基于建筑钢结构设计的施工技术探究与质量控制措施

王名文

（中铁四局集团有限公司上海分公司，上海 200000）

0 引言

近年来，随着科学技术在建筑行业的不断应用，建筑行业得到了飞速发展，而钢结构工程“高、大、轻”的独特优势使其能够在现代高层建筑项目中应用广泛。针对钢结构施工问题，众多专家学者进行了大量的研究。李冠东[1]对高层钢结构施工技术和梁柱节点优化设计进行了深入研究，提高了钢结构整体质量，确保了钢结构的稳定性和安全性。孟卓[2]首先分析了钢结构施工技术要点，并根据施工要点针对性提出施工质量管理措施，齐宏拓[3]等将点云数据与钢结构施工过程进行结合；成佳明[4]等将机器视觉与焊缝识别进行结合；刘占省[5]等基于数字孪生技术对钢结构预应力构建施工进行了分析。最后有关高难度钢结构的施工工作方向的研究，例如钱刚[6]等分析了天长全民健身中心体育场钢结构屋盖的施工过程等。

本文在前人研究的基础上，以上海嘉定新城健康科技有限公司总部、研发及培训中心项目中1#楼为研发中心钢结构设计施工工作为切入点，深入研究钢结构施工技术要点，进一步明确钢结构设计施工要点，以期为后续钢结构施工提供参考。

1 工程概况

上海嘉定新城健康科技有限公司总部、研发及培训中心项目中1#楼为研发中心。1#楼研发中心为地上8 层，地下1 层的钢框架结构高层建筑，地上部分高40m，建筑面积约11 802m2。建筑结构为钢框架结构，基础形式为桩+承台+筏板基础，墙面系统为铝合金框架玻璃幕墙，楼层使用压型钢板组合楼板。

2 钢结构设计

2.1 荷载组合分析

本工程中主体结构计算基本风压按50 年重现期取值为0.55kN/m2，地面粗糙度为B 类，屋面基本雪压按50 年重现期取值为0.205kN/m2，本工程采用集成化建筑结构分析与设计软件系统YJK（1.9.3.0 版本），钢结构整体永久荷载由程序自动加载并计算，楼屋面所受可变荷载详见表1。除此之外，其他活荷载应按照相关规范进行取值，例如楼梯、勘探等的栏杆顶部水平荷载为1.0 kN/m 等。

表1 楼屋面所受可变荷载

2.2 高强螺栓内力计算

本工程的设计工作采用的是集成化的建筑结构分析与设计软件YJK（1.9.3.0 版本）进行。钢结构设计施工过程中，连接方式的选择是十分重要的一个环节，适用的钢结构连接方式能够很大程度上决定钢结构的整体强度[7-8]，本工程中钢结构的连接方式为高强螺栓连接和焊接，其中高强螺栓采用10.9 级摩擦型高强螺栓，本工程中部分摩擦型高强螺栓抗剪计算结果如表2 所示，其中螺栓内力按式（1）进行计算。

表2 摩擦型高强螺栓抗剪计算结果

2.3 焊缝计算

本工程中焊缝均按照《钢结构焊接规范》（GB50661-2011）相关要求执行，所有构件的对接拼接节点均为等强连接，采用坡口全熔透焊，焊缝质量等级要求为一级。框架焊缝质量等级为框架梁柱的对接焊和拼接焊缝上下翼缘要求全熔透焊接。有关焊缝质量的计算以及强度要求应按照下式进行[9]。

正面角焊缝应力计算：

3 钢结构施工

3.1 BIM 技术在本工程中的应用

BIM 技术在建筑工程中的应用越来越广泛，俨然成为建筑行业最受关注的技术和概念之一，同时也是建筑行业信息化的重要举措。在本工程施工过程中采用了BIM 技术建立了钢结构模型，利用BIM 的可视化特点，对钢结构安装过程进行模拟，确定工程施工难点，并对实际施工进行控制，加强了对施工质量的管控。其次，本工程还实现了BIM 技术和物联网技术的结合，在钢结构吊装过程中，对主体结构构件进行统一编制，并赋予唯一二维码，相关工作人员可通过扫描二维码来确保构件安装是否正确，工程管理人员也可在BIM 云管理平台中实时掌握施工进度，保证施工质量。BIM 技术和物联网技术的实施，使本工程中钢结构施工过程清晰可控，降低了施工管理难度，确保了工程施工质量。本项目所采用的BIM 云管理平台如图1所示。

