空间多分支异形折板钢架测量定位施工工法

'空间多分支异形折板钢架测量定位施工工法1前言随着我国建筑行业的飞速发展，建筑造型更加强调与环境和地域文化的融合，并使建筑物形体越来越美观、复杂以及富有个性化。为了满足上述要求，应用复杂多变空间异形钢结构的建筑物越来越普遍，而采用多个分支节点和空间面的折板钢架完成其造型复杂，将是一个新的钢结构形式，但该钢构件空间吊装工作量繁琐以及常规方法难以有效的控制安装精度。为了控制其在安装过程中的尺寸偏差，保证安装精度，我公司通过试验研究、探索实践和创新总结，最终形成了一套涵盖各种复杂多变空间节点构造、成熟、快捷和经济的施工工艺，并在辛亥革命博物馆新建工程箱型、楔型网状空间组合结构的折板钢结构安装过程中得到了成功应用，我公司结合该工程实践编制本工法，以指导今后类似工程的施工。2工法特点2.1测量定位效果好采用“节点坐标拟合测量定位法”，通过对节点的控制来准确实现钢结构空间位置的定位，解决了异形多面体折板钢架施工安装的测量定位难题。使用全站仪坐标拟合法，实现全站仪与计算机之间的双向通信，保证节点测量数据的准确性。2.2施工安装精度高折板钢架安装前对支撑构架和定位构架的进行空间三维模拟和放样，通过详细模拟保证现场安装的精度；同时折板钢架采用以节点为中心对称、节点与各杆件同时焊接的方法以抵消焊接应力与焊接变形，保证了施工安装精度。2.3施工操作方法简单实用采用的施工方法与技术操作简单，同时关键测量仪器全站仪的架设地点可灵活选择，再加上通过合理组织和配置施工机械、设备和人员，加快了施工进度，缩短了施工工期。3适用范围本工法适用于复杂多变空间结构大型多分支节点无可操作控制点的精确测量定位，特别是不规则大跨度多节点折板钢架的三维空间定位。4工艺原理本工法采用“节点坐标拟合测量定位法”，如图4.1所示，其基本原理和应用方法为： 首先通过设计给予的节点工作点与各端口中心点之间的尺寸关系，得出节点各端口的设计坐标值，建立节点三维空间模型。然后实用全站仪对节点实体进行外形尺寸检测，对节点各端口进行坐标测量，所得相对坐标值通过绘图软件转换为几何图形即实体模型。最后将实体模型与设计模型（理论值坐标点与点连接的线条组合）进行拟合（节点所测坐标值转换的实体模型图与设计值转换的设计模型图相互作比较）。通过对实体模型的移动，使实体模型达到理论最佳位置，所得的各点坐标值为拟合值也是最佳控制坐标值。拟合方法：将实体模型与设计模型通过绘图软件相互重叠，在图形四周找出端口与端口控制点相近的“十”连接线，移动两图形“十”字连接线相重叠拟合。将拟合后的实体模型移到建筑坐标系，得出实体模型各端口控制点坐标，即为最佳控制点坐标。将最佳控制值与设计值的各端口偏差参照验收标准进行对比，未超出标准规定的节点为检测合格。用“节点坐标拟合测量定位法”精确测量定位一个异形节点的位置与方向在理论上成立，同时，工程应用实践证明该方法可行且实用方便。12340图4.1坐标拟合法检测异形多分支节点效果图5、施工工艺流程及操作要点 5.1施工工艺流程（图5-1）完成节点间钢构件安装安装成型折板钢架监控折板钢架构件焊接及监控复核折板钢架整体卸载及验收搭设承重脚手架钢构件控制节点调整至拟合得到的最佳控制点数控切割及构件制作钢结构三维放样钢结构三维建模折板钢架吊装并进行空间节点三维测量定位模拟现场空间定位进行构件工厂预拼装图5.1复杂空间异形折板钢架施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1施工准备1、钢结构三维建模及放样对于空间复杂的钢结构，安装前进行三维模拟可有效的分析和评估安装过程中可能出现的问题，通过详细模拟，对后期的安装实践及保证现场安装的精度 具有重要的指导作用。