摘  要：本文介绍了盘古大观超高层钢结构安装过程中的重点技术问题的解决。本工程施工面临场地狭促、构件重量分布不均等、冬季焊接及厚板焊接等问题，而随着建筑高度的增加、其结构和构件的柔性渐变大，因此对安装的测量提出了新的要求；特别是本工程屋顶悬挑桁架，其悬挑的长度、安装的高度均在国内外少见，因此如何在保证质量的情况下,安全有效的安装是本工程重点和难点，对保证工程工期和进度至关重要；另UBB、阻尼器的安装在以往工程中很少运用，其成品保护要求非常高。
      为解决上述难题，我们根据工程的特点难点，合理布置构件堆场、根据构件的重量分布选择和布置塔吊位置，并根据塔吊性能合理分段，部分超重构件采用双机抬吊的方法进行吊装；为确保冬季焊接施工,重点进行焊接的预热、层温控制和后热处理，特别对桁架的焊接制定合理的焊接顺序以控制变形；为保证结构的整体垂直度偏差,采用对柱网纵横轴多次测量,二次纠偏；针对高空悬挑桁架的安装,我们采用高空分段递进安装，同时合理优化节点、设置拼装连接方式以保证安装的进度和质量。
      主题词：双机抬吊  悬挑桁架的高空分段递进拼装   UBB、阻尼器的安装

 1、工程概况：
      北京盘古大观写字楼，以其“龙”的造型（见图1）矗立于北京市朝阳区北四环
 

图1 北京盘古大观效果图 超高层写字楼钢结构安装
 

中路与北辰西路交叉口西北角，距离2008年奥运会主会场（鸟巢）仅600米，地理位置十分显要。工程±0.000m以下为钢骨混凝土结构，±0.000m以上为全钢结构，结构采用钢框架－支撑筒体系，共分核心筒、内筒和外框架三部分。建筑外檐最高点为191.65米，其中地下5层，地上39层，屋顶为钢桁架组成的瓢形结构，瓢结构从框架(A7~A14轴)向北悬挑出28.2米。工程结构用钢量2.7万吨，其中悬挑的瓢形结构用钢量约1000吨，结构立面见图2。
 

图2 北京盘古大观结构立面示意图

2、结构特点及施工难点
      本工程中构件主要有箱形柱、H型钢梁和支撑，最厚板材为90mm厚,桁架板材最厚为50mm。材质主要为Q345GJC（40以上板有Z向性能要求）、Q345C、Q345B等。其结构体系非常新颖，内筒为柱-支撑结构，16层和30层为加强层，加强层采用8榀UBB（屈曲软钢）伸臂桁架。同时为控制大震时结构位移，设计在24～39层设置阻尼器以进行消能减震。35层为结构转换层，35～39层在内筒设置大堂。屋顶为桁架结构，桁架上下弦主弦杆为H+T组合型钢。
      由于钢柱板材较厚，最小分段（钢柱1层1节分）后超出单机起吊能力的构件较普遍，双机抬吊的运用很好的解决了这一问题。屋顶的瓢形悬挑桁架，其安装高度、悬挑长度均在国内外少见，如何安全有效的安装是本工程重点解决的难题。UBB和阻尼器安装在以往工程中很少遇见，作为精密仪器，安装时对成品保护要求非常高。
      3、钢结构安装技术
      3.1、起重设备的布置：
      盘古大观工程施工场地较为狭促，因此需对现场施工设施进行合理布置。构件堆放场为方便汽车进出，利于卸车，就近设在塔吊旁，施工平面布置图见图3。垂直吊装设备为两台塔吊，其中南侧为C7050塔吊，北侧为SK560塔吊，为使塔吊在吊装性能允许范围内吊装，对构件特别是钢柱进行合理分段，根据深化设计图中构件重量分布，将30层以下钢柱每两层为1节，部分区域为一层1节，30层以上为3层1节，钢柱各节的拼接节点为方便操作，设置在楼层面上1.3米处。钢梁和柱间支撑的重量分布能满足现场塔吊吊装的要求，故无需分段。
 

