本质安全应用于大跨度钢结构整体顶升技术

本质安全应用于大跨度钢结构整体顶升技术

江祖平

成都轨道建设管理有限公司 四川成都市 610000

摘要：本文对大跨度钢结构在地面或适当的部位组装成整体或整个单元,采用多台提升机械提升安装至设计位置。应用该项技术，可以显著减少结构安装时的高空作业，有利于提高质量控制，作业安全和施工效率，实现了本质安全，并在成都大魔方演艺中心项目中成功运用。

关键词：本质安全；整体顶升；减少高空作业；减少安全生产事故

0 引言

随着我国经济建设的快速发展,各类工程建设项目规模日益扩大，重大工程项目包括大跨结构、超高层结构以及一些复杂异形结构等日益增多。这些工程的共同特点是施工规模大、范围广、周期长、过程复杂。如此复杂的结构势必给工程施工带来更大的挑战，建筑施工中事故不断增多,尤其是高空作业，严重影响人民的生命财产安全及工程建设速度。工程事故产生的原因是多方面的，其中很多事故是源于设计者与施工企业对施工方法选择的错误。

减少和预防安全生产事故，其中一项有效手段就是本质安全化，即通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。传统的钢结构网架安装方法主要有空中散装法、整体吊装法。但是对于跨度较大的网架，传统方法施工安全隐患非常大，而且对于施工作业面要求较高，施工进度缓慢。而成都大魔方演艺中心屋盖钢结构整体提升施工方案，有效解决了大跨度钢结构网架安装的施工技术难题，能有效减少高空作业风险，实现了本质安全化。同时希望通过这一技术研究及总结，可以在类似工程施工程中取到一定的技术借鉴作用。

1  常规吊装法的局限性

一般般情况：构件数量少时，多选用汽车式起重机;门式刚架吊装多选用中小型汽车式起重机;安装工期较长、安装高度及回转半径较大时，履带式起重机比汽车式起重机经济;中、高层钢结构安装一般选用塔式起重机。钢结构常规安装方法有高空散装法、分段吊装法。

1.1高空散装法安全风险大

高空散装法是先在设计位置处搭设拼装支架，施工时有满堂脚手架和悬挑法两种，然后用起重机把结构构件分件（或分块）上吊至空中的设计位置，将结构小拼单元或散件直接在支架上进行拼装。,此法适合于单件重量轻,垂直运输无需大型起重设备，工序简单；但是需要架设脚手架，周期长、费用高，高空作业量大,精度难以控制，辅助材料多,费用高，高空作业多，安全风险大。

1.2地面吊装法精度难保证

分段吊装法将结构根据自身形式分成块状单元，分别由起重机械吊装至高空设计位置就位．然后再拼装成整体的安装方法.此方法的特点是大部分焊接、拼装工作在地面进行，有利于控制施工质量并可省去大量拼装作支架，但结构分段后需要考虑临时加固措施，后拼杆件、单元接头处仍然需要搭设拼装胎架。通常主梁节段在工厂预制，然后在现场逐节对称拼装，拼装时需要注意已成粱段和安装粱段相对高差的控制，精度控制十分重要，且仍然需要进行高空作业，安全风险依然存在。

由于空中散装法及地面拼装整体吊装法等两项施工方法的工艺落后且对于大跨度网架施工安全隐患巨大，目前已经被建筑市场逐步淘汰，其利弊在此不予展开讨论。

2  整体顶升法的特点

2.1 整体顶升法的优点

计算机控制整体顶升与提升技术是一项先进的钢结构与大型设备安装技术，它集机械、液压、计算机控制、传感器监测等技术于一体，解决了传统吊装工艺和大型起重机械在起重高度、起重重量、结构面接、作业场地等方面无法克服的难题。采用该技术施工安全可靠、工艺成熟、技术先进、经济效益显著。该技术采用“柔性钢绞线承重、液压油缸集群、计算机控制同步提升”的原理。提升或顶升施工时应用计算机精确控制各点的同步性。整体顶升采用由计算机控制的液压千斤顶集群作业的成套设备。该设备一般由承重，执行和控制等部分组成,以立柱和钢绞线等为承重部件，以液压千斤顶为执行部件,以电气和计算机系统为控制部件。立柱作为承载千斤顶组的基础，承担所有被提升结构和机具的重量;钢绞线作为提升索具,与千斤顶的夹片锚具配合传递提升力，实现提升过程中结构件的上升(下降)和锁定；液压千斤顶由液压泵站提供动力，通过油缸的升缩和上下锚具的交替置换，实现提升动作;电气和计算机系统根据各类位置和荷载传感器的信号，结合同步（异步）或荷载控制的要求,下达各类作业命令.由计算机控制的液压千斤顶集群作业设备进行钢结构整体提升作业,具有组合灵活，控制精细，自动化程度高等优点,并可实现特大型结构和超重结构的整体提升。