折板钢架为空间多平面结构，现场安装前要进行支撑构架和定位构架的详细模拟，确保现场安装定位的准确。另外折板构件不仅要保证轴线定位的准确，还应保证截面方向定位的准确，必要时需要辅以折板棱边的定位。2、钢构件加工制作及工厂预拼装采用通用的数控机床进行钢结构的切割及加工制作，保证钢结构拼装部分的精度。现场安装采取先下部结构、后上部结构，先安装转角处节点、再安装掛梁、最后安装支撑的施工顺序，将节点固定在与其连接的钢梁上空间定位支撑到设计位置，利用三维模型进行支撑构架和定位构架的详细模拟，确保现场安装定位的准确。3、钢构件的预检和复检构件的预检在钢结构加工厂质检部门检查的基础上，项目部要进厂对加工质量进行复检，复检合格后出厂。不允许不合格构件进入安装现场，同时项目部根据现场安装进度要求及提供的构件清单监督制造部门是否按进度要求配套加工，避免由于加工构件不配套造成现场安装间断，影响安装工期和质量。预检：钢材材质的成品质量证明书及复验报告，焊条、焊丝材质的成品质量证明书及复验报告，构件焊缝外观及超声波探伤报告，以及实际偏差等预检资料；构件外观检查包括：钢构件的几何尺寸、连接板零件的位置、角度、螺栓孔直径及位置，焊缝的坡口，节点摩擦面，附件的数量及规格等。复检：对进场构件，现场材料员、质量员应按照构件发运清单及相关技术标准、规范及设计文件进行清点，核查。对构件制作过程中形成的各项技术资料进行核查。4、轴线、标高的复核钢结构安装前进行钢构件轴线及标高的移交和复核检查，符合要求后才能进行预埋件的埋设；同时对每一个混凝土结构上预埋件的位置进行复核，复核结果必须满足设计要求，才能进行下一步钢结构的安装。5、构件标识和构件表面的清理吊装前对钢构件做好中心线、标高线的标注，不对称的构件还应标注安装方向，对大型构件应标注出重心或吊点，标注可采用不同于构件涂装涂料颜色的油漆作记号，做到清楚、准确、醒目。在钢构件吊装前应清除附在其表面上的灰尘、雨水、油污和泥土等杂物，对损坏的油漆及时进行修补。6、搭设承重脚架根据土建移交的测量基准点，精确放出建筑物的标准轴线作为预埋件和承重脚手架的定位依据，依此正确安装预埋件和搭设承重脚手架，承重脚手架的如图5.2.1。承重脚架是用于放置结构各个节点和主梁的临时支撑 体。搭设承重脚架，且操作架继续往上升。安装中弦杆时，立即安装其与内部结构（如剪力墙、钢柱、直立柱等）的连梁，保证钢结构的面外稳定。校正好后，对需要焊接的对接口进行施焊。为安装上层的构件做好准备。图5.2.1承重脚手架示意图5.2.2钢结构安装1、主结构安装根据折板刚架不规则的多平面网状空间结构的特点，为保证刚架空间定位准确和折板刚架整体安装精度，工厂制作完成后模拟构件空间位置进行预拼装；现场安装采取先下部结构、后上部结构，先安装转角处节点、再安装掛梁、最后安装支撑的施工顺序，将节点固定在与其连接的钢梁上空间定位支撑到设计位置，利用三维模型进行支撑构架和定位构架的详细模拟，确保现场安装定位的准确。把异形节点逐一吊装到承重脚手架上，用“节点坐标拟合测量定位法”分别对它们进行测量定位。考虑到实际工程中，构件制作、测量、安装存在着不可避免的误差，所以，应用“节点坐标拟合测量定位法”时可在节点上再多选择若干个点以便进行复核校正。把节点测量安放准确后，及时把它点焊在胎架的定位装置上作临时固定。节点吊装完成后开始吊装主梁杆件，在杆件端部设置工装件以方便与节点对位和临时固定，把杆件吊装到位并与节点轴线对中准确后，及时焊工装件以临时连接节点与杆件。当与节点相连接的至少三个方向的杆件吊装对位临时固定好后，再进行节点与杆件的正式焊接。主梁焊接采用以节点为中心对称、节点与各杆件同时焊接的方法，次梁焊接采用两端异侧同时施焊的方法，以抵消焊接应力与焊接变形。