图3 盘古大观A座施工布置示意图 超高层写字楼钢结构安装

      3.2、框架结构构件安装
      框架结构构件安装时，根据塔吊吊装范围，分区进行，对称安装。遵循先核心筒，再内筒，后外框架的安装原则，由内至外形成框架体系。相邻钢柱安装后应及时连接其间的钢梁，每天安装的构件应形成稳定的框架结构。 

钢柱吊装时吊点设在柱上端的4个拼装耳板上（见图4），钢柱吊装到位后，使上节钢柱的中心线与下节钢柱的中心线接近吻合，并兼顾四面壁板，然后用活动双夹板将上下节柱的安装耳板夹稳，用安装螺栓固定，并通过缆风绳孔及时拉设缆风绳，使钢柱进行稳固。此时初步校核钢柱，以利于钢梁和支撑的安装。

图4   北京盘古大观上下节钢柱拼装节点
 

钢梁端头的节点形式有栓接、焊接、栓焊结合三种形式。端头均有螺栓孔，故钢梁吊装后，立即用安装螺栓进行固定，以使吊钩尽快脱钩。为提高吊装效率，钢梁吊装时在塔吊允许范围内采用一钩多吊和上下层串吊的方式。  
      待整层的柱、梁和支撑安装完后，即对钢柱进行测量校正，校正后紧固螺栓，并对这一层的钢柱进行整体观测和记录，根据记录的偏差值和偏差方向，确定焊接顺序、焊接方向焊接收缩的倾斜预留量。焊接完后，重新对整层钢柱测量和记录，为上节钢柱安装提供依据。
      为减少钢结构安装在一定的高度时结构的柔性，我们在安装钢柱、钢梁和支撑完成后，及时铺设压型钢板，并浇注混凝土，以保证结构至少每隔4层有一层混凝土楼板，这样增加了安装时结构的刚度，同时使钢结构施工、压型钢板施工和混凝土施工交叉同步进行。
      3.3、双机台吊
      部分钢柱因板材厚，按一层一节分段后，局部区域构件仍超出单个塔吊的吊装能力的范围，最重构件达到19. 6吨，因此需进行双机抬吊。在双机抬吊前，根据规范要求检验所用到的吊具吊索卡环等工具，并给相关施工人员组织安全技术交底。
      根据两台塔吊各自有效半径内起重能力，适当进行起重荷载的分配。塔吊性能见表1。
      塔吊性  能  表 C7050 起重半径(m) 20 30 37 40 47 50 60 70
      起重吨位(t) 20 14.3 11.1 10.1 8.5 7.9 6.2 5
      SK560 起重半径(m)  30 35 40 45 50  
      起重吨位(t)  20 17.14 14.71 12.85 11.36  
 

表1：塔吊性能分布表

      双机抬吊构件分布见图5（图中圆圈为需抬吊的钢柱位置）。其中1/A9-1/AH轴线的钢柱最重，为19.6吨，在卸车时先用SK560卸放在其最大吊装范围，然后根据钢柱的位置和重量，计算后选用6米长的I 56a的型钢作为抬吊所用的扁担，抬吊前通过计算确定两台塔吊各自的负重荷载，根据力矩平衡原则，选好钢柱在扁担上的吊点。然后将钢扁担吊至要吊装钢柱的上方，穿上钢丝绳，锁具卡环拉紧后重新检查各吊点的绳索、卡环、缆风绳等的安全性。然后开始进行试吊，试吊时两台塔吊要保证上升速度一致，同时缓慢的提升钢扁担，待钢柱立起后塔吊的小车再开始调整位置，小车前行中保持速就度一致。
 

