高层装配式钢结构住宅施工设计及关键技术研究

1　工程概况

济南先行区绿色建设国际产业园租赁住房C–3–1地块主要包括8栋住宅、1栋2层社区服务中心以及1层地下车库，其中4号住宅最高达56.7m。总建筑面积77586.65㎡ ，其中地上建筑面积55298㎡ ，地下建筑面积22288.65㎡ 。地上住宅及服务中心为钢结构。地下1层车库为钢框架–支撑结构体系，内外墙为ACC条板墙，项目设计装配率为77%。

钢结构住宅装配式工程主要包括钢结构加工与安装、预制楼梯安装、钢桁架楼承板安装、AAC墙板安装等主要装配式施工作业。钢结构最大构件深化设计重量约2.5t。本项目装配率高达77%，钢柱、钢梁制作与安装及楼承板、AAC墙板等附属构件的安装施工需交叉作业，安全风险较高，施工难度较大。

2　设计关键技术

2.1　基于BIM技术构件深化设计

地上工程各单体建筑均为钢柱钢梁框架结构，钢框柱为箱形柱，内灌自密实混凝土，外涂非膨胀型防火涂料，最厚可达40mm。单根钢柱最高为4层、最大重量2.482t，钢柱接口部位均设在楼板以上1.5m处，单根钢梁最重0.349t。钢结构加工制作前需进行二次深化设计。本项目依托Tekla与Revit软件建模对节点及整体进行深化设计，对钢构件进行分段并编号，明确各构件尺寸及连接方式。BIM建模结果如图1所示。

     

图1　BIM建模示意

2.2　施工顺序优化

本项目钢结构整体安装遵循“由下至上、先柱后梁、先主梁后次梁”的顺序。其中1~4号楼设有独立塔式起重机，各楼可同步施工；5号楼与7号楼、6号楼与8号楼使用同一架塔式起重机，无法同步施工，为缩短施工工期，使用50t汽车式起重机进行辅助吊装。将单体划分为6个吊装区域，各区域内依次进行钢柱、钢梁、钢斜撑吊装。吊装区域划分如图2所示。

     

图2　吊装区域划分结果示意

2.3　防火体系优化

本项目建筑耐火等级为一级，其中钢柱、支撑需满足3h耐火极限，钢梁满足2h耐火极限，其余构件满足1.5h耐火极限。钢柱、支撑及钢梁均需采用非膨胀型防火涂料，其余构件采用膨胀型防火涂料，室外裸露构件采用室外型涂料，节点防火保护取连接构件中要求最高处。

涂料配合比是施工质量及防火性能的主要控制因素，需按检验报告严格配比，其中稀稠度按涂装方式确定，避免施工完毕后涂装流淌。涂装时分层进行，其中第1层施工时膨胀型、非膨胀型防火涂料厚度分别为0.8~1.2mm、3~5mm；第2层分别为1.3~1.5mm、12~20mm，直至施工至耐火厚度。对于非膨胀型防火涂料，第2层涂装完毕进行挂玻璃纤维网处理，以免脱落，处理完毕再进行下一层涂装。

2.4　外墙防水体系优化

常规屋面防水方法是铺设防水卷材，通常易因卷材渗漏或施工阶段未铺设导致钢构件锈蚀。基于此，本项目在铺设防水卷材的基础上，在屋面板及墙板分别使用防水混凝土及防水板材技术，其中板材除自身防水性能较好外，安装时使用粘结砂浆进行填充，固定完毕通过密封胶处理，此时板缝内外均形成防水层。外墙面整体涂装防水涂料，最终可形成整体防水。技术优化后未增加施工步骤，成本同优化前基本一致，防水性能提升明显。

3　钢结构施工关键技术

3.1　工艺流程

总体施工工艺流程如图3所示。

     