正式焊接完成后，割除工装件。2、钢构件的安装测量（1）钢构件标高的测控 钢构件的测量校正主要为平面位置、标高和垂直度三项内容，按照先调整标高，再调整位移，最后调整垂直度的顺序按照规范规定的数值进行校正。同时为保证安装精度，避免因温度变化对钢构件垂直度校正产生的偏差，主楼钢构件的测量校正统一日照变化小的傍晚进行。每安装一节钢构件前，首先在钢构件上标设上、下中心线及相对标高，当钢构件安装后，应对构件顶作一次绝对标高实测，然后根据实测值来控制下一节钢构件的标高，以便提前通过临时固定板及处理端部来进行控制。图5.2.2-1钢构件标高的测量示意图图5.2.2-2钢构件垂直度的测量示意图（2）钢构件垂直度的测控钢构件垂直控制方法如下：用两台激光经纬仪置于构件基相互垂直的两条轴线上，视线投射到预先固定在钢构件的靶标上，光束中心同靶标中心垂直，且通过旋转最少3次经纬仪水平度盘，若投测点都重合，表明钢构件垂直度无偏差。（3）吊装的测量焊接合格后钢构件轴线偏差测量验收施焊中跟踪测量整理吊装测量记录，确定施焊顺序及特殊部位处理方法吊装钢构件、跟踪校正垂直度柱垂直度校正、高强度螺栓初拧、终拧轴线激光点投测、测量、放线钢构件标高测量抄平与钢构件预检数据综合处理确定钢构件位移值超偏处理图5.2.2-3钢构件吊装测量程序3、折板钢架变形监测及复核 钢结构工程结构特点十分显著，构件体型较大，单体重量重，节点复杂，因此施工过程中的变形监测是一项非常重要的工作，主要包括以下内容：主体结构基础沉降观测；吊装阶段主体结构变形监测；次结构吊装过程中主体结构变形监测；受温度变化影响及焊后收缩结构整体变形；折板结构支撑构架应分多步拆除，并在拆除前设置多个变形测量点（竖向和水平变形），在每步拆除完成后进行测量点的读取。所有的变形监测数据及时整理及分析，并根据检测数据采取合理的措施，保证钢构件处于受控状态下。5.2.3钢构件结构卸载5.2.3.1卸载条件：在主结构安装完成，并完成所有的焊接工作后，形成稳固的空间受力体系后，才开始对钢构件结构进行卸载，卸载工作须同时缓慢进行，才能减少残余变形和残余应力，以防焊缝崩裂。在每次卸载量完成后，对各监测点的数据进行读取，并同理论计算数据相比较，指导后续卸载过程。直至将整体主结构卸载到位。卸载条件具体包括：1）钢结构主梁、次梁与所有节点焊接完成，与混凝土上的预埋件焊接完成。2）构件安装精度和外观验收合格。3）卸载用千斤顶在承重脚手架上架设完毕。4）操作人员按照卸载点配备，施工交底完毕。5.2.3.2、卸载点详细形式见图5.2.3。图5.2.3卸载点详图3、卸载操作步骤及说明第一步：所有卸载千斤顶的地面试压和高空卸载点的布置；第二步：卸载千斤顶对主结构下弦杆对应位置的顶紧，同时完成结构整体外形的测量验收工作；第三步：将原安装支撑点移去每次卸载量相应高度的垫块或将支撑点顶部割除相应高度；第四步：同步将一排的千斤顶下落，使钢构件下弦再次与支撑点接触； 第五步：调整千斤顶的水平位置，使其保持垂直状态和对应支撑点，消除水平位移影响；第六步：再次顶紧千斤顶；第七步：将原安装支撑点再次移去每次卸载量相应高度的垫块或将支撑点顶部割除相应高度；重复以上操作，在每次卸载量完成后，对各监测点的数据进行读取，并同理论计算数据相比较，指导后续卸载过程。直至将整体主结构卸载到位。5.3劳动力组织本工法劳动力组织情况见表5.3。表5.3劳动力组织情况表序号类别单位数量备注1指挥工人4各工种人员根据施工工序和进展情况陆续进场和退场，及根据施工作业任务要求调整2起重工人123铆工人303电焊工人604杂工人205电工人26测量工人4合计人1326、材料与设备6.1主要施工机具投入计划见表6.1。