超高层写字楼钢结构安装

      试吊完成后，开始起吊。起吊时力求平稳，离地面保持最近为宜，转运双机配合保持钢柱水平起吊，吊运前先指挥SK560运转，C7050配合跟进小车。此时，双塔起重荷载分别为15t(SK560)和9t(C7050)，吊离楼层面向安装位置移动。由于双塔机处于不相等受力，起重能力大的塔吊属SK560，因此运转前先由SK560工作，C7050配合跟进，保持钢柱平稳转移，然后缓缓吊至钢柱安装位置。
      3.4、屋顶桁架安装
      屋顶主桁架共计8榀，框内主桁架长为42.4米，其中中间4榀（AF、AG、1/AD、1/AH轴线）跨过祖原堂顶，跨度达到21.2米。框架外桁架悬挑长度为28.2米。在主桁架间有8榀次桁架连接，框架内外各4榀。我们确定安装的原则：先框架内，将框架内主次桁架、联系梁、支撑安装焊接完，形成刚性的结构后，再根据分段，依次推进悬挑桁架的安装，悬挑桁架安装时，8榀主桁架的每一分段间必须连成整体，焊接校正完形成刚性结构后方可进行下一段的安装。由于特殊的造型，较大的跨度和过长的悬挑，给安装带来了非常大的难度。 
      3.4.1、桁架安装的技术准备：
       (1)、根据塔吊起重性能和桁架节点构造，确定整榀主桁架按图6所示分段方案（1~7段箭头所指处为分段位置，分段位置处均有垂直于主桁架的次桁架）。考虑到构件受运输宽度影响，要求制作厂将1段、2段和8段整体制作后运至现场，其它各分段散件制作，并按深化设计图纸预拼后运到现场进行组拼。
 

图6 北京盘古大观 屋顶桁架模型及分段示意图

(2)、连接节点的优化：为使桁架分段安装时，尽快进行连接稳固，利于校正焊接，并方便塔吊脱钩，和设计进行洽商后将桁架的拼装节点转化为栓焊结合的节点，见图7。悬挑桁架处各分段之间安装时的连接，采用在主桁架翼缘的上下焊连接耳板，见图8。为使悬挑桁架安装时能方便准确的定位，对运到现场的悬挑桁架上的连接耳板一定要进行定位尺寸的检查，如有问题应立即进行修改。

图7 桁架W形栓焊节点

图8 悬挑桁架拼接耳板 北京盘古大观

(3)、悬挑桁架的预起拱：由于悬挑桁架外挑28.2米，根据规范要求需起拱140mm，为使悬挑桁架安装时能自然成拱，我们确定从悬挑桁架与框架结构连接的根部A14轴整体起拱，通过对深化设计图纸进行相应修改，将起拱后相关杆件的调整值在加工厂制作时完成。
      (4)、在A座北侧搭设拼装胎架，以使桁架平放在胎架组拼。根据吊装流水作业和桁架最大长宽，需搭设4个14米×4米胎架。
      (5)、3～7段桁架散件运到现场后需在胎架上拼装，为减少桁架组焊过程中的翻转，要求制作厂将桁架翼缘板的坡口方向朝同一方向开，且整段桁架的构件坡口方向要统一。
      (6)、悬挑主桁架上弦有坡度（吊装校正时还需考虑悬挑的起拱值），因此需根据坡度、吊耳位置、以及标高预留值等对吊绳的长度进行计算，以便高空拼装。
 

图9 桁架拼接脚手架立面图
 

3.4.2、框架内桁架安装： 
      ○1、框架内中间4轴线桁架跨度大，拼装脚手架需从35层起搭设，至桁架下弦处总高度为26.4米；祖原堂外的桁架拼接脚手架从39层搭设到桁架下弦处，总高度为8米，见图9。为避免楼板局部集中受力，增加与楼板面的接触面积，在桁架各段拼接点下的承重脚手架底垫I 20a型钢。同时为增强脚手架整体稳定性，祖原堂处脚手架每层都与结构钢柱设横杆连接。
      ○2、桁架下弦拼接支点处的脚手架采用千斤顶和枕木来调节标高，同时张挂好水平兜网，见图10。
 