图3　总体工艺流程示意

3.2　地脚锚栓预埋

本项目5号楼采用柱脚螺栓简易定位模具固定装置，钢柱通过8条M39锚栓与独立基础连接，锚栓长度980mm，定位装置与锚栓可同步施工。本项目共计103根钢柱，与7号楼传统安装方法相比可节省工期30.9h，效率提高30%。

3.2.1　整体思路与流程

地脚锚栓安装精度直接控制装配式钢结构住宅整体精度，埋设整体思路为：为确保预埋锚栓精度通过钢筋将锚板与基础和纵向插筋连接，钢筋绑扎完毕后对预埋螺栓及锚板进行二次校正定位，定位合格后浇筑混凝土。

施工流程：基础钢筋施工→柱插筋施工→测量放线→安装柱脚锚栓及锚板→预埋锚板调平→柱预埋锚板加固→校正、验收→浇筑基础混凝土。

3.2.2　锚栓埋设与加固

基础与钢筋绑扎完毕，进行预埋件埋设工作。基于测量放样轴线整体就位预埋锚栓，首先确定预埋件周围4根固定角钢的纵横向中心线，并与定位基准线吻合，然后精确测量埋件4个角上锚栓顶面标高，当高度不足时，利用角钢或钢筋将埋件下的4根固定角钢抄平。

为避免混凝土浇筑时预埋件产生变形，除使埋件整体框架具有足够强度、刚度外，仍需采取相应的加固措施。将锚固底与底板钢筋焊接固定后，在四边加设刚性支撑，刚性支撑两端分别与锚栓和基础钢筋、柱纵向插筋连接；底板钢筋绑扎完毕，将预埋件与基础钢筋焊接为整体。加固前后需对埋件的位置及标高进行复测，利用胶合板制作临时锚板，固定螺栓间距及垂直度。

3.3　钢柱安装

3.3.1　吊装方案

（1）临时固定方案。采用传统方法在钢柱就位后需在其周围拉设缆风绳，以确保钢柱的稳定性，但会导致现场缆风绳过多，影响现场道路畅通，且钢柱调校时间较长。经综合考虑，本工程采用临时连接板+部分钢柱设置缆风绳临时固定钢柱。

不设置缆风绳的钢柱通过连接板临时固定，连接板由螺栓、双夹板和连接耳板组成，主要承受构件自重、风荷载、施工荷载作用。无缆风绳施工是传统吊装技术的改进，可达到缩短工期、节省成本、避免立体交叉作业、提高施工安全性的目的。连接板临时固定后及时安装钢梁，通过钢梁将采用连接板固定和缆风绳固定的钢柱连接为整体，确保结构安全稳定。

（2）吊点选取。吊点设置在预先焊好的连接耳板处，为避免起吊时吊耳变形，采用专用吊具装卡及单机回转法起吊。起吊前钢柱上垫枕木，避免起吊时柱底与地面接触，起吊时避免柱端在地上拖拉。吊点位置如图4所示。

     

图4　吊装方案示意

3.3.2　钢柱吊装

施工准备完成后，使用塔式起重机进行钢柱吊装，项目采用1节钢柱带4层楼承板，每节钢柱深化设计重量为1.2~2.0t，钢柱顶部焊接连接耳板，连接耳板上设置 35cm吊装孔，钢丝绳用吊环与吊装孔连接牢固，起吊时设置专人指挥。钢柱吊装就位后，同时安装两节钢柱之间连接板，连接板用 6cm的M20螺栓临时固定。

3.3.3　柱脚二次灌浆

柱脚底板下混凝土浇筑工程中需将混凝土表面抹平压实后，对二次灌浆部位进行凿毛处理。首节钢柱安装完毕，在柱脚底支设模板，柱脚与基础表面间空隙位置二次灌注5cm的C40微膨胀混凝土。

二次灌浆利用灌浆料流动性强的优势，采用自重法施工。因纵向钢筋影响支模，且按原设计灌浆范围难以灌入混凝土，综合考虑可行性及操作性，将灌浆范围扩大至主筋外，与柱混凝土外表面平齐。采用柱脚板将柱四周环形封闭；竹胶板高度为6.5cm，确保高出柱脚锚板下沿；竹胶板通过铁钉固定方木形式与基础连接加固，接缝位置采用胶带封闭，以避免漏浆。

