传统的悬挑式钢结构雨蓬一般分为带拉杆和不带拉杆两种悬挑雨蓬,不带拉杆的钢结构雨蓬一般悬挑长度不超过2m,带拉杆的常见4～6m。但有的建筑师为了使其设计的建筑外观整体达到更好的效果,设计的钢结构雨蓬悬挑长度越来越大,对主体结构的要求及钢结构施工技术提出了更高的要求。

精确的构件加工尺寸、良好的加工质量以及准确的定位及安装是大跨度悬挑异形钢结构雨蓬施工质量的主要保证因素,本文结合某大厦悬挑式钢结构雨棚的施工过程,通过对构件尺寸的确定、主要构件的加工、现场安装等过程的阐述,简要介绍了本工程施工质量控制要点及相应的质量保证措施。

本项目钢结构雨蓬宽约30m,悬挑长度达到10m,且不设计拉杆,整个外形呈扇形,外包花岗岩石板,两翼石板为双曲面,其相应的石板龙骨也是异形的,因此本项目主次钢梁及石板龙骨形状多样,尺寸规格各异,属于空间异形结构。

本项目钢结构雨蓬骨架采用型钢结构(见图1),主梁为BH900～600×300×16×28型钢钢梁及BH600～400×300×10×16型钢钢梁构成,在主体结构施工过程中,已预置6根900×300×16×28H钢牛腿,主梁与牛腿通过铰接方式固定。次梁为RH400×200×8×13型钢钢梁;两翼为Φ219×10钢管和Φ457×16钢管异形结构支撑。钢梁面结构最高度10.587m,结构总用钢量约为28t。

在雨蓬型钢结构骨架上铺设钢方管作为外包30mm花岗岩石板的龙骨,石板采用背栓式连接,在两翼处石板为双曲面石板成品。

此雨蓬整体结构属于三维空间结构范畴,特别是雨蓬两翼存在异形钢管结构,采取常见的测量放样无法确定其弯曲弧度和相关尺寸,为了保证钢龙骨的制作准确性,通过建立BIM模型,结合数控机床等准确下料。

(1)利用Rhinoceros软件建立此雨蓬的钢结构BIM模型,提交设计院审核,核对模型无误后,导出结构分解图,结合设计图纸,分别对每一个主梁、次梁杆件进行截面类型匹配,然后编号(见图2)。

(2)从模型中提取主杆件的长度,并进行扣减分析,最终算出每段主杆件所需长度,施工人员按此下料。

(3)主梁与主体预埋钢梁牛腿连接,根据设计图纸的要求,确定主梁上螺栓孔的直径及孔距。

(4)石板龙骨的加工:中间部位的石板龙骨根据图纸直接下料,两侧双曲面石材的龙骨每侧划分为7个单元。分别对每个单元的骨架利用模型进行求解,得到每个单元每段次杆件的长度值,然后制作构件加工图(见图3)。

主梁采用BH900～600×300×16×28型钢钢梁及BH600～400×300×10×16型钢,作为本项目主要支撑作用的H型钢的制作质量,对钢结构的质量与性能影响很大,影响到整体结构的承载安全。因此,在H型钢的焊接加工的每个流程都应严格控制,保证焊接质量符合要求。

H钢的焊接加工流程:备料→焊接H钢组对→H型钢定位焊接→H型钢主焊接工序

根据设计要求,本工程主要结构型钢均采用Q345B级钢材,焊条采用E50型。钢材和焊条应有质量合格文件、中文标志及检验报告。

H钢包含翼板和腹板,需对板材进行质量检验,并且对存在表面扭曲的板材进行矫正,合格者进行组对。

将H型钢组对后,要先将其进行定位焊接,为了保证焊缝质量,需在两端设引弧板、收弧板,焊接结束后切割去掉。

主焊接过程主要采用自动埋弧焊方法,自动埋弧焊电流大,热量高,构件易产生变形,因此应确定合理的焊接电流、电压、焊接速度等,从而有效地控制构件变形。

对已完成的H型钢,应进行焊缝质量的检验,即焊缝内部缺陷检验、焊缝表面缺陷检验和焊缝尺寸偏差检验,只有检验合格,方能出厂。

通过BIM软件,得到异形钢管的准确尺寸后,在钢管车间采用数控相惯线切割下料,抛丸油漆完成半成品构件。

在以上钢结构BIM的基础上继续建立外覆盖石板的模型,在与建筑师确认无误后,从三维模型中,提取每一片石材(同时进行编号),求出最小外部长方体,分别对所有曲面石材进行单独导出,得到石材板块独立的最小外接长方体。将各个板块的三维模型数据递交加工厂,加工厂进行文件格式转换、路径编排后进行雕刻,使成品石板完全符合设计要求(见图4)。