图10 北京盘古大观 桁架下弦安装示意图

○3、为使安装误差向框架内传递，确保框架内、外桁架能较好的连接，我们确定框架内桁架从A14轴开始起安。安装时，先安中间的AG和AF处的桁架，待形成刚性结构后，再依次对称安装其它六段桁架。以AF、AG为例，安装顺序：①安装AF和AG轴线的第4段桁架→②初校后安装第4段桁架之间的次桁架→③安装AF和AG轴线的第3段桁架→④初校后安装第3段两桁架之间的次桁架→⑤安装AF和AG轴线的第2段桁架→⑥初校后安装第2段两桁架之间的次桁架→⑦安装AF和AG轴线的第1段桁架→⑧初校后安装第1段两桁架之间的次桁架→○9安装AF、AG两桁架间的联系梁和支撑。待这两榀桁架校正焊接形成刚性结构后依次对称安装相邻桁架。
 

图11 悬挑桁架安装顺序图 超高层写字楼钢结构安装

      3.4.3、悬挑桁架安装：
      悬挑桁架安装的原则为：采用高空逐段拼接延伸递进的安装方式。每分段桁架安装时，由中间向两端对称递进，待8榀悬挑桁架的第一分段形成刚性结构后，再安装第二分段，这样逐段拼接递进，直至安装完成。考虑到现场厂地狭促，整个安装工作的流程必须严格按照此顺序组织进行，从构件制作、供货、拼装、吊装、校正及焊接顺序等均按这个原则进行组织。顺序见图11。
      悬挑部分主、次桁架均采用整段吊装，为减少现场工作量，在满足运输要求的情况下，让工厂分块制作，并进行预拼装，然后运至现场。悬挑桁架现场施工布置见图12。
      经过对悬挑桁架的各吊装分段重量的计算分析，悬挑部分主桁架采用整分段吊装， 32段主桁架的分段均可用北塔从北场地面单机直接吊装就位。吊装时采取的措施为：
      (1)、吊装前，主桁架所有吊装操作点的安全绳、操作平台在地面设置好（包括行走安全绳、拉设缆风绳和倒链的操作平台、缆风绳拉环焊接、安装次桁架用的护笼爬梯、滑移挂水平网的安全绳等）。

 
图12 悬挑桁架安装平面布置

(2)、悬挑主桁架在地面为平躺拼装，吊装起钩时需用50吨的汽车吊配合在空中翻身， 并用20吨的倒链来调整主桁架上弦的坡度；
      (3)、在主桁架对接处设置防下移的阻板，以避免各段悬挑主桁架南端在就位后因自重下移。
      (4)、竖直方向的缆风绳按图13所示拉设稳定，水平方向用脚手架钢管做硬性支撑连接在两榀主桁架之间（每层主弦杆端头均设硬性支撑）。  
 

图13 悬挑桁架竖向缆风绳拉设示意图

(5)、在不松钩的情况下立即校正主桁架轴线和标高，校正好后紧固对接口所有的临时安装高强螺栓（10.9S），并对相关部位的临时连接板及加固措施焊接牢固。
      (6)、先对主桁架进行预松钩，观察各个螺栓连接点和缆风绳的受力变化，无异常情况后。再次校正主桁架的标高和轴线，满足要求后再缓缓松钩。
 

