多圆管组合钢柱安装施工工艺
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摘要：重点介绍天津周大福金融中心塔楼外框大管径倾斜多圆管组合钢柱安装施工工艺，并从圆管柱测量控制和焊接质量控制技术两方面阐述其施工工艺，使多圆管组合钢柱安装质量得到了有效控制，可为类似工程提供参考。
关键词：多圆管组合柱；安装；测量校正；焊接变形控制
1工程概况
天津周大福金融中心项目工程建筑高度530m，总用钢量约56800t，由4层地下室、5层裙楼和100层塔楼组成。塔楼主体采用典型的“外框＋核心筒”结构形式，且外框结构由角框柱、斜框柱、支撑柱、边框柱、钢梁、转换桁架、环带桁架、帽桁架、塔冠钢结构和筒外压型钢一、二、三板组合楼面组成。其中，外框1～7层多圆管组合柱由角框柱、斜框柱、支撑柱组合而成。多圆管组合柱分布于塔楼外框4个角，每个角上2个组合柱。以地上1～3层第1节多圆管组合柱为例（图1），角框柱、斜框柱、支撑柱截面尺寸分别为φ2300mm×40mm、φ1800mm×40mm、φ1200mm×20mm，质量分别为47、38、12t。
2施工重点、难点
1）深化设计：多圆管组合钢柱属于空间汇交，构件内部各类零件纵横交错，焊缝集中。如何在保证施工工艺的前提下，精确建模定位各构件空间坐标及各零件精确尺寸是一大难点。2）加工及验收：构件多类截面汇交组合，外形曲面变化多，内部零件多且不规则，空间位置关系多变扭曲、对接位置多，如何保证每一个零件精确下料组拼是一大难点；空间扭曲变化的构件用常规手段检测其加工精度很难实现，如何实现构件出厂前的精确验收是一大难点。3）构件安装：组合钢柱空间倾斜，整体由3个不同管径的圆管组成，如何制订合理的安装顺序，保证各构件顺利组对是重点。4）测量精度控制：多圆组合钢柱呈空间倾斜，3根圆管精确组对，以及如何保证整体精度是本项目的重点和难点。5）焊接变形控制：空间倾斜钢柱在焊接过程中变形带来的偏差控制难度大，如何监测焊接变形，保证整体结构精度尤为重要。
3关键施工技术
3.1组合柱虚拟预拼装
本工程多圆组合柱整体质量达97t，分节后质量分别为47、38、12t。因为传统的验收手段对复杂截面异形构件很难进行外形尺寸的检验，因此项目部创新采用基于BIM的三维激光扫描技术对构件加工尺寸进行智能验收（图2）。同时钢柱加工完成后，为了保证构件加工精度及整体精度，减少预拼装制作胎架及拼装过程的人力及物力的浪费，本项目采用基于三维激光扫描仪与BIM技术相结合研发的虚拟预拼装技术。该技术通过在构件四周合理设置多个扫描站点，将各站点数据配准，结合SCENE三维数据处理软件生成三维模型，并将其传入电脑，使用GeomagicQualify软件进行模拟预拼装，确保构件预拼装合格。
3.2组合柱吊装
3.2.1吊装吊耳设计
根据分节分段后钢柱质量及结构特点，钢柱使用4个吊耳吊装，吊耳距柱顶50mm；卸车时使用2吊点，卸车吊耳设置在距离角框柱两端各1/3处；连接板设置4个。
3.2.2吊装前准备
1）为确保钢柱的安装质量、安装效率及吊装安全，钢柱上端耳板穿防坠器和缆风绳，下端耳板用连接板和安装螺栓与钢柱下端耳板临时固定。2）对将要吊装的圆管柱椭圆度、牛腿位置、安装控制基准点位置等进行检查，并对安装时需要用到的基准点用油性笔进行醒目的标记，同时在安装控制基准点上贴设反光片。上述各项经检查无误后，在钢柱上绑扎钢爬梯，以便钢管柱在高空就位后，方便工人爬到柱顶部完成摘钩工作。
3.2.3组合柱吊装
根据圆管柱间的结构分段特点，确定合理的吊装顺序，多圆管组合柱安装顺序为：安装支撑柱→安装角框柱→安装斜框柱（图4）。吊装就位后，利用上、下节钢柱间的加厚连接耳板初步就位，及时安装钢柱间框架梁，形成整体稳定体系。