2.2整体顶升法的步骤

大跨度钢结构安装，采用整体提升施工方法的基本步骤如下：

第一步：在地面拼装好钢屋盖的各级桁架及其内部必要的支撑体系。

第二步：以安装在各钢柱顶部的提升支架作为支座,在其上布设穿心式千斤顶并通过钢绞线将钢屋盖整体提升。

第三步：待钢屋盖整体提升到设计位置时再超提升一定高度,然后逐点落位并与支柱的钢牛腿连接.。

3 成都大魔方演艺中心屋盖钢结构整体提升实例

3.1工程概况

成都大魔方演艺中心该中心是成都市大魔方大型演艺中心文化产业项目开发的一期工程，位于成都市新天府广场核心区，总建筑面积约13.16万平方米，地下2层，建筑面积约6.75万平方米；地上6层，建筑面积约6.41万平方米。主要功能为12000座的体育兼演艺中心（大陀螺）、400座音乐俱乐部（小陀螺）以及配套的零售、技术、管理、车库等，效果图见图1。

图1  成都大魔方演艺中心效果图

大陀螺主体结构由舞台区和观众看台及其辅助功能区组成，总建筑面积约13.1万m2，由于建筑造型的要求，各层平面尺寸均不同。平面形状近似为圆形，自第3楼面以上平面尺寸逐层放大，同时圆心向观众厅侧偏移，到层6楼面时，平面尺寸达到直径为140m的圆形，最高处46.6m，最大外挑约20m。大陀螺屋盖为空间钢桁架，屋盖东西轴直径148m，南北轴直径155m。屋盖系统钢结构立体桁架总重约2600t，采用液压提升方式整体提升部分重约1300t，面积5400㎡。桁架第二段及其余部分构件采用滑移施工重约1300t。大陀螺剖面图见图2。

 图2  大陀螺剖面图

3.2关键施工技术

3.2.1 BIM模型模拟

大陀螺最大直径155m的近似圆，重达3000吨的大屋盖，选择整体提升+滑移。为保证此方案能顺利实施，在施工前，利用BIM模型进行钢结构强度、稳定性、变形分析，对施工方案进行模拟。现场施工展示及模型对比展示见图3.

图3  现场施工展示及模型对比展示

3.2.2专家论证

根据危大工程管理办法：“采用非常规起重设备、方法，且单件起吊重量在100kN及以上的起重吊装工程”，“跨度大于36m及以上的钢结构安装工程”，必须编制专项施工方案并开展专家论证。方案将大陀螺钢结构整体提升单元划分为三榀巨型桁架、径向桁架第一段、尾部桁架等三部分，跨度达150米、重量为1350吨，提升高度为32.84米，采用国内先进的提升技术，利用计算机同步控制和液压提升器为一体的综合控制系统，设置了14个起重吊点，6个观测点。整个顶升过程分为桁架地面支撑台定位；安装、桁架起步安装；大陀螺整体地面拼装；柱顶提升油缸安装；整体液压提升等多个步骤。该方案经过专家论证，专家论证见图4.

图4  专家论证

3.2.3液压设备配置

表1 提升设备清单

3.2.4提升吊点设置

根据本工程结构特点，总体上按照每隔一个径向桁架设置一个吊点的原则布置吊点，总共设置了14个提升吊点，6个观测点平面布置如下图所示：

图5  提升吊点

3.2.5 提升流程

3.2.6操作要点

对于地面平整度及地基承载力是安装顶升机前的重点考虑要素，楼地面的集中荷载验算是顶升机基础安全的前提，为不造成楼地面的破坏，可以采取加固或者单独设置顶升机基础，确保顶升机基础安全。

顶升必须采用同步数控顶升，14个顶升机顶升高度偏差控制在20mm以内，首次顶升到10cm高度，暂停顶升，检查、测量网架扰度及各个节点变形情况，符合要求后方可继续顶升作业。

3.3.实际运用效果

从传统的高空散装，高空作业的工作不利环境，改变为地面整体拼装网架的安全环境，一方面拼装速度得到加快，另一方面作业人员相对安全，使用先进工艺，淘汰落后工法，实现了本质安全化。

图5  提升效果

通过布置14个顶升机，替代繁琐的满堂脚手架，减少对钢管扣件的运输及现场搭设人工费，同时减少搭设钢管脚手架的搭设时间，压缩施工工期10天；

地面校正网架弧度姿态，整体顶升就位，降低了采用传统工艺空中校正网架弧度姿态的难度。

图6  提升就位

4.结语

本文以成都大魔方演艺中心钢结构屋盖整体提升为例，通过采用地面分区拼装，将1300吨的构件在地面拼装后，整体提升到预定高度安装就位，从而实现大型结构的安装，确保了大跨度钢屋盖的施工安全，加快了施工进度，降低了工程成本，缩短了工期，取得明显的经济效益，由于全部拼装工作全部在地面进行，安装质量得到了很好的保证，并且减少高空危险作业，可以保障施工人员的安全，实现了本质安全，值得类似工程借鉴和使用。

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