图14 UBB安装示意图 超高层写字楼钢结构安装

4、UBB、阻尼器安装
      UBB作为伸臂桁架体系，设置在16层和30层，要求安装精度非常高，特别UBB端头和连接板对接接头处分布高强螺栓孔共80个，且错排排布。因此安装时先将UBB上端端头和连接板用安装螺栓拼装后，整体按角度用倒链吊起，然后再将其下端与相对应的连接板用安装螺栓拼装好后，再进行整体校正，校正完毕后将其上下连接板与结构梁进行焊接，最后安装高强螺栓并终拧，见图14。UBB在吊装时，为防止油漆、涂料剥落，因此不用金属物、钢丝绳等接触其表面。并在安装时采取保护措施，以防止UBB坠落损坏。
      阻尼器应用在A座24~39层和悬挑桁架上，用于消能减震。安装阻尼器时，由于柱支撑已安装，因此人字形支架在支撑下侧设拼接口。安装顺序为：

 
图15 阻尼器安装示  超高层写字楼钢结构安装

(1)、用3吨重倒链将两分段阻尼器支架吊立对接，将拼接口拧上安装螺栓，并进行初校；
      (2)、用软性的布索将阻尼器控绑好；
      (3)、用倒链将阻尼器缓缓提升；
      (4)、提升接近连接板时，在人字形支架两侧设移动脚手架，一侧两人站在脚手架上，将阻尼器轻轻抬起，与连接板进行对拼；       
      (5)、待调校好后穿销轴（在穿销轴时，先将阻尼器两边的垫片按顺序放置，再将涂好黄油的销轴穿上）；
      (6)、待人字形支架和阻尼器整体校正完后，焊接支架拼接口。安装示意见图15。实物照片见图16。

图16 阻尼器实物照片

阻尼器是精密仪器，在搬运、吊装、安置过程中为防止油漆、涂料剥落，因此避免金属物、钢丝绳接触阻尼器表面。任何过程都避免碰击和动阻尼器外筒的油嘴。在给人字形支架补涂漆料时，对阻尼器进行防护，以免污染。安装完后将阻尼器表面重新包装，塑料包装在里层，防火石棉布在外，然后用细铁丝捆扎牢固。

5、焊接
      本工程中所用板材厚度较大，最厚板为90mm，最高材质要求为Q345GJC-Z25。其中钢柱各分节的拼接、框架梁与钢柱的连接、桁架分段之间的拼接、桁架主次弦杆的节点均采用全熔透焊接，因此焊接工作量非常大，对焊接的工艺要求高，施焊操作难度大。因此须制定严格的焊接工艺。由于厚板钢柱的安装施工主要在冬季进行，因此需加强构件的预热、层温和后热的控制，焊接时注意钢柱、桁架的焊接顺序。
      5.1、预热：本工程采用电加热器和氧、乙炔中性焰相结合的方法进行预热处理。根据焊接接头的坡口形式和实际尺寸、板厚、融敷金属的扩散氢含量、焊接时热输入的大小、接头热传导条件等工艺评定确定焊前预热温度。
      5.2、层温：焊接时，焊缝间的层间温度根据具体板厚应始终控制在150℃~250℃之间，每个焊接接头一次性焊完，当遇有恶劣气候，且焊缝已开焊，则抢在恶劣气候来临前，最少焊完板厚的1/3方停焊；且严格做好后热处理，记下层间温度。
      5.3、后热：后热处理于焊后立即进行。后热加热范围为焊缝两侧各100mm，温度的测量距焊缝中心线50mm。为保证焊缝中扩散氢有足够的逸出时间，避免产生延迟裂纹，后热温度为200℃-250℃，测温点选在直接加温处的相近部位。达此温度后用多层石棉布紧裹，保温的时间以接头区域、焊缝表面、背部均达环境温度为止。
 