(1)由于该雨棚为曲面异形结构,安装精度要求较高,所以测量定位是该钢结构施工的关键技术之一,施工过程中测量工作衔接和指导各工序的施工,始终贯穿于整个钢结构施工过程。通过高精度的测量和校正使得钢构件安装在设计位置上,确保满足精度要求,因此测量控制是保证钢结构安装质量以及工程进度的关键工序。

(2)本工程根据 BIM 模型,采用全站仪布控支点,以雨棚中轴线与外墙面的交点在正负零处的位置作为原点,根据平面图,划出石材板块控制线,并用墨斗线在找平后的地面上弹出控制线位置,依次交叉复核,确保准确无误。

(3)从模型中提取各个控制点位的坐标,现场根据此坐标放线定位(见图5)。

构件运到现场后,雨蓬钢结构主次梁及异形钢管采用吊车吊运安装。首先安装型钢主梁及型钢次梁,再安装两侧异形钢管。

吊装时应拉设两对四根缆风绳,保证主梁在吊运过程中避免磕碰混凝土结构以及左右摆动,无法定位。

在主梁吊运到安装位置后,可在其底部采用临时支撑架,防止主梁在固定安装过程中晃动,设置位置大概在主梁两端,支撑架采用50角钢组装而成。

主梁安装前应在已预留牛腿面上弹出主梁的安装中心线,该线从控制轴线测出并引测到每个柱牛腿面上。同时也在主梁顶面弹出主梁的中心线。主梁起吊前两端用钢丝绳捆绑,捆绑角度不小于45度,主梁吊起后使其中心线对准牛腿的安装中心线,将主梁放置在支撑架上,并采用垫块等材料,继续调整主梁的水平度及与牛腿中心线位置,并控制主梁连接端与牛腿的配合间距,钢梁就位时,及时夹好连接板,然后用安装螺栓拧紧,并按设计要求进行焊接工作。

安装两侧异形钢管时,用高精度全站仪及高精度水准仪建立平面控制网和高程控制网,经纬仪和水准仪进行安装测量控制,全站仪进行焊接节点的空间三维定位测量。为保证其安装精度,可在钢管异形结构上节点部位黏贴反光纸片,在安装过程中全程采用全站仪坐标测量控制其精度。在主梁和两侧异形钢管柱的整个安装过程中应加强阶段性测量,利用全站仪、经纬仪全程跟踪复测,以免误差积累到下阶段施工。

主梁及两侧钢管柱安装完成并且安装尺寸经过复核无误后,开始安装次梁龙骨。次梁与主梁通过连接件用高强螺栓固定连接。

(1)采用经纬仪在主梁上确定好次梁中心线,并弹好线,确定好连接件在主梁上的焊接位置。

(2)连接件在主梁上施焊过程中容易产生焊接应力,为避免造成主梁变形问题,采取相应的控制措施,实施多层多道焊,每焊完一道后应及时清理焊渣及表面飞溅,发现影响焊接质量的缺陷时,应清除后方可再焊,在连续焊接过程中应控制焊接区母材温度,使层间温度的上、下限符合工艺条件要求。

(1)通过经纬仪,结合设计图纸,根据之前确定的石材板块控制线,将石板钢龙骨中心线弹在主次梁上(除了两侧异形的石板钢龙骨),并确定钢龙骨连接件的安装位置。

(2)两侧异形的石板钢龙骨采用钢圆管,与钢管柱的焊接施工是个难点,采用建模来配合其安装。通过在原 BIM 模型里二次建模,模拟钢龙骨安装在雨蓬钢结构上的实际情况,严格控制型钢龙骨骨架的上下、左右尺寸,龙骨骨架间距尺寸必须满足石材尺寸的要求。根据BIM模型中钢骨架各连接点的空间坐标,通过全站仪和经纬仪的监测,将已经加工好的钢龙骨安装到位。

石板采用铝合金子母挂件加背栓(前后、左右、上下均有调节空间)方式,通过定制的转接件与钢骨架连接,转接件带有弧形凹槽,弯弧半径根据圆管专门定制,满足各个方向都能固定,在安装过程中能有效地保证石板安装的准确性(见图6)。

通过本文描述,本工程大跨度异形悬挑雨蓬的施工质量要达到规范及设计要求,主要控制措施不仅需要对钢构件和石板的加工制作、安装过程严格监控,还应结合BIM三维模型软件和经纬仪、全站仪等仪器的配合使用,才能达到既定质量目标。