表6.1主要施工机具投入计划序号设备名称规格型号数量用途备注1220吨汽车吊QAY2201台吊装构件250吨汽车吊QY501台吊装构件3直流电焊机ZX-32040焊接4CO2焊机CPXS-50020焊接5碳刨机ZX5-63012焊接6电焊条烘箱YGCH-X-4004焊条烘焙7电热焊条保温筒TRB系列60焊条保温8角向砂轮机JB1193-7140焊缝打磨9空气压缩机XF2008焊接 10倒链5/3t30稳定校正11千斤顶50/20/10t20稳定校正12照明设备1000瓦40照明13平板车60t1构件倒运13m长14钢丝绳6X37+124个吊绳、缆风绳6个4组15卸扣T-DW3020个吊装16钢板30*1500*30008块吊车支腿垫板6.2主要仪器投入计划见表6.2。表6.2主要仪器投入计划序号设备名称规格型号数量用于生产部位1超声波探伤仪USL-32UM22焊缝探伤2电子全站仪GTS-7011拼装、安装检测3经纬仪光学FDTL2CL2定线、长轴线测设4水准仪ALL3222标高测设5涂层测厚仪EPK600BF1油漆厚度检测7、质量控制7.1工程质量控制标准1、《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205—20012、《钢结构检测评定及加固技术规程》YB9257—763、《工程测量规范》GB50026—20074、《钢结构设计规范》GB50017—20035、《钢结构制作工艺规程》（DBJ08-216-95）6、《建筑钢结构焊接规程》（JGJ81-91）7、《建筑施工安全检查标准》JGJ59—998、《高空作业机械安全规则》JGJ5099—989、《建筑机械使用安全技术规程》JGJ33—200110、《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ46-200611、《建筑施工高处作业安全技术规范》JGJ80—917.2工程质量控制措施1、所有测量器具在作业前必须经技术监督部门进行检定，保证这些仪器的实际测量精度合格有效，并报监理工程师验证。 2、应尽量选择温度变化小，日照不强的时机(早上6～8点进行)进行测量，力求将温度、日照对施工控制的影响降低到最小限度。测量时，吊装机械及其他施工机械设备停止作业。3、焊接施工完后必须严格检测缝接质量，采用超声波按设计要求进行无损探伤，焊接质量必须达到设计要求。4、对焊工进行复训与考核。只有取得合格证的焊工才能安排进入现场施焊。焊材作为重点质控项目，由库房专门储存、发放，定时派员检查，按规章制度执行。5、焊接防护是保证焊接质量的一个重要环节。在焊接作业设置防雨、防风措施，搭设防雨、防风棚，以保证焊接质量。施焊前，清除坡口内渣皮，锈蚀和污物。低温季节时，焊接前按工艺要求进行预热，预热可采用电阻器或火焰预热，焊后进行热处理，保温缓慢冷却。7.3钢结构安装质量指标1、测量放线（单位mm）项目允许偏差图例检验方法柱底中心线对定位轴线的偏差5.0用吊线和钢尺检查柱轴线垂直度单层柱H≤10mH/1000用经纬仪和钢尺检查或全站仪坐标测量检查H＞10mH/1000，且不应大于25.0多节柱单节柱H/1000，且不应大于7.0柱全高35.0H＞10mH/1000，且不应大于25.0多节柱单节柱H/1000，且不应大于7.0柱全高50.02、预埋件、锚固件安装项目允许偏差(mm)支承面标高±3.0水平度L/1000位移53、构件安装序号工程项目测量项目允许偏差(mm)1承重脚手架标高-3～±0 2位移103节点定位标高±54位移35主梁位移±56挠度L/1000，且小于208、安全措施8.1建立安全施工体系及保障措施，必须坚决落实公司“安全第一，预防为主”的方针和安全为了生产，生产必须安全的规定，全面实行“预控管理”，从思想上重视，行动上支持，控制和减少伤亡事故的发生。