3.3.4　柱间斜撑安装

柱间斜撑采用嵌入式安装方法，即在两侧相连接的钢柱、钢梁安装完成后，再安装柱间斜撑。为确保柱间斜撑准确就位， 柱间斜撑应在1根钢丝绳上设置倒链，以调整斜撑的倾斜角度，确保快速就位连接。

3.4　钢梁安装

3.4.1　钢梁吊装

钢梁数量远大于钢柱数量，起重吊钩单次上下时间随着建筑物的升高而增加。为提高吊装效率，需采取安全快速的提升、卸钩方法。

钢梁吊装就位时，须用普通螺栓进行临时连接，并在塔式起重机起重性能内对钢梁进行串吊。钢梁的连接形式包括栓接和栓焊连接。钢梁安装时先将腹板的连接板用临时螺栓进行临时固定，调校完毕更换为高强螺栓，并按设计及规范要求进行高强螺栓的初拧、终拧及钢梁焊接工作。

3.4.2　钢梁就位及固定

（1）钢梁吊装前清理表面，再对产生浮锈的连接板及摩擦面进行除锈。

（2）待吊装钢梁应装配好附带连接板，并用工具包装好螺栓。

（3）安装就位时，若孔洞位置出现偏差，则采用冲钉配合调整相邻跨间距，调整完毕通过普通螺栓进行临时连接。

（4）为确保结构安全稳定，便于校正及精确安装，多楼层结构首先固定顶层梁，然后固定下层梁，最后固定中间梁；待框架内钢柱、钢梁均安装完毕及时进行校正。

4　附属结构施工技术

4.1　可拆底模桁架楼承板无支架安装

可拆底模楼承板安装流程：楼承板分区分层供应→吊装至安装层→楼承板铺设→变形处修整→点焊固定。

基于深化设计要求，铺装时先安装开间进深较小的区域，再依次向四周铺装。单个区域楼承板铺装完毕，需检查拼缝是否严密，检查合格后将承板桁架钢筋与钢梁上栓钉焊接；悬挑处楼承板当悬挑长度大于7倍桁架高度时，需加设支撑。铺设前先在起始位置安装首块板，之后依次安装，并采用非标准板首位。为避免混凝土浇筑时底模向下变形，底模边缘与钢梁翼缘对接紧密后采用Z形挂件支撑连接。

4.2　装配式ACC墙板施工

本项目采用的ACC墙板尺寸包括100mm厚与200mm厚两种，宽度均为600mm。内墙板采用竖向安装方法，板件间设置T形口，并采用单向管板或U形卡连接。板材就位至安装位置后，安装单向管板连接件，并通过射钉将板顶与混凝土连接。

板材上下端分别设置10~20mm、20~30mm缝隙，并通过木楔临时固定。底隙通过1∶3水泥砂浆填充，板材与梁、柱、墙体间通过聚合物水泥砂浆填充，相邻板材间通过胶粘剂进行塞缝处理。板材由门洞边至两端依次安装。

5　结论

以济南先行区绿色建设国际产业园租赁住房项目为背景，研究了高层装配式钢结构住宅设计及施工关键技术。首先研究了基于BIM技术构件深化设计、施工顺序优化、防火体系优化、外墙防水体系优化等设计关键技术，然后通过设计优化确定了最优施工技术，在不增加成本及工期的基础上，提高了建筑整体及局部的防火、防水性能。

通过研究地脚预埋、钢梁、钢柱及附属结构的施工关键技术，确定了各施工步骤最优技术，确保了施工安全及质量。基于研究成果，形成了一套综合性高层装配式钢结构住宅技术体系，运营经验表明：本研究成果的应用提升了工程质量及经济效益，缩短了施工工期，可为同类建筑施工提供参考。