图17 桁架拼接接口焊接示意图

      5.4、钢柱焊接顺序：就整个钢结构框架而言，箱型柱的焊接是难点和重点，为此采用两名焊工同时对称等速施焊。焊完第一个两层后，再焊接另外两个相对应边的焊缝，这时可焊完四层，再绕至另两个相对边，如此循环直至焊满整个焊缝。
      5.5、桁架焊接顺序：桁架上、下主弦杆、腹杆及水平支撑等钢性接头是焊接的重点。焊接顺序为：①主桁架下弦杆对接接头―②主桁架上弦杆对接接头―③主桁架1、2层水平弦杆对接接头－④主桁架对接处斜撑杆件焊接―⑤次桁架节点连接板―⑥区域间立、斜腹杆、水平支撑等焊接。
      5.6、桁架拼接端口的焊接：为防止桁架拼接口焊接时产生水平位移和上下翘曲变形，确定图17所示焊接顺序。
      6、测量与校正
      盘古大观总高度达191.6米，柔性大，且钢结构吨位较大，焊口多，因此测量的重点及难点为安装精度的控制、焊接对结构安装偏差及标高的影响、结构安装区域间的相互影响。
      6.1、总高垂直度的控制：全过程监测每节钢柱的吊装，当钢柱吊装就位时，用磁力线坠在钢柱的上部固定后用钢卷尺直接测量钢柱本身的垂直度，并用两台经纬仪在钢柱的两个不同方向架设，测量人员指挥进行钢柱的调整，直到钢柱垂直度达到精度要求，焊缝焊接完毕为止。钢柱焊接完后，再采用两台经纬仪，利用平面控制网对纵横柱轴线进行检查调整，及用两台经纬仪进行垂直交会定，以确保二次调整及时纠偏。在二次调整及纠偏的同时，确保总高的垂直度，在观测垂直度时，从±0.000米至施工层，每50m必须从±0.000原始控制线进行垂直校测至施工完毕。
      6.2、钢柱的标高控制：根据已安完得下部钢柱顶标高偏差值、并考虑到柱底焊接收缩值等因素，确定将要安装的上部钢柱柱顶高度。当下部钢柱柱顶测量标高偏差在±5mm以内，在安装过程中调整；当标高大于±5mm时，由制作厂在制作过程中进行调整。
      6.3、框架的整体校正：钢结构分区形成框架后，对分区内钢柱重新进行一次精校，主要是控制钢柱柱顶轴线。钢柱的精确校正是一个不断调整的过程，若钢柱的调校对相邻钢柱的安装偏差影响较大，则将此根钢柱与相邻钢柱暂时脱离，待框架校正完成后更换此根钢柱和相邻钢柱间钢梁的连接板。
      6.4、桁架安装时的测量与校正：为保证桁架安装时的测量精度，将首层控制轴线网投测至39层的混凝土楼板面，再将每榀桁架的轴线偏1米控制线弹到地面上，作为桁架安装的主要依据。垂直度控制主要利用地面的轴线偏1米线，用两台经纬仪从两个方向多次观测调整，并在焊前按轴线尺寸多加2mm的预留值，以使焊后达到设计要求。标高观测因受冬季低温影响，为此每段桁架安装时进行3次观测，并取3次观测的平均值。框架内外的悬挑桁架对接时，为避免端头拼接时错口问题，先测量框架内桁架A14轴端头的上下弦，并针对测量数据在组装框架外桁架时将其上下弦杆的间距相应进行调整。
      7、结束语
      盘古大观从开始吊装第一根钢柱至屋顶桁架安装完成，在短短15个月内施工完成2.7万吨的钢结构工程量。安装完成后，其整体垂直度偏差仅为27mm，主体结构高度差为19mm，均远低于规范的允许范围。特别屋顶瓢形桁架的安装完成，更是体现出充分的技术准备、优良的方案选择、细微的节点优化是钢结构工程安装施工中至关重要的一环。

参考文献：
      【1】、钢结构工程施工质量验收规范                            GB50205-2001
      【2】、高层民用建筑钢结构技术规程                            JGJ  99-98
      作者简介:  刘耀清：北京首钢建设集团有限公司一级注册建造师、工程师、经济师；
      联系地址:  北京市石景山区苹果园路15号     邮编：100041