8.2建立安全管理网络。在现场建立以项目经理为组长，项目技术负责人为副组长，专职安全员、各部组负责人为组员的项目安全生产领导小组，在项目形成纵横网络管理体制。8.3贯彻执行劳动保护、安全生产、消防工作的各类法规、条例、规定，遵守工地的安全生产制度和规定。所有的施工及管理人员必须严格遵守安全生产纪律，正确穿、戴和使用好劳动防护用品。认真贯彻执行工地分部分项、工种及施工技术交底要求。施工负责人必须检查具体施工人员的落实情况，并经常性督促、指导，确保施工安全。8.4安全防护用品佩戴整齐，2米以上高空必须戴安全带，持棱镜人员上高空所到之处必须具备安全通道，遵守其它安全规范。8.5配合土建进行预埋件的埋设和检查，对钢结构施工需要的锚固点或缆风绳拉接点予以重点检查。8.6对承重脚手架下部的混凝土楼面按照方案进行支撑加固。承重脚手架搭设位置准确，缆风绳拉接牢固。承重脚手架上设临时上下爬梯和操作平台以方便施工和保障安全。8.7在吊装的钢梁上设置安全栏杆、临时爬梯和吊篮等简易临时设施，为施工人员提供操作平台，方便施工、确保安全。8.8施工区域拉设警戒绳，并专人看护。施工人员正确佩带安全防护用品，不违章作业。配备专职安全员和电工，做好施工用电安全。9、环保措施9.1施工现场及工地周边场地派专人每天进行2到3次洒水与清扫，保持现场洁净。9.2现场设置高压洗车泵，并派专人清扫泥浆及车辆沾带的泥土，保证环境清洁。9.3场内采用低噪音起重设备，一般情况晚上10点以后及午休时不施工；采取措施保证切割操作时产生的火花不会引起火灾。 9.4大力宣传教育节约用水，生活废水经化粪池处理排放到业主污水处理站，施工废水经沉淀处理有组织排放。9.5购置环保仪器设备，选用无放射和灼热类型的全站仪，避免在使用过程中灼伤人的眼睛。10、效益分析10.1经济效益采用本工法进行复杂多变多分支的异形折板钢架测量定位安装，操作方便，可有效的减少了节点的安装时间，同时减少了机械的使用，缩短了安装工期，运输与吊装设备的轻型化节省了地基与基础的加固费用，使施工成本大大降低。10.2社会效益本工法能有效的实施复杂形体结构的施工安装，较好的检测节点的偏差，解决了异形折板钢架安装收施工现场场地条件等的限制，为今后类似复杂折板钢架的施工安装提供了很好的借鉴和成功经验，为新结构、新技术的推广作出了贡献。11、应用实例本工法通过辛亥革命博物馆钢结构工程的实践，辛亥革命博物馆的建筑面积为22138m2（其中地下6154m2,地上15984m2）地下一层，地上三层，其结构采用钢筋混凝土框架—钢骨混凝土剪力墙结构，三层至屋面有大跨度悬挑钢桁架结构，为V形对称的两榀钢桁架，桁架间设有纵向桁架支撑，楼盖钢梁间设有水平支撑。V形中间部位室外空间两侧的建筑立面复杂，采用折板空间钢架，既作为外墙支撑骨架，又作为楼层竖向支撑结构。博物馆折板钢架采取工厂生产制作、现场安装，采用复杂多变空多分支间异形折板钢架测量定位施工工法测量控制大型多分支节点，完成钢材总吨位1500t。按照本工法制定详细的施工组织计划，确保了工程优质、安全、按期完成。图11.1箱型、楔型网状空间组合结构的折板钢架模型图辛亥革命博物馆箱型、楔型网状空间组合结构的折板钢架安装总体顺序为先安装A区,然后以A区为支点，安装B区。最后安装C区。C区先于飞檐部分安装，否则飞檐部分安装完毕后，C区将不易安装。安装每个区时，安装顺序是：与土建连接部分→下弦杆→下层腹杆→中弦杆→上层腹杆→上弦杆。 图11.2箱型、楔型网状空间组合结构的折板钢架安装顺序图图11.3箱型、楔型网状空间组合结构的折板钢架节点图建资料交接'