3.3组合柱测量校正
组合钢柱空间倾斜，整体由3个不同管径的圆管组成，复杂异形结构空间感强，对安装精度控制要求极高。传统人工逐点测量的方法效率低下，观测范围有限，且作业危险性高，难以适用于现场实际条件[1-2]。本项目所采用的自动跟踪测量系统，通过自动测量机器人循环锁定并快速跟踪多个棱镜的三维坐标，通过三点定位确定构件的整体位置，结合构件BIM模型可实现对构件上任意一点坐标的实时呈现，为复杂构件的测量校正提供了一种更加高效准确的技术手段。
3.3.1自动跟踪测量系统的组成
自动跟踪测量系统包含硬件部分和软件部分，硬件部分由厂家解码定制的全自动跟踪测量机器人和360°强磁吸附棱镜组成，负责构件安装过程中的动态三维坐标数据采集。软件部分由PC端和移动端2部分组成，其中移动端负责现场仪器的操作指挥与数据处理，PC端则可通过远程数据连接实现对现场的实时监控。
3.3.2自动跟踪测量实施过程控制
测量机器人同时追踪3个棱镜，且棱镜摆放位置没有特殊限制，可在能被仪器观测到的位置任意布置。棱镜布置完成后，先对3个棱镜逐个瞄准识别，然后对构件的特征点进行瞄准识别，dacs软件就可以通过构件BIM模型上特征点和棱镜的相对空间位置关系计算出棱镜在构件上的位置。之后的校正过程仅需要仪器自动跟踪3个棱镜即可反算出构件上任意一点的位置坐标（图6）。相关人员可以在软件上实时观测构件吊装校正过程的空间动态位置变化，并且可以任意选择想要关注的部位显示实时坐标，得知构件调整至设计位置需要移动的方向和距离，在构件逐步就位的过程中通过不同的颜色变化来更加直观地反映出构件的偏差大小。
3.3.3偏差调节
测量机器人通过测量基准点坐标并与基准点设计坐标对比来确定偏差值，然后通过2台互成90º的千斤顶调节钢柱间间隙及偏移量（图8）。待定位完成后，对圆管柱采用4点定位焊接进行加固，保证其稳定性。
3.4钢柱焊接
为避免焊接过程中产生过大的焊接应力，导致圆管柱变形过大，在焊接过程中，要严格按照“对称焊接”“预留收缩量”“多层多道焊接”“分段退步焊”等焊接工艺原则，以降低焊接变形。在焊接过程中，为避免焊接过程中引起较大变形，通过设置2台互相垂直的“百分表”来实时进行焊接过程监测，跟踪变形情况，进而及时调整焊接过程的热量输出或焊接顺序，降低焊接变形，从而更好地指导后续作业，确保施工的顺利进行。待多圆管组合柱焊接完成后，须对其各个圆管柱进行相同位置处的测量复核工作，并且对复测数据进行研究，以便更好地指导上节圆管柱安装。
3.5钢柱防腐
待多圆管组合柱焊接完成并探伤合格后，需要根据设计要求进行构件表面除锈处理，并按照涂料产品说明书进行油漆调配后再进行涂装，且在涂装过程中的环境温度及相对湿度应符合涂料产品说明书要求。涂装后4h内应保护成品免受雨淋，并用漆膜测厚仪对涂层进行漆膜厚度检测。
4结语
在天津周大福金融中心多圆管组合钢柱安装施工过程中，先通过基于BIM的三维激光扫描技术对异形多变、空间复杂构件进行智能化验收及虚拟预拼装，节省胎架及成本投入，同时保证构件加工精度；再采用自动跟踪测量技术，很好地解决了异形复杂组合构件测量精度控制难的问题，提高了现场测量施工效率；最后采用“百分表”焊接实时监测技术，大大降低了焊接变形倾向，使合格率大大提高，施工质量得到很好的保证。通过科学合理的吊装、测量和焊接方法，极大地控制了多圆管组合柱的安装精度和质量，为今后类似工程施工提供了一定的借鉴与参考。
参考文献
[1]陈志曦.超高层建筑中的现代施工技术应用[J].科技风,2011(17):203-204.
[2]尹敏达.上海浦东国际金融大厦倾斜圆管柱安装[J].施工技术,1999,28(6):16-17.
作者:孙青亮 康少杰 唐振 刘志勤 韩红 单位:中国建筑第八工程局有限公司天津分公司
