构吊装技术和转换层底部临时支撑技术，有效解决了多工作面、大吊装量条件下复杂形制钢结构施工施工效率与质量管控协同的难题，可为类似工程提供技术借鉴。

随着超高层建筑建造技术的快速发展，为满足建筑使用功能、审美需求等方面的要求，超高层建筑向功能多样化、结构复杂化、形式新颖化的方向发展[1]，与之相匹配的钢结构形态也呈现跨度大、形制复杂的特点，继而对钢结构的构件加工质量、拼装质量与精度控制、吊装施工效率与安全等的要求也越来越严格[2,3,4,5]。

本文结合某超高层建筑特殊形式的伞状转换层钢结构吊装施工，从构件节段划分、数字化预拼装、高空吊装、结构体系转换等方面开展成套施工技术研究，为类似超高层建筑钢结构转换层施工提供技术参考。

1、工程概况

某超高层建筑由150m高主楼及裙房组成，采用钢框架+空腹转换层+钢筋混凝土核心筒结构体系。7层以上的外框架仅由四根Φ2800的钢管混凝土巨柱支撑起上部结构，F06-F07层为转换层，7层伞状转换结构由钢管砼巨柱和八根变截面H形转换钢梁组成，6层钢梁采用外圈钢立柱吊挂于7层底部。（图1)

本工程钢结构具有以下特点：

(1)巨型柱截面尺寸大。不同于常规建筑，本工程主体7层以下仅设4根巨柱+钢结构转换层，7层以上外框架荷载需要通过F06-F07层的转换结构集中传递到四根巨型柱上，由于巨型柱受力大，其采用圆形钢管砼柱，且直径达2.8m。

(2)转换层构件布置复杂、构件尺寸较大。为使外框架荷载有效传递至底部巨型柱上，采用伞状转换梁的结构体系，沿巨型柱径向设置8道转换梁，转换梁采用焊接工字型变截面钢梁，转换梁根部（与巨柱相连）截面高度4.3m，端部（与外框架或核心筒相连）截面高度1.5m。

图1上部模型、钢管砼巨柱与转换层钢结构

(3)节点构件组合复杂，设计施工难度大。主要有巨柱与伞状转换梁的连接节点、转换梁与外框架的连接节点以及转换梁与核心筒的连接节点，如图2所示。

图2节点构造示意图  

2、转换层施工技术难点

2.1超高层构件分段

转换层钢结构包含了塔楼钢结构、巨型钢管圆柱、核心筒剪力墙劲性钢柱及剪力钢板等施工内容，作业面多、工程量大、技术难度高。

2.2超重巨柱吊装

巨型钢管圆柱总长约28m、重达200多吨，由于Φ2800的超大截面，且单件长度长、重量重，对分段吊装、焊接质量的要求很高。

2.3转换层钢结构吊装

转换层位于F06-F07，由四个角部Φ2800钢管巨柱+8个伞形转换钢梁及劲性核心筒、钢框架梁组成，巨柱外部的F06、F07层外框边梁均为大截面矩形管梁，结构构造新颖，施工难度非常大，是本工程施工之重点之处。

3、转换层施工关键技术

针对以上施工难点，塔楼施工以转换层为界，转换层以下主要是四根支承巨柱及核心筒结构，F06、F07、巨柱、伞形转换钢梁、大截面矩形梁及外钢框架的转换层，转换层以上塔楼基本进入标准层。

3.1基于最优工效的构件分段技术

在满足设计要求的前提下将结构划分成横向和竖向分段构件以便实施钢结构安装。横向分段构件包括：四根巨型圆管钢柱、核心筒组合柱。竖向分段构件包括：转换层钢结构。

3.1.1巨型圆柱分段

考虑到巨型圆柱对接焊接工作量非常之大，地上部分圆管柱采用500t汽车吊进行吊装，考虑到运输以及加工制作与焊接等因素地上部分圆管柱分为5段。最大分段长度8.25m，最大重量52.5t。具体如表1。