图1 1#BIM 云管理平台

3.2 钢结构吊装过程

本工程中钢结构的吊装主要采用7027 型塔吊作为垂直运输设备，以及不同高度参数的直（曲）臂登高车和中、大型卡车、叉车等机械设备进行辅助作业，确保钢结构吊装工作顺利进行。本工程中钢结构吊装作业要点如下：起吊前复验钢柱脚锚栓的预埋情况，根据钢柱的重量及吊点情况，计算出钢丝绳的规格大小，准备足够的不同长度、不同规格的钢丝绳以及卡环。钢柱吊点设置在钢柱的头部两侧，直接用设置于钢柱顶部的吊装临时连接板固定卡环。

吊装顺序如图2 所示。从图中可知，本工程中钢结构的安装从一角开始向两侧及中间逐步安装，呈扇形逐步推进，钢柱的吊装按照各楼层的安装顺序进行，并及时形成稳定的框架体系。

图2 钢结构吊装顺序示意图

吊装过程中各工种应协调作业，随时调整构件行进路线，调整好构件垂直度，到达指定位置悬停。将钢柱柱底板穿入地脚螺栓，放置在调节好的螺帽上，并将柱的四面中心线与基础线中心线对齐吻合，穿上压板将螺栓拧紧。固定好钢柱的缆风绳，拉紧缆风绳，即为完成钢柱的就位工作[10-11]。

安装吊装措施如下：吊装前将安装爬梯安装在钢柱的一侧，同时在柱与钢梁的连接位置下1.3m 处焊接固定装配式安装操作平台的临时槽钢；钢柱吊到就位上方200mm 时应停机稳定，对准螺栓孔和十字线后，缓慢下落，使钢柱四边中心线与基础十字轴线对准，柱脚定位如图3（a）所示；在吊机松钩前，采用钢丝绳缆风绳进行固定，对钢柱进行初步测量校正；柱底就位时少量的校正可用千斤顶和调整螺母法校正，如图3（b）所示；钢柱用塔吊吊升就位后，穿入其余安装螺栓，并将上柱四面的中心线与下柱中心线对齐吻合，四面兼顾中心线对准或已使偏差控制在规范要求范围以内时，将螺栓拧紧。

图3 钢结构安装细节示意图

3.3 钢结构安装

本工程中钢结构吊装工作施工要点如下：

在需要安装的钢柱的柱身上标注钢柱的安装方向，标识中心线，同时在钢柱上捆绑安全爬梯，爬梯采用φ12 的圆钢制作。钢柱吊点设置在钢柱的上部，吊装前，下节钢柱顶面和本节钢柱底面的渣土和浮锈须清除干净。

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，各个端面兼顾，连接好临时连接夹板。钢柱临时固定完成后，即可进行初校，校正时与梁连接牛腿标高需进行复测，以便钢梁的安装以牛腿为标高基准进行定位[12]。

安装前，预先对上下节柱对接端口弹出定位线，作为安装基准线，钢柱对接基准线示意如图4 所示，并使用安装螺栓将连接板临时固定在上节柱上，钢柱用塔吊吊升就位后，穿入其余安装螺栓，并将上柱四面的中心线与下柱中心线对齐吻合，四面兼顾中心线对准或已使偏差控制在规范要求范围以内时，将螺栓拧紧，焊接完成后割除临时连接板。

图4 钢柱对接基准线示意图

3.4 钢结构连接施工

本工程中钢结构的连接方式包括高强螺栓连接和焊接两种，有关两种连接方式的施工要点如下：

焊接整体原则：“统一对称、分区进行；单杆双焊、双杆单焊”。以控制应力、应变为准则，详细制定焊接顺序。针对整个结构而言，柱、梁等刚性接头的焊接施工，应先从整个结构的中间构件上施焊，先形成整体后向左、右扩展焊接。针对框架而言，平面上应先从整个结构的中间构件上施焊，先形成框架后向左、右扩展焊接。立面上应遵循上层钢柱施焊完成后再进行下层环梁施焊的原则。箱型钢柱对接焊接顺序见图5。