表1巨型柱分段一览表

3.1.2转换层钢结构分段

以满足构件运输要求、现场施工工艺要求以及便于吊装、施焊，确保安装质量为分段原则，结合吊装工况，合理选择分段方式；16m（含）吊装半径的吊重小于80t;16m～22m（含）吊装半径内的吊重小于62t;22m～36m（含）吊装半径的吊重小于30t，如图3所示。

图3转换层钢梁分段平面示意图

3.2数字化预拼装技术

转换层钢结构巨柱节点由形状复杂的不规则构件组成，为保证现场拼装的顺利进行，采用基于三维激光扫描的复杂钢结构转换梁体系数字化预拼装技术，对复杂形制预制构件加工质量和伞状巨柱节点拼装效果进行检测。预拼装流程图如图4所示。

3.2.1复杂形制预制构件质量检测

为了分析复杂形制钢构件加工偏差，通过辅助软件的逆向校核，将构件点云模型与设计BIM模型通过面状特征精确合模，进行三维偏差分析和二维偏差分析，准确测量构件各位置的偏差值；结合钢质量验收标准，评估各预制构件质量，辅助决策构件质量验收；最后将检测结果反馈给构件加工厂，指导后续整改与复核。数据采集、数据处理、模型合模、质量检测和结果反馈整个过程控制在两天内完成，且数据精度控制在毫米范围，大大提高了对复杂形制构件检测的准确性。以主楼地上第五节伞状节点为例，对第五节巨柱及其周围八个梁进行质量检测，本文选取中心圆柱5JC-9D-1质量检测结果展示分析，进行三维偏差分析，通过设置偏差阈值使偏差分析结果通过色彩反映在模型上（如图5）。

图4数字化预拼装流程图  

图5 5JC-9D-1三维偏差示意图

3.2.2伞状巨柱节点数字预拼装效果

数字化预拼装技术解决了关键节点位置预拼装的需求，利用点云模型复制复杂形制预制构件的完整信息，通过设计模型中各构件的空间位置关系快速预拼装，在软件中实现模型调整、关键部位复核、预拼装结果分析，最终决策预制构件是否满足进场吊装要求。数据采集、数据处理、模拟预拼装、和出具拼装结果在两天内完成，数据精度控制在毫米范围，大大提高了预拼装的效率、降低了预拼装成本。主楼地上第五节伞状节点的圆形巨柱及其周围八个梁数字化预拼装效果如图6所示，通过预拼装对梁坡接口处、横梁连接处做详细地检测复核、分析并记录，本文选取7ZHL-9横梁处的检测结果，如图7所示。

3.3大型钢结构吊装技术

转换层钢结构为框架结构体系，主要遵循“主要汽车吊4点定点吊装+临时支撑体系，塔吊辅助补缺吊装”的技术路线。即：6层与7层外侧框架钢梁、径向钢梁、巨形圆柱以及巨形圆柱伞状结构主要使用汽车吊吊装，其余构件主要使用塔吊吊装，吊装前须设置塔身支撑体系，待13层结构全部施工完成后方可拆除。

转换层钢构件的吊装遵循从下往上，先角部后中间的原则。即：先进行转换层6层的吊装，为保证6层外围大梁的侧向稳定性，在吊装大梁的同时需采用主楼塔吊吊装与大梁连接的核心筒径向钢梁。在6层整体框架形成后，先吊装转换层7层四个角部的伞状节点，在四个角部全部完成后安装中间的欠补段。

图6数字模拟预拼装效果图

3.4转换层底部临时支撑系统

3.4.1临时支撑体系

转换层施工前采用1.6m×1.6m塔身标准节作为临时支撑，由于塔身支撑与地下室顶板后浇带投影位置重合。现场采取在塔身支撑底部设置两根980×800mm×20mm×40mm转换梁将荷载传递至两侧混凝土梁上，塔身的四个支脚与底部转换梁的顶部通过电焊进行连接。

塔身支撑的顶部设置有转换钢梁及恒力支撑系统，塔身与顶部的转换梁通过电焊进行连接，而恒力支撑搁置在转换梁上方，并采用转换梁两侧的角钢作为限位。当转换层施工过程中是由刚性支撑提供支撑反力，此时恒力支撑与6层底面没有接触；当整个转换层的吊装、焊接、验收等一系列的工作全部完成后即开始恒力支撑的加载工作，此时当恒力千斤顶开始加载顶升后，完成了支撑反力从刚性支撑转移至了恒力千斤顶之上。同时观察刚性支撑是否与转换层钢梁的底部是否还有接触，如有接触需将刚性支撑做切割处理，必须保证所有的支撑反力全部转移至恒力支撑之上。如图8所示。

图7 7ZHL-9横梁拼接检测结果展示

图8顶部塔身处理  

3.4.2恒力支撑系统

由于临时支撑的设置周期近4个月，且部分支撑跨后浇带，可能产生沉降差使临时支撑产生竖向位移，常规的刚性支撑无法补偿差异沉降造成的竖向位移。

为了满足竖向位移补偿，将基坑中的恒力支撑运用到竖向结构中，根据结构特点和支撑分布，并结合结构应力、变形监测数据，对支撑轴力进行动态设定及调整，从而解决差异沉降造成的结构竖向位移补偿的难题。

3.4.3恒力支撑荷载控制及顶升技术

转换层下方布置22个临时支撑点，钢结构自6F起逐层施工至13F，然后进行结构卸载。当每完成一个楼层面之后，即开始恒力支撑每个点的同步加载工作，所施加的荷载为下一个楼层全部完成后每一个支撑点所承受的荷载，即为预加载。

3.4.4转换层钢结构卸载技术

当主楼外框钢结构完成至13层时，对转换层底部支撑体系进行卸载。现场采用计算机同步控制，以荷载控制值为依据按比例分级逐步进行卸载。当每个恒力支撑点位置提供的反力为0k N时，全数检查支撑点位置是否脱开，并对转换层的杆件内力进行监测，检查每个监测点杆件内力是否接近结构计算分析内的数值。

4、结论

本文以某超高层建筑复杂形制伞状钢结构转换层施工为背景，从构件加工质量控制、高空结构吊装、结构体系转换等方面展开研究，主要结论如下：

(1)在满足设计要求前提下对巨型圆柱和转换层钢结构进行合理的横向和竖向节段划分，能够实现满足运输、吊装和施焊的最优工效组合。

(2)三维激光扫描技术和点云处理分析技术的应用解决了复杂形制巨型伞状节点钢构件加工质量检测与数字化预拼装难题，大大提高了复杂形制构件加工质量检测的准确性，实现了模型调整、关键部位复核、预拼装结果分析的高效决策。

(3)恒力支撑创新运用到竖向结构中保证了转换层底部支撑胎架体系在钢结构吊装过程中结构体系转换动态可调、可控，解决了竖向位移补偿的难题。

参考文献:

[1]刘晓.复杂钢结构转换层施工安全监测技术研究[J].建筑科技,2022,6(06):89-91.

[2]戚双星,曾远来,伍衡,等.文化强国馆项目主体钢结构吊装施工技术分析[J].建筑结构,2023,53(S2):1795-1799.

[3]姜观荣,戚双星,王姗姗,等.建筑钢结构吊装施工工艺及稳定性验算研究[J].建筑安全,2023,38(04):56-60.

[4]董建曦.大型文化综合体复杂异形钢结构吊装施工关键技术[J].建筑施工,2023,45(11):2211-2214.

[5]黎翔,呼辉峰,陈天国,等.基于点云和BIM的大跨钢桁架虚拟预拼装应用研究[J].钢结构(中英文),2023,38(10):10-15.

文章来源:汪宇峰.复杂形制伞状钢结构转换层施工关键技术研究[J].价值工程,2024,43(17):87-90.