图5 箱型钢柱对接焊接顺

焊条、焊丝、焊剂，及其熔敷金属的屈服强度等指标应与主体金属相适应，手工焊条应在对Q234钢材时选择E43型焊条，Q345 钢材时选择E50 焊条。

工程梁柱节点基本为H 型钢梁对接节点，H 型钢构件焊接顺序为：先焊下翼缘，后焊上翼缘。

高强螺栓孔应采用钻成孔，孔径应比螺栓公称直径大1.5mm。高强螺栓不得重复使用，安装完毕，不得点焊螺帽和打乱丝扣。当不同板厚连接须设置填板时，填板表面应作与母材相同的表面处理。当环境温度高于150℃时，应采取隔热防护措施。梁柱部位高强螺栓连接见图6 所示。

图6 梁柱高强螺栓连接示意图

本工程中高强螺栓为10.9 级摩擦型高强螺栓。连接板材为Q345B 时摩擦面抗滑移系数不小于0.50；连接板材为Q235B 时，摩擦面的抗滑移系数不小于0.45。高强螺栓安装顺序为：首先对校冲孔、替换临时螺栓，安装高强螺栓，随后初拧（依次由里向外、中间向两边），最后终拧（依次由里向外、中间向两边）。

3.5 除锈、防腐与耐火施工要求

钢结构构件在涂装前应进行抛丸除锈处理，局部修补时可采用手工机械除锈，除锈等级应达到相关规范中的Sa2.5 级，表面粗糙度应控制在Rz40～70μm，且处理后的钢材不应存在焊渣、焊疤、灰尘、油渍、水和毛刺等。本工程中埋入混凝土的钢构件表面及构件剖口部位均不允许涂刷油漆或有油污。柱脚在地面以下的部分应采用强度等级较低的混凝土进行包裹（保护层厚度不应小于50mm），包裹的混凝土高出室外地面不小于150mm，室内地面不小于50mm，并宜采取措施防止水分残留，当柱脚底面在地面以上时。柱脚底面高出室外地面不小于100mm。钢构件在出厂前喷涂庭漆、其喷砂除锈完成后至底漆喷涂的时间间隔不应大于3h。钢结构防腐涂装设计年限为30 年、并应进行定期维护，构件出厂安装前、钢结构表面摩擦连接面、现场焊缝两侧各50mm 不能涂漆，但工地焊接部位及两侧应进行不影响焊接的除锈处理。

本项目中钢结构耐火时限及防火涂料厚度见表3 所示。耐火时限为1.5h 及以下的钢结构可采用膨胀性防火涂料、耐火时限在1.5h 以上的钢结构采用非膨胀性（厚型）防火材料，位于室外的钢构件的防火涂料应采用室外型涂料。

表3 钢结构耐火时限及防火涂料厚度

4 施工质量控制技术要点

施工组织准备要点：精心编写施工组织设计，确保设计理念与施工的有效结合，切实完善施工验收标准，加强开展施工技术试验和程序鉴定工作[13-14]。

吊装技术要点：吊装准备主要是指准备施工中需要的起重机，常见的有塔式起重机和自升式起重机，并确保吊装机械能够满足吊装需求。

施工现场准备技术要点：准备检验测量和测量钢材零部件的仪器设备，完成施工设备的选型和配套工作，加强施工现场技术公开，明确技术质量安全责任。

钢柱安装技术要点。安装钢柱前，首先要重新检查下一根柱的标高和轴线，及时修改现有误差，安装前将钢柱安装在下部的钢柱上。

钢梁、钢柱安装技术要点：（1）在安装前，检查钢柱上的连接件、混凝土芯管的预埋件，主要检查连接件的平整度是否符合标准，检查螺孔位置是否正确，摩擦表面状况以及预埋件的位置、清洁度和平整度。（2）在吊装前，在梁表面安装扶手或扶手和扶手绳，普通扶手的高度为1m，并与梁的长度一起设置，作为施工人员的通道。（3）在整个安装过程中，主要采用两个吊点的方式，通常是用于起吊荷载的吊索、系紧方法和在梁柱上设置吊耳。

5 结论

本文对上海嘉定新城健康科技有限公司总部、研发及培训中心项目中1#楼研发中心的钢框架结构的设计及施工要点进行分析，研究结论如下：

（1）对本工程中荷载组合、高强螺栓连接及焊缝等重要节点设计内容进行论述，明确本工程中设计质量控制要点，确保了本工程设计工作质量；

（2）对本工程施工过程进行分析，论述本工程中施工技术细节，并根据本工程施工过程总结了钢结构工程施工质量控制措施，所得研究结果对今后钢结构施工质量控制具有